基于ARM的嵌入式系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

1、基于的嵌入式系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用楊柳春基于ARM的嵌入式系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用*楊柳春（蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院 甘肅蘭州，730060）摘要：為了滿足變電力系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)交流信號(hào)采集的實(shí)時(shí)性與準(zhǔn)確性要求，提出并設(shè)計(jì)了一種基于的嵌入式高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)以微處理器為核心，利用硬件同步與軟件糾錯(cuò)相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)電力現(xiàn)場(chǎng)模擬量信號(hào)的采集與處理；該系統(tǒng)可通過(guò)總線與主通信完成數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、傳輸與處理；也可通過(guò)本地人機(jī)交互接口對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)和升級(jí)。關(guān)鍵詞：嵌入式技術(shù)；數(shù)據(jù)采集Abstract: In order to meet the real-time and reliability requiremen

2、t of AC signal collection in power system, this paper introduces thedesign and realization of embedded data substation system which based on LPC2138 ARM microcontrollers. It uses hardware synchro-nization and software error correction to gather and process the analogue data of power grid, and it can

3、 also be connected to the computercontrol system implementing data storage, transmission and exceptional event monitoring.Key words: Embedded technology ; ARM ; Data acquisition中圖分類號(hào)：文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：文章編號(hào)：（）引言隨著我國(guó)電網(wǎng)綜合自動(dòng)化的不斷發(fā)展，對(duì)電力系統(tǒng)的運(yùn)行提出了更高的要求：不僅要滿足電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化的功能要求；還要保證遠(yuǎn)動(dòng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性、可靠性、正確性和準(zhǔn)確性，這對(duì)電力系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集與處理提出了新的要求。本文

4、設(shè)計(jì)的嵌入式系統(tǒng)主要用于電力系統(tǒng)領(lǐng)域的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，實(shí)現(xiàn)交流量信號(hào)的采集與處理。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)信號(hào)采集系統(tǒng)多采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，由于單片機(jī)的硬件資源不夠豐富，在采集信號(hào)量比較大的場(chǎng)合應(yīng)用單片機(jī)來(lái)處理顯得有些吃力，并且由于它本身運(yùn)算速度不夠快而造成海量數(shù)據(jù)的處理速度較慢、控制實(shí)時(shí)性較差，無(wú)法適應(yīng)電力系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)數(shù)據(jù)采集與處理的實(shí)時(shí)性與準(zhǔn)確性的要求；而微處理器因其片內(nèi)資源豐富、功能強(qiáng)大、功耗低、性價(jià)比高而成為工業(yè)控制的主流和趨勢(shì)。為了滿足數(shù)據(jù)采集的精度和實(shí)時(shí)性要求，本文設(shè)計(jì)了以微處理為核心的實(shí)時(shí)采樣系統(tǒng)，減小了交流量采樣中、不能同時(shí)采樣帶來(lái)的計(jì)算誤差；并采用鎖相環(huán)技術(shù)實(shí)時(shí)跟蹤信號(hào)基波頻率的變化，實(shí)時(shí)調(diào)整采樣

5、頻率，減小了交流采樣中不能在一個(gè)完整周期內(nèi)等分采樣而引入的計(jì)算誤差，很好地滿足了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、可靠性與準(zhǔn)確性的要求。系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)由于本系統(tǒng)是一個(gè)面向工業(yè)級(jí)別的高速采集分析平臺(tái)，因此速度、性能和可靠性是較為重要的。根據(jù)系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)和功能要求，經(jīng)過(guò)比較，作者選用了收稿日期:2010-11-22作者簡(jiǎn)介:楊柳春(1956-),男,工學(xué)學(xué)士,副教授,技師,主要從事工業(yè)電氣自動(dòng)化專業(yè)理論實(shí)踐教學(xué)研究工作。*基金項(xiàng)目:甘肅省高等學(xué)校研究生導(dǎo)師科研項(xiàng)目1015-03公司出品的位嵌入式處理器作為系統(tǒng)的中央處理器，是基于一個(gè)支持實(shí)時(shí)仿真和嵌入式跟蹤的位的微控制器，具有非常豐富的外圍模塊，強(qiáng)大的處理和控制

6、功能，非常易于構(gòu)建嵌入式系統(tǒng)。為了滿足交流采樣的精度要求，本文設(shè)計(jì)了六通道硬同步交流采樣法，減少了交流采樣中電壓、電流不能同時(shí)采樣導(dǎo)致的有功功率和無(wú)功功率出現(xiàn)計(jì)算誤差；并采用鎖相環(huán)技術(shù)實(shí)時(shí)跟蹤信號(hào)基波頻率的變化，實(shí)時(shí)調(diào)整采樣頻率，嚴(yán)格保證一個(gè)周波內(nèi)等間隔采樣，減小了交流采樣中不能在一個(gè)周期內(nèi)等分采樣而引入的計(jì)算誤差，克服了軟件同步和傳統(tǒng)多通道硬同步采樣中所存在的種種問(wèn)題。具體實(shí)現(xiàn)方法為：智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一個(gè)跟隨電網(wǎng)周波信號(hào)的鎖相環(huán)電路，用于自動(dòng)跟隨電網(wǎng)周波信號(hào)，并產(chǎn)生跟隨電網(wǎng)周波的等分的方波信號(hào)；根據(jù)采樣調(diào)度算法，控制等分方波信號(hào)送給轉(zhuǎn)換器，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換器同步采樣現(xiàn)場(chǎng)的交流信號(hào)。此外，在失去

7、電網(wǎng)周波信號(hào)之后，周波跟隨器將自動(dòng)產(chǎn)生的方波信號(hào)，繼續(xù)驅(qū)動(dòng)模板進(jìn)行采樣工作。智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)有兩路異步串行通信接口，一路是接口，用來(lái)和主機(jī)通信，將采集和計(jì)算生成的數(shù)據(jù)上報(bào)給主；一路是接口，用于模板的檢測(cè)與調(diào)試以及的軟件下載。正常情況下調(diào)試接口是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的超級(jí)終端接口，使用超級(jí)終端仿真軟件可以十分方便地對(duì)模板進(jìn)行調(diào)試和檢測(cè)。同時(shí)該串口也是的軟件下載口，通過(guò)跳線跳接可以將編譯連接生成的軟件下載到的存儲(chǔ)器中。本系統(tǒng)的硬件組成圖如圖所示。在系統(tǒng)的軟件功能設(shè)計(jì)上，本設(shè)計(jì)采用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。首先，是一個(gè)源碼公開(kāi)、可自動(dòng)化與儀器儀表年第期（總第期）移植、可固化、可剪裁的占先式的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，其絕大部

8、分源代碼可供不同構(gòu)架的微處理使用；其次，應(yīng)用進(jìn)行應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)，除了可以有效地提高數(shù)據(jù)采集模塊的可靠性之外，也使程序的設(shè)計(jì)和擴(kuò)展變得容易，不需大的改動(dòng)就能增加新的功能，使應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)過(guò)程大為簡(jiǎn)化；而且對(duì)實(shí)時(shí)性要求苛刻的事件都得到了快速、可靠地處理，可提高系統(tǒng)的整體性能及抗干擾能力，使系統(tǒng)資源得到更好的利用。圖智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件組成圖系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)以基于的六通道實(shí)時(shí)采樣系統(tǒng)、同步鎖相環(huán)電路和微處理器為核心，整個(gè)系統(tǒng)由模擬量輸入通道和高速信號(hào)處理兩部分組成。模擬量輸入通道主要完成模擬量信號(hào)的信號(hào)調(diào)理和實(shí)時(shí)采樣：信號(hào)調(diào)理是對(duì)模擬通道送來(lái)的信號(hào)進(jìn)行壓縮調(diào)整以滿足的采樣電平；信號(hào)采樣

9、是完成模擬信號(hào)的數(shù)字化。模擬量通過(guò)信號(hào)調(diào)理之后進(jìn)入（）高速信號(hào)處理電路，并在內(nèi)完成特定的數(shù)字信號(hào)處理算法。系統(tǒng)提供路模擬量輸入通道，實(shí)時(shí)采樣電路完成數(shù)據(jù)采集后向提出中斷，由來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，每采集完路數(shù)據(jù)后就產(chǎn)生一次中斷。數(shù)模轉(zhuǎn)換器是模擬量輸入通道的核心部件，雖然自帶轉(zhuǎn)換器，但其轉(zhuǎn)換精度只有位，為了實(shí)現(xiàn)更高的精度和速度，外接數(shù)模轉(zhuǎn)換器。是公司推出的專為高速同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)的高速、低能耗、通道（分成、三組）同步采樣的位高性能數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片，適用于噪聲比較大的環(huán)境。每片由個(gè)轉(zhuǎn)換速率最大為的構(gòu)成，每個(gè)有個(gè)模擬量輸入通道，每個(gè)通道都帶有采樣保持器，個(gè)可組成對(duì)模擬輸入，可對(duì)其中的輸入信號(hào)采樣保持。另外引

10、腳內(nèi)部還帶有電壓接口，可用以提供基準(zhǔn)電壓。由于個(gè)通道可以同時(shí)采樣，很適用于需同時(shí)采集多種信號(hào)的場(chǎng)合。本系統(tǒng)便設(shè)計(jì)了以為核心的六通道交流同步采樣系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)路三相三線交流信號(hào)（Ua、Ia、Ub、Ib、Uc、Ic）的同步采樣，或者路三相四線交流信號(hào)（Uab、Ia、Ucb、Ic）的采樣。具體硬件電路如圖所示。圖模擬量輸入通道電路原理圖模擬信號(hào)的處理是影響整個(gè)系統(tǒng)性能的重要因素之一，本設(shè)計(jì)主要注意考慮了兩個(gè)方面：第一，保證信號(hào)質(zhì)量，提高信噪比，盡量減少畸變；第二，將信號(hào)變換成為適合處理的幅度并提供足夠的驅(qū)動(dòng)力。所以調(diào)理電路的主要作用是濾波和電壓變換；為此，在模擬信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)時(shí)采用了抗混疊低通濾波

11、器和運(yùn)算放大器。以往的信號(hào)采樣電路多數(shù)采用片上微處理器產(chǎn)生轉(zhuǎn)換芯片所需要的控制時(shí)序，以及通道轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)序邏輯信號(hào)，這樣會(huì)占用較多的時(shí)間。本設(shè)計(jì)采用公司的可編程邏輯器來(lái)控制采樣時(shí)序及地址譯碼等電路。通過(guò)位數(shù)據(jù)線、根地址線、（讀寫(xiě)信號(hào)）和一根中斷線與相連接，與的連接主要為幾根控制采樣的控制口線，用于模擬采樣的工作時(shí)序以實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換的控制。除了與基于的嵌入式系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用楊柳春、接口外，還與譯碼控制邏輯電路、鎖相環(huán)電路及模擬多路開(kāi)關(guān)控制電路連接。通過(guò)編程用多種計(jì)數(shù)器、邏輯電路、時(shí)鐘電路等組成的純硬件子系統(tǒng)不僅實(shí)現(xiàn)了的控制、轉(zhuǎn)換以及時(shí)序讀取；并且節(jié)省了面積，減少了整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，提

12、高了系統(tǒng)的可靠性。在周期性電參量的測(cè)量中，進(jìn)行同步采樣是準(zhǔn)確測(cè)量實(shí)時(shí)信號(hào)的關(guān)鍵，同步采樣有利于離散傅里葉變換減少頻譜泄露，進(jìn)而減少誤差。鎖相環(huán)倍頻電路的核心是一片集成鎖相環(huán)和兩片組成的分頻器。其硬件原理圖如圖所示。由于分頻電路采用控制，根據(jù)需要可以設(shè)計(jì)成，產(chǎn)生周波電網(wǎng)倍頻的方波信號(hào)，用于驅(qū)動(dòng)采樣。（）；（）；（）；（）；（）；（）；（）；（）；（）；（）；（）；（）硬件系統(tǒng)初始化（）；定時(shí)器中斷，作為系統(tǒng)時(shí)鐘（）；（）；定時(shí)器中斷，作為信號(hào)周期的測(cè)量（）；（）；中斷，作為采樣（）；（）；串口中斷，和上位機(jī)通信（）；（）；串口中斷，作為終端使用（）；（）；本設(shè)計(jì)在權(quán)衡裝置數(shù)據(jù)采樣精度和實(shí)時(shí)性要求

13、的基礎(chǔ)上，選用了每周波點(diǎn)采樣的離散均方根算法進(jìn)行交流采樣數(shù)據(jù)的處理，電壓、電流的有效值、有功功率及無(wú)功功率的離散表達(dá)式如式（）、（）、（）、（）、（）、（）所示。（）圖鎖相環(huán)電路硬件原理圖系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)智能模板的軟件設(shè)計(jì)主要包括的移植和模板應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)兩個(gè)部分。移植工作主要是與處理器硬件特性相關(guān)的三個(gè)文件的編寫(xiě)。各模板的應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)主要工作包括目標(biāo)板底層驅(qū)動(dòng)程序的編寫(xiě)和系統(tǒng)功能的設(shè)計(jì)編程兩部分工作，除啟動(dòng)部分采用匯編語(yǔ)言之外，其它程序都采用語(yǔ)言編寫(xiě)。圖基于的模板軟件體系結(jié)構(gòu)系統(tǒng)目標(biāo)板底層驅(qū)動(dòng)程序的編寫(xiě)主要包括轉(zhuǎn)換器中斷和兩個(gè)異步串口中斷的中斷服務(wù)程序的編寫(xiě)，前者響應(yīng)中斷后從讀取轉(zhuǎn)換的結(jié)果，后者

14、完成異步串行通信收發(fā)器的控制與數(shù)據(jù)收發(fā)。系統(tǒng)初始化系統(tǒng)如下：（）自動(dòng)化與儀器儀表年第期（總第期）（）（）（）（）（）式（）的無(wú)功功率計(jì)算方法稱為隔°積分算法。設(shè)一個(gè)周期的等間隔采樣次數(shù)為，當(dāng)為的整數(shù)倍時(shí)，若用第次的數(shù)據(jù)代替第次的數(shù)據(jù)，則做超前的°數(shù)次的數(shù)據(jù)代替第k次的數(shù)據(jù)，則做滯（）；（）；（）；上述算法響應(yīng)速度快，相對(duì)平均值和加權(quán)平均值濾波算法，采樣信號(hào)正常突變時(shí)能夠快速跟隨；并可有效剔除采樣過(guò)程中出現(xiàn)的壞數(shù)據(jù)，而不會(huì)掩蓋采樣數(shù)據(jù)的正常變化趨勢(shì)。結(jié)束語(yǔ)本文所設(shè)計(jì)的智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在硬件的設(shè)計(jì)上采用六通道硬同步采樣方法，避免了因采樣信號(hào)不在一個(gè)周波內(nèi)造成計(jì)算誤差，克服了普通

15、交流量采樣對(duì)周期的敏感性；在軟件設(shè)計(jì)上采用了一種改進(jìn)的快速中值濾波算法，可以快速準(zhǔn)確地剔除采樣過(guò)程中出現(xiàn)的毛刺數(shù)據(jù)，使系統(tǒng)具有較高的精度和可靠性。參考文獻(xiàn)杜振波，李開(kāi)成，劉劍鋒基于的電力負(fù)荷管理終端的研制電測(cè)與儀表，（）：周立功深入淺出北京：北京航天大學(xué)出版社，：，張春芳，康震群基于和的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)（）：毛曉波，呂建明電力參數(shù)的交流采樣技術(shù)及軟硬件設(shè)計(jì)研究?jī)x器儀表學(xué)報(bào)，（）：葛明蘭電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)采樣的方法青海電力，（）：陳飛，尹斌，姜峰軟件同步采樣方法的分析與比較儀表技術(shù)，（）：字移相；若用第后的數(shù)字移向。（）、（）、（）式和（）中的，分別代表交流電的，相，為一周波內(nèi)采樣的點(diǎn)數(shù)，表示第次

16、采樣。這種算法計(jì)算出的無(wú)功功率相對(duì)公式（）、（）的精度高。（）（）由于裝置通常在惡劣的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行，采樣過(guò)程中偶爾會(huì)出現(xiàn)不合理的數(shù)據(jù)。這些不合理的數(shù)據(jù)與正常數(shù)據(jù)混雜在一起，真假難辨，給數(shù)據(jù)的使用者造成錯(cuò)覺(jué)，影響裝置的實(shí)用性，因此，剔除不合理數(shù)據(jù)是軟件設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要工作。本系統(tǒng)在交流信號(hào)的數(shù)據(jù)處理上采用了一種改進(jìn)的快速中值濾波算法對(duì)采樣值進(jìn)行判別，具體實(shí)現(xiàn)方法為：對(duì)連續(xù)時(shí)間點(diǎn)的信號(hào)值進(jìn)行采樣，若連續(xù)時(shí)間點(diǎn)采樣值的變化趨勢(shì)一致，則確認(rèn)采樣值合理；否則，根據(jù)變化趨勢(shì)采用前后連續(xù)時(shí)間點(diǎn)處的采樣值代替不合理的采樣值。若連續(xù)時(shí)間點(diǎn)的采樣值為、和，采用類語(yǔ)言描述的算法為：（，）（）（）；高低溫試驗(yàn)箱日常維護(hù)小知識(shí)高低溫箱已廣泛應(yīng)用于電子電工、汽車摩托、航空航天、橡膠、塑膠、金屬、船舶兵器、高等院校、科研單位等相關(guān)產(chǎn)品的零部件及材料在高、低溫變化的情況下，檢驗(yàn)其各項(xiàng)性能指標(biāo)，現(xiàn)在提供以下幾點(diǎn)維護(hù)小知識(shí)：一、堅(jiān)持專人專業(yè)管理，有條件的單位應(yīng)不定期派專人到供方工廠培訓(xùn)學(xué)習(xí)，以獲得較專業(yè)的維護(hù)、維修的經(jīng)驗(yàn)和能力。二、建議將其置于比較良性溫度環(huán)境中，最佳環(huán)境溫濕度為：，對(duì)不具備此條件的實(shí)驗(yàn)室，須配備適當(dāng)?shù)目照{(diào)器或冷卻塔，以保證壓縮機(jī)壽命及機(jī)器整體的實(shí)驗(yàn)效果。三、循環(huán)風(fēng)葉、冷凝器風(fēng)機(jī)清潔和平衡：與清洗蒸發(fā)器相似，因試驗(yàn)箱的