為了保證電力系統安全、可靠、高效地運行，高質(zhì)量的電能供給是一項重要的工作。為此，利用便攜式電能質(zhì)量監測儀對電網(wǎng)電能質(zhì)量參數進(jìn)行準確地測量。 ARM9的主頻高、速度快、內存容易擴展，可以運行嵌入式Linux操作系統，為應用程序的設計提供了方便的條件，其開(kāi)發(fā)板所用的處理器是ARM9- S3C2410�；贏(yíng)RM9-S3C2410的電能質(zhì)量監測儀的整體結構框圖，如圖1所示。
由圖1可知，該系統的硬件除了已經(jīng)擴充了存儲器的ARM9-S3C2410A核心板外，還包括外圍信號調理、鍵盤(pán)及顯示等電路，以MAX1324組成的A／D和信號調理電路，是該數據采集的重要內容，文中主要介紹這一部分的硬件和相關(guān)軟件設計。 1 數據采集的硬件設計 開(kāi)發(fā)板ST2410的硬件資源豐富，提供了40腳外部擴展接口，通過(guò)該接口，可以方便地擴展信號采集等外圍電路。信號調理部分電路的具體結構，如圖 2所示。
1．1 信號調理電路 模擬信號輸入前端電路，是利用電壓互感器(PT)和電流互感器(CT)，對被采樣電壓和電流進(jìn)行隔離和電平轉換。一次互感先將電力電網(wǎng)的高壓、大電流轉換成標準的交流100 V和5 A，二次互感器再將其轉換成A／D芯片MAX1324輸入所要求的-10～+10 V電平，從而得到電力系統公共連接點(diǎn)的全部原始數據。 抗混疊濾波器的作用，是將輸入信號中的高頻分量濾除，以防止被測信號的高頻干擾與有用的低頻信號發(fā)生混疊，影響測量精度�？够殳B濾波采用壓控電壓源二階低通濾波器，如圖3所示�？紤]到本裝置需要監測1～50次諧波，要求在 50～50×50 Hz頻率范圍內的幅頻特性曲線(xiàn)越平坦越好。
1．2 A／D轉換 因為在測量電網(wǎng)的三相不平衡參數時(shí)，要用到中性線(xiàn)的電壓和電流，雖然從理論上，可以通過(guò)相電壓和相電流算出中性線(xiàn)的電壓和電流值，但是，測量值應該更加接近物理現實(shí)。所以，最好同時(shí)測量電網(wǎng)中用戶(hù)公共連接點(diǎn)的三相電壓、三相電流和中性線(xiàn)的電壓與電流，共計8路模入信號。多路信號的同步采樣可以有效克服因通道轉換而產(chǎn)生的相差問(wèn)題，所以A／D應該選用8路同步采樣芯片。美信公司的MAX1320和MAX1324都是適合上述設計要求的專(zhuān)用芯片，MAX1324的模入電壓范圍為±10 V，比MAX1320芯片的輸入電壓范圍寬。在同樣干擾和噪聲條件下，A／D轉換的相對精度會(huì )高一些，所以采用MAX1324，它內部集成了8個(gè)獨立的采樣保持器和8通道的多路開(kāi)關(guān)，容易實(shí)現8路模擬量的瞬時(shí)采集，其轉換結果以補碼的形式按順序輸出。 對于一個(gè)已經(jīng)給定轉換位數的ADC，它對信號所能離散數據位的電平值是確知的，14位MAX125提供214級的離散電平為2×10 V／214≈1．22 mV，相對分辨率可達±0．025％。在國家諧波測量標準中，對于規定的畸變率，電流的測量精度要求相對高一些，考慮到各種情況，實(shí)踐亦證明采用14位的 ADC是完全可以滿(mǎn)足諧波測量的設計要求的。 電能質(zhì)量監測儀的ARM處理器芯片S3C2410A內部還帶有8通道1O位的A／Dc。根據上述分析可知，10位A／D難以滿(mǎn)足諧波監測儀對數據采集的要求，而且該A／DC也不具備同步采樣功能。然而在測量電網(wǎng)基波的頻率時(shí)，國家標準要求對工頻的測量精度是50±0．01 Hz，這意味著(zhù)在一個(gè)周期內，要采集50÷0．0l=5 000個(gè)點(diǎn)以上，所以A／D轉換時(shí)間在20 ms／5 000=4μs以下。頻率測量對幅值的精度要求并不高，只要能夠正常判斷正負值即可。ARM芯片內10位A／D的轉換速度最高可達500 ksps(2μs)，所以，用以測量電網(wǎng)的基波頻率正合適。這樣，MAX1324和ARM內的A／DC分別用作諧波和頻率測量就各盡所能了。 MAX1l324與處理器S3C2410的接口如圖4所示，MAX1324的模擬供電電壓是5 V，而MAX1324允許的數字供電電壓范圍為2．7～5．25 V，圖中是3．3 V。這樣，可以不用電平轉換而直接與S3C2410的數字I/O接口相連。
在進(jìn)行數據采集時(shí)，操作過(guò)程分為以下3步：(1)首先要將MAX1324的工作方式設置為8個(gè)通道的瞬時(shí)采樣，引腳ALLON接高電平，拉低和時(shí)，向數據線(xiàn)D0～D7寫(xiě)入全“1”，這樣8個(gè)通道就能都被選中，實(shí)現同步ADC；(2)拉低ARM的 GPAl2端子，使CONVST引腳為低電平，輸入信號在采樣保持器達到穩定的電平后，再由CONVST的上升沿開(kāi)始啟動(dòng)A／D，這里的多通道轉換是按通道號由低到高的順序進(jìn)行，當最后一個(gè)通道的轉換結束后，所有通道轉換結束信號跳變?yōu)榈碗娖�，轉換結果先儲存于片內對應的14位×8的SRAM中；(3)讀取模數轉換結果數據，其方式有兩種：一種是查詢(xún)方式，MAX1324的引腳接到S3C2410的一個(gè)I／0引腳上，S3C2410啟動(dòng)A／D轉換后，不斷地查詢(xún)這個(gè)I／0引腳是否為低電平，以判斷轉換是否結束，然后再依次讀取轉換后的數字信號；另一種是中斷方式，MAX1324的引腳直接接到 S3C2410的一個(gè)外部中斷引腳上，一旦轉換結束，則向S3C2410申請中斷，S3C2410就會(huì )進(jìn)入中斷服務(wù)程序，依次讀取MAX1324轉換后的數據。為了提高CPU的使用效率，采用中斷方式，圖4中MAX1324的引腳接到S3C2410的外部中斷EINT3的引腳上。當A／D數據轉換結束后，就會(huì )向S3C2410的EINT3發(fā)出低電平，當EINT3引腳為低電平時(shí)，就會(huì )先后向MAX1324的引腳發(fā)出8個(gè)讀脈沖，控制選通引腳分時(shí)讀取 MAX1324轉換后的8個(gè)通道ADC數據。 2 接口驅動(dòng) 設備驅動(dòng)程序的任務(wù)包括自動(dòng)配置和初始化子程序，負責檢測所要驅動(dòng)的硬件設備是否能正常工作。如果該設備正常，則對這個(gè)設備及其相關(guān)的設備驅動(dòng)程序需要的軟件狀態(tài)進(jìn)行初始化。 Linux下的設備驅動(dòng)程序被組織為一組完全不同任務(wù)的函數的集合。編寫(xiě)A／D驅動(dòng)，主要完成對A／D器件控制寄存器和數據寄存器的 open0，closeO，read0，writeO等的操作，并在file_operations中注冊。 static struct file_operations adcmax1324_fops={ open：ademaxl324_open， ioctl：adcmaxl324_ioctl， read：adcmaxl324_read， write：ademaxl324_write， release：adcmaxl324_release， } 下面介紹其中幾個(gè)重要的函數： (1)adcmaxl324_write函數：調用該函數，通過(guò)雙向數據線(xiàn)DATAO～DATA7向MAX1324寫(xiě)人數據OxOOFF，把 MAX1324設置成8通道同時(shí)轉換的模式；(2)ademax1324_ioctl函數：Ioctl函數跟蹤信號，啟動(dòng)A／D轉換； (3)adcmax1324_read函數：read函數把中斷處理函數中讀到的數據發(fā)到用戶(hù)程序。 最后在init()中完成初始化工作。包括注冊設備驅動(dòng)程序和申請系統資源。在編寫(xiě)驅動(dòng)程序時(shí)通常編寫(xiě)成模塊的形式，在模塊加載時(shí)調用初始化函數 module_init()，在卸載時(shí)調用卸載模塊函數module_exit()。 3 結束語(yǔ)
文中實(shí)現了基于A(yíng)RM9的電能質(zhì)量監測儀數據采集的設計。介紹了硬件電路及其相關(guān)軟件，經(jīng)實(shí)驗測試，基于MAX1324ECM的上述數據采集電路，實(shí)測準確度可以達到±0．5％，實(shí)驗結果如表1所示，因此 MAX1324ECM完全適用于電能質(zhì)量監測中的數據采集。 參考文獻 1. 孔五陽(yáng),徐群.MAX1320在同步向量測量中的應用[J].微計算機信息,2007,23(2):290-291. 2. 曹暉,劉曉華.電能質(zhì)量測量系統中數據采集要求的定量分析[J].電測與儀表,2004,41(7):26-28. 3. 潘小波,楊維翰.基于A(yíng)RM9的諧波監測儀數據采集接口[J].安徽工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2007,24(2):209-212. 4. 孫天澤,袁文菊.嵌入式設計及Linux驅動(dòng)開(kāi)發(fā)指南[M].北京:電子工業(yè)出版社,2005. 5. 劉偉民,韓斌,李征.基于Linux的數據采集及在qt界面的顯示[J].微計算機信息,2008(22):97-99. 作者：黃磊,楊維翰(安徽工業(yè)大學(xué),電氣信息學(xué)院,安徽,馬鞍山,243002) 許昆(大慶油田有限責任公司) 來(lái)源：電子科技 2009（12） |
