嵌入式電力能耗檢測系統的開發與調試

胡 琥，李亞莉，田 昕*

(1.云南農業大學 建筑工程學院，云南 昆明 650201;2.云南農業大學 節能減排檢測與研究工程中心，云南 昆明 650201;3.云南師范大學 物理與電子信息學院，云南 昆明 650092)

隨著嵌入式系統技術的發展近年來ARM9作為一種嵌入式系統處理器，以其高性能、低功耗、低價格等優點得到了廣泛的應用。同時Linux嵌入式操作系統，是一個免費的、具有良好可伸縮性與擴充性的操作系統，支持完整的硬件驅動程序、網絡通信協議與多處理器的架構，其源碼的公開更有利于操作系統嵌入式應用的開發和部署[1]，使得兩個系統能完美的結合。

本系統采用三星S3C2410A作為檢測裝置的處理器，內部的AD直接用于數據的采集。系統實現了使用傳感器對用電設備進行檢測，將模擬開關4051作為多種電能指標數據通道的選擇，接入AD進行采集，最后利用以太網進行數據的在線傳送。該系統以低成本實現了高端電力檢測設備的主要功能，滿足了電力能耗參數檢測的實際需求。

1 系統總體設計

本系統由硬件和軟件兩部分組成，均采用模塊化、標準化設計并充分考慮系統的擴展能力。

其中硬件部分包括傳感器模塊、通道選擇模塊、AD模塊、ARM核心模塊、以太網模塊(見圖1)。

軟件部分包括通道選擇模塊、AD模塊、以太網傳輸模塊。

圖1 系統原理框圖

系統工作原理:先由CPU選擇要采集數據的通道，由傳感器把測量數據通過模擬開關4051傳送到精度為10bitAD模塊，并由其進行模擬信號到數字信號的轉換，轉換完成后，送到CPU處理，然后進入系統緩存存儲，最后通過以太網傳輸到服務器進行分析及處理。

1.1 硬件系統分析、設計

1.1.1 硬件系統概述

硬件主系統:采用基于ARM 920T內核的SAMSUNG S3C2410處理器，主頻202 MHz，配置64MB RAM，8寸640×480LCD。它不僅可以滿足目前功能的需要，而且豐富的硬件資源可以實現網絡檢測以及未來功能擴展需要。

傳感器:采用0.2級精度鉗形電流傳感器，根據系統硬件的需求在傳感器輸出端加入電壓放大器，直接輸出電壓信號方便數據的采集。

1.1.2 硬件電路

(1)通道選擇模塊電路設計

使用S3C2410內部的AD。4051是模擬開關，有8個通道可以選擇輸入，傳感器采集的數據由CPU通過P2輸出信號選擇有任一通道，由X端口輸出數據，由于內部AD轉換的模擬信號范圍是0～3.3 V，所以串入 1.7 K 和 3.3 K 電阻，把 3.3 K 電阻的電壓引入AD模塊內進行轉換。

(2)以太網傳輸數據模塊設計

以太網模塊:芯片采用 DM9000AE。DM9000AE是16Bit總線寬度，接在 S3C2410的Bank2上，使用中斷EINT2。DM9000AE的第32腳CMD用來指示當前數據總線是Index端口還是Data端口，開發板則將1根地址線A1接到第32腳，以此區分讀寫的是命令/地址還是數據(這點不同于其他具有多位地址線的芯片)。所以DM9000AE的Index端口的地址是0x10000000，Data端口的地址是0x10000002，驅動程序中只以這兩個物理地址訪問DM9000AE。

1.2 系統模塊設計

(1)通道選擇模塊設計

負責進行通道選擇。根據4051的資料，AB端口輸入的信號不同，所選擇的通道不同。本模塊由CPU控制IO(VD2、VD0)端口輸出高低電平，通過插針P2直接輸入到4051的AB端口，選擇不同通道來檢測電能參數，數據直接由X端口傳送出去。(對應關系見表1)

表1通道選擇真值表

(2)數據采集模塊

主要負責把傳送的模擬信號轉換為數字信號并進行儲存。10bitAD把0～3.3 V的模擬信號等分為1 024份，然后進行數據采樣把模擬信號轉換成對應的數字信號后，由CPU控制進入系統緩存存儲。

(3)數據傳輸模塊設計

主要負責把存儲的數據通過以太網傳送服務器。

命令傳送:本系統通過使用socket與服務器建立TCP/IP連接，來實現命令的傳送[6]。

數據傳輸:數據采集存儲后，可以直接采用命令傳送的方式，把數據傳輸到客戶機進行實時數據分析情況。如果數據不需進行實時分析，也可以存入SD卡中。

2 系統調試

由X端口輸出的模擬信號經過串聯電阻進入AD模塊的模擬信號存在一個線性關系。接入的是1.7 K和3.3 K的電阻，如設由X端口輸出的模擬信號為y，進入AD模擬信號的為x，理論上應該存在以下的線性關系:y=1.52x。但在實際調試過程中，3.3 K電阻引入的電壓并未達到3.3 V，略調電阻使其達到3.3 V。原有線性關系被破壞，通過調整電阻值找到新的線性關系。

方法如下:用一臺穩壓電源把具有一定規律的電壓信號輸入通道選擇模塊，并由X端口通過串聯電阻輸入到AD模塊中，分別測出X端口輸出電壓值，以及AD端的電壓值，并用最小二乘法將對應關系y=1.23x計算出來，并根據該結果重新設置軟件參數(見圖2)。

圖2 y與x的線性關系圖

3 結論

本文介紹了基于ARM9的電力能耗檢測設備的開發與調試，旨在通過該設備的開發，為構建能耗檢測平臺提供硬件支持。在開發過程中，筆者完成了如下的工作。

(1)傳感器的改造、系統硬件配置及外圍電路的設計制造;

(2)數據采集及數據傳輸軟件的程序編制及調試;

(3)在硬件設計開發的基礎上，開發了電能監測信息系統。該系統能夠通過以太網向嵌入式設備發送通信請求，獲取電能數據，并以曲線圖表形式顯示監測設備的狀態。

通過實際應用測試發現，系統采集數據及時、準確、完整，系統運行穩定可靠。

運用該設備建立用電監測的數據平臺，能夠實時獲取監控設備的能耗狀態，掌握用電過程的數據資源，為能耗檢測提供豐富的數據資料，為節能降耗提供有力的數據支持。

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