基于嵌入式Win CE系統(tǒng)的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀

摘 要:為了提高供電質(zhì)量，保證電網(wǎng)和供電設(shè)備安全、經(jīng)濟(jì)、可靠運(yùn)行，設(shè)計(jì)了一種新型基于嵌入式Windows CE系統(tǒng)的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀。系統(tǒng)選用TI公司生產(chǎn)的具有高速運(yùn)算處理能力的DSP(TMS320F2812)對(duì)電網(wǎng)電壓、電流進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、分析和處理，并通過(guò)CAN總線通信將相關(guān)數(shù)據(jù)傳給監(jiān)控模塊;監(jiān)控模塊采用S3C2410 ARM處理器;用嵌入式Windows CE操作系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)度;通過(guò)彩色液晶觸摸屏將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示。系統(tǒng)的高速數(shù)據(jù)處理能力和實(shí)時(shí)性等優(yōu)點(diǎn)使其具有很好的使用價(jià)值和良好的發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞:Windows CE; S3C2410處理器; CAN總線; TMS320F2812

中圖分類號(hào):TP29; TP368.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004-373X(2010)08-0043-03

Power Quality Monitor Based on Embedded WinCE System

WU Li-jia， YIN Bin， LIU Zhi-hui， RONG Mei

(Department of Electric and Engineering， Hohai University， Nanjing 210098， China)

Abstract: In order to improve the quality of power supply， to ensure the power grid and power equipment running securely， economically and reliably， a new power quality monitor based on embedded Windows CE system is designed in this paper.The DSP(TMS320F2812) which has high speed processing capacity， is selected to complete the data acquisition， analysis and processing， and then transmit the data to the monitoring module through CAN bus.The monitoring module uses S3C2410 ARM processor and WinCE operation system to display the real-time data on the color LCD.The advantages of the high-speed data processing and the high real-time make the system have a great application value and well development prospect.

Keywords: Windows CE; S3C2410 processor; CAN bus; TMS320F2812

0 引 言

電能的應(yīng)用程度是衡量一個(gè)國(guó)家電力發(fā)展水平的重要標(biāo)志之一。近年來(lái)，用戶對(duì)電能質(zhì)量的要求越來(lái)越高，使得電能質(zhì)量問(wèn)題日益緊迫地?cái)[在了大家的面前，電能質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到國(guó)民經(jīng)濟(jì)的總體效益。

為了提高供電質(zhì)量，保證電網(wǎng)和供電設(shè)備安全、經(jīng)濟(jì)及可靠運(yùn)行，國(guó)內(nèi)外許多研究機(jī)構(gòu)和公司研制生產(chǎn)了各種功能的電力參數(shù)分析儀表、儀器，但傳統(tǒng)的基于有效值理論的監(jiān)測(cè)技術(shù)已經(jīng)不能完整、準(zhǔn)確地描述實(shí)際發(fā)生的動(dòng)態(tài)電能質(zhì)量問(wèn)題。在此，設(shè)計(jì)了一種基于嵌入式系統(tǒng)的電能質(zhì)量參數(shù)監(jiān)測(cè)儀，改進(jìn)了以往同類監(jiān)測(cè)儀的缺點(diǎn)，能實(shí)時(shí)地顯示出動(dòng)態(tài)電能質(zhì)量的參數(shù)變化，具有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1 電力參數(shù)的計(jì)算

電能質(zhì)量主要包括由公用電網(wǎng)供給用戶端交流電能品質(zhì)的一些參數(shù)。本文主要討論國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)涉及的各項(xiàng)穩(wěn)態(tài)指標(biāo)，如頻率、電壓(電流)、諧波、閃變、三相不平衡度等，以及功率、相位差、諧波畸變率等相關(guān)指標(biāo)的分析測(cè)量，這也是一般的電能質(zhì)量測(cè)量分析儀器所關(guān)心的電能質(zhì)量指標(biāo)[1]。

下面給出各項(xiàng)電能參數(shù)的計(jì)算方法[24]:

電壓有效值的離散化計(jì)算公式:

U = 1T∑N-1m = 0u2mTN = 1N∑N-1m = 0u2m(1)

式中:um為第m個(gè)時(shí)間間隔的電壓采樣瞬時(shí)值。

電流有效值的離散化計(jì)算公式為:

I =1N∑N-1m = 0i2m (2)

有功功率的離散化計(jì)算公式為:

P=1N∑N-1m=0umim(3)

三相總的有功功率為各單相有功功率之和:

P=1N∑N-1m=0(uAmiAm+uBmiBm+uCmiCm)(4)

視在功率為各單相視在功率之和:

S=UAIA+UBIB+UCIC(5)

式中:UA，UB，UC，IA，IB，IC分別為各相電壓電流的有效值。

功率因數(shù):

cos φ=P/S (6)

而無(wú)功功率采用Fryze無(wú)功定義，為:

Q=S2-P2(7)

信號(hào)的頻率計(jì)算公式如下:

F=fs/TCnt(8)

式中:fs為所選晶振頻率(單位為Hz);TCnt為一個(gè)整周期定時(shí)器計(jì)數(shù)值。

諧波含量就是各次諧波的平方和開方。諧波電壓含量與諧波電流含量分別表示為:

UH=∑∞h=2U2h(huán)，IH=∑∞h=2I2h(huán)(9)

式中:Uh(huán)，Ih(huán)為h次諧波電壓和電流。

第h次諧波電壓含有率:

UHRh=(Uh(huán)/U1)×100%(10)

第h次諧波電流含有率:

IHRh=(Ih(huán)/I1)×100%(11)

式中:U1，I1分別為基波電壓與基波電流。

2 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

基于ARM9和嵌入式Windows CE系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)圖[5]如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

該系統(tǒng)采用DSP+ARM9的雙CPU形式，其中，DSP采用TI公司的TMS320F2812;ARM9采用Samsung的S3C2410。該系統(tǒng)中ARM部分用購(gòu)買的開發(fā)板進(jìn)行開發(fā)測(cè)試。

TMS320F2812提供了足夠的處理能力，使一些復(fù)雜實(shí)時(shí)控制算法的應(yīng)用成為可能，它主要完成對(duì)三相交流電壓、電流的數(shù)據(jù)采集，電壓和電流經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路，經(jīng)互感器隔離降壓，經(jīng)低通濾波器濾除高頻分量，使電壓和電流進(jìn)入TMS320F2812處理器，之后通過(guò)TMS320F2812對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理，再通過(guò)CAN總線通信將處理好的數(shù)據(jù)傳送給ARM模塊。

S3C2410是Samsung公司推出的16/32位RISC處理器，具有低成本、低功耗、小體積、高性能的特點(diǎn)，集成了豐富的片上資源。系統(tǒng)中，其主要作用是利用CAN總線通信來(lái)接收從DSP傳過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行LCD顯示，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，同時(shí)，還可通過(guò)USB接口將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到U盤上。

其中，TMS320F2812的CAN收發(fā)器型號(hào)為PCA82C250。TMS320F2812片上集成了CAN通信接口，可直接與PCA82C250上的TXD和RXD相連，并將信號(hào)轉(zhuǎn)換成CANH，CAHL后，在CAN總線上傳輸。

由于ARM開發(fā)板并沒有提供CAN接口，所以此部分要進(jìn)行外擴(kuò)[6]。S3C2410與CAN總線的接口采用SPI轉(zhuǎn)CAN的方式，控制器采用Microchip公司的MCP2515。S3C2410的SPI接口可直接與MCP2515控制器的SPI接口相連，控制器輸出端的信號(hào)經(jīng)PCA82C250轉(zhuǎn)化為CANH，CANL后，在CAN總線上傳輸。

3 嵌入式操作系統(tǒng)Win CE的定制、移植及驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)

3.1 CAN驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)

Platform Builder本身自帶了很多驅(qū)動(dòng)程序，如串口驅(qū)動(dòng)、USB口驅(qū)動(dòng)等，但由于系統(tǒng)中的CAN總線通信部分是外擴(kuò)的，開發(fā)商提供的BSP開發(fā)包不包含這部分驅(qū)動(dòng)，要自行編寫驅(qū)動(dòng)程序和注冊(cè)表部分的文件，定制出CEC文件，并將生成的驅(qū)動(dòng)與BSP進(jìn)行綁定。CAN驅(qū)動(dòng)開發(fā)流程為:

編寫CAN驅(qū)動(dòng)時(shí)，首先要確保S3C2410的SPI接口可以正常工作，再利用SPI接口對(duì)MCP2515寄存器進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置。

CAN總線驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)步驟為:

(1) 初始化S3C2410的SPI口。設(shè)置波特率、主從模式、通信方式等;

(2) 初始化MCP2515。設(shè)置相應(yīng)的發(fā)送、接收緩沖器;

(3) 編寫CAN控制器的收發(fā)程序;

(4) 編寫CAN流接口的函數(shù)形式;

(5) 導(dǎo)出流接口，修改注冊(cè)表和CEC文件。

3.2 操作系統(tǒng)的移植

對(duì)Windows CE操作系統(tǒng)進(jìn)行移植，先進(jìn)行WinCE Bootloader的開發(fā)，然后進(jìn)行操作系統(tǒng)的特性配置和移植，再進(jìn)行硬件平臺(tái)上驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)，最后對(duì)應(yīng)用程序進(jìn)行移植和開發(fā)。

(1) Bootloader的開發(fā)。Bootloader的結(jié)構(gòu)可以分為BL Common、OEM代碼、Eboot、存儲(chǔ)管理、EDBG驅(qū)動(dòng)程序五個(gè)部分[7]。這五部分中，除了OEM代碼需要自己編寫外，其他幾個(gè)部分的代碼都是由Windows CE本身提供的。

(2) 內(nèi)核的配置和移植[8]。Win CE內(nèi)核的配置和移植是在Platform Builder的幫助下，根據(jù)系統(tǒng)的具體應(yīng)用目標(biāo)來(lái)進(jìn)行各種功能裁減，然后由Sysgen即可編譯生成所需的操作系統(tǒng)鏡像NK.bin[9]。當(dāng)Platform Builder成功編譯生成WinCE內(nèi)核后，通過(guò)Platform Builder自帶的TFPT網(wǎng)絡(luò)傳輸工具或其他TFPT網(wǎng)絡(luò)傳輸工具將內(nèi)核下載至硬件平臺(tái)中。

(3) 驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)。Windows CE提供了特定的驅(qū)動(dòng)程序框架，以驅(qū)動(dòng)內(nèi)部或者外圍的硬件設(shè)備。驅(qū)動(dòng)程序位于操作系統(tǒng)與硬件的中間，是BSP包的一部分，將操作系統(tǒng)與設(shè)備鏈接起來(lái)，操作系統(tǒng)就能識(shí)別設(shè)備，并為應(yīng)用程序提供相應(yīng)的服務(wù)。在此主要介紹了CAN驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)。

(4) 應(yīng)用程序的開發(fā)和移植[10]。完成以上內(nèi)容后，就可以針對(duì)硬件平臺(tái)和具體系統(tǒng)要求進(jìn)行應(yīng)用程序的開發(fā)。

4 結(jié) 語(yǔ)

設(shè)計(jì)了一種基于ARM9和Windows CE的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采用TMS320F2812處理器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，充分發(fā)揮了這款DSP芯片的數(shù)據(jù)處理能力;S3C2410和Windows CE嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用，使得系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示和監(jiān)測(cè)。文中實(shí)現(xiàn)了對(duì)硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)和對(duì)Windows CE操作系統(tǒng)的定制、移植及其驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)。該系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性好，性價(jià)比高等特點(diǎn)，有很高的實(shí)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1]周文.電能質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D]. 北京: 北京交通大學(xué)， 2006.

[2]鄧川云， 樊慶文， 任德均. 基于嵌入式WinCE的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J]. 微計(jì)算機(jī)信息， 2009， 25(16): 94-95.

[3]高佳. 新型嵌入式電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研制[D]. 南京: 東南大學(xué)， 2007.

[4]于杰. 基于嵌入式系統(tǒng)的電能質(zhì)量檢測(cè)儀[D]. 濟(jì)南: 山東大學(xué)， 2007.

[5]曹昕鷙. 基于ARM的嵌入式系統(tǒng)在電力諧波檢測(cè)分析中的應(yīng)用[D]. 杭州: 浙江大學(xué)， 2006.

[6]須文波， 楊朝龍， 施小勇. CAN總線技術(shù)及其在船舶結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 大連海事大學(xué)學(xué)報(bào)， 2006， 32(2): 17-20.

[7]何宗鍵. Windows CE嵌入式系統(tǒng)[M]. 北京: 北京航空航天大學(xué)出版社， 2006.

[8]周毓林， 寧陽(yáng). Windows CE. net內(nèi)核定制及應(yīng)用開發(fā)[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社， 2007.

[9]吳國(guó)偉， 畢玲， 陳慶. 嵌入式操作系統(tǒng)原理及應(yīng)用開發(fā)[M]. 北京: 北京航空航天大學(xué)出版社， 2007.

[10]汪兵， 李存斌， 陳鵬. EVC高級(jí)編程及其應(yīng)用開發(fā)[M]. 北京: 中國(guó)水利水電出版社， 2005.