基于S3C2440的電力諧波數據采集系統設計

位宴賓，黃 祥，蔡樂才

(四川理工學院自動化與電子信息學院，四川自貢 643000)

基于S3C2440的電力諧波數據采集系統設計

位宴賓，黃 祥，蔡樂才

(四川理工學院自動化與電子信息學院，四川自貢 643000)

電力諧波的數據采集是通過基于嵌入式系統軟硬件相結合來實現的.硬件核心是AR M9的S3C2440處理器，為主控制芯片；實時操作系統μ C/OS-II為軟件操作平臺.設計了信號調理電路等模塊，編寫了相關的驅動與應用程序.采集到的數據經過快速傅里葉變換分析處理，最后對處理后的諧波分量進行顯示與存儲.

電力諧波；數據采集；S3C2440；調理電路；快速傅里葉變換

0 引 言

目前，嵌入式技術因其體積小、可靠性高、功能強、靈活方便等諸多優點而被廣泛應用到工業、農業、科研以及日常生活等各個領域.而在眾多的嵌入式操作系統中，Linux操作系統擁有開放的源代碼、豐富的軟件資源、功能強大的內核和支持多種體系結構等優點而受到使用者的青睞[1].本設計針對電網上的諧波數據采集要求，提出了一種基于S3C2440的電力諧波數據采集系統，該系統在ARM 32位高性能嵌入式處理器S3C2440A中移植了μ C/OS-II實時操作系統，通過μ C/OS-II操作系統中的消息機制，使用信號調理電路、A/D轉換電路，實現了對電壓、電流信號的多通道的數據采集功能.

1 S3C2440處理器概述

S3C2440[2]是一款ARM920T核的32位集成了指令、數據分開的 14 K Cache、4通道 DMA、3通道UARTIIC總線、IIS總線、PWM 定時器、看門狗、LCD控制器、觸摸屏控制器、USB、紅外接口、SD存儲卡接口、AC97數字音頻接口等手持式產品必備的功能模塊，其電源管理功能能對核心模塊和各接口功能模塊的供電電源分別管理，并具有系統休眠和喚醒功能，為應用系統最大限度地降低功耗提供了完備的硬件條件.同時，S3C2440是一個高度集成的片上系統微低功耗嵌入式處理器，是主頻為400 MHz的并行處理器，非常適合于工業控制和過程控制.

2 硬件設計

2.1 系統總體設計

電力諧波數據采集系統采用模塊化的結構設計思想，主要分為主控模塊、信號調理模塊、A/D轉換模塊等.系統總體結構框圖如圖1所示.

圖1 系統總體框圖

系統完成的功能包括:首先由電壓(電流)互感器采集3路被測量的電壓、電流信號；然后對實測的電壓、電流信號進行濾波放大；再經過A/D轉換器轉換為數字信號后送微處理器處理.微處理器通過快速傅里葉變換(Fast Fourier Transform，FFT)計算出各路電壓諧波含有率、電流諧波含有率、電壓畸變率等各種參數，各參數可經液晶屏顯示[3]，最終存儲在存儲器中.

2.2 信號調理電路

信號調理電路設計是數據采集系統的重要部分，它直接影響到系統的性能，只有合理設計才能提高采集速度、模數轉換精度與簡化電路.信號調理電路的結構框圖如圖2所示.

圖2 信號調理電路示意圖

通常傳感器的模擬信號在變換為數字信號之前必須進行調理.調理的具體要求是放大、緩沖或定標模擬信號等，使其適合于模/數轉換器(ADC)的輸入，然后，ADC對模擬信號進行數字化，并把數字信號送到微處理器(Micro-Control Unit，MCU)或其他數字器件，以便用于系統的數據處理.此外，由于電力諧波中包含無限次大的諧波分量，在數據采集時會發生頻譜混疊現象，所以還要將信號送入抗混疊濾波器.本設計所選用的A/D轉換器模擬信號輸入值范圍為0～3.3 V，所以還必須將采集的信號經過一個電平偏移電路，然后將偏移后得到的電壓信號送給A/D轉換器，把連續的模擬量轉換成離散的數字量，最后由微處理器對數據進行處理、存儲和顯示.

2.3 模數轉換電路

按照系統設計的技術要求及芯片的性能、性價比，本設計中模數轉換器采用S3C2440處理器內部集成的10位COMS ADC(模數轉換器)，是一個8通道模擬輸入的再循環類型設備，支持片上采樣—保持功能和掉電模式的操作.由于所選用處理器自帶的A/D轉換器滿足采樣需求，同時簡化了硬件設計，提高了系統穩定性，也降低了成本.

2.4 數據存儲電路

S3C2440芯片外接了2片32 MB的SDROM內存芯片，它們并接在一起形成32-bit的總線數據寬度，這樣可以增加訪問的速度.因為是并接，故它們都使用了nGCS6作為片選，這就決定了它們的物理起始地址為0x30000000.S3C2440芯片還外接了2種Flash:一種是 NOR Flash，型號為 SST39VF1601，大小為2 MB；另一種是NAND Flash，型號為 K9F1G08，大小為128 MB.S3C2440支持這兩種Flash啟動系統，通過撥動開關S2，就可以選擇從NOR還是NAND啟動系統.

3 軟件設計

在系統的軟件設計上，本設計采用模塊化、結構化設計思想，以便于程序及各功能模塊的移植與擴展.按照本系統的功能，把系統軟件分成2部分:其一為Linux驅動程序；另一為應用程序.

3.1 Linux驅動程序

Linux驅動程序主要為A/D驅動程序.ADC設備在Linux中可以看作是簡單的字符型設備，也可以看作是一混雜設備(misc設備).本軟件用misc設備實現ADC的驅動，其中斷的方式為，當AD轉換完成后產生AD中斷，在中斷服務程序中讀取ADC DAT0的第0～9位的值(即AD轉換后的值).

ADC設備的驅動程序開發分為4個步驟:

①編寫驅動程序文件my2440 adc .c，實現驅動的初始化和退出；

②定義adc miscdev 結構體并實現內部各接口函數；

③編寫用戶應用程序測試my2440 _adc 驅動，并建立應用程序adc test .c；

④驅動程序的編譯與加載.

編寫完驅動程序形成my2440 adc .c 文件 ，采用makefile文件進行編譯生成.ko可執行文件，然后使用insmod命令加載驅動程序.

3.2 應用程序

應用程序在Linux系統下用C語言編程來實現.由于ADC設備已加載到內核中，可以如同普通文件一樣操作.對電力諧波數據進行采集時，首先打開ADC驅動的設備文件，然后讀取電壓值(該電力諧波數據采集系統也支持對電流值的操作，在此僅以電壓值為主)，緊接著進行快速傅里葉處理，最后進行數據存儲和顯示.應用程序的流程如圖3所示.

圖3 應用程序流程圖

需說明的是，本設計在完成諧波電壓的數據采集后，還要對其進行快速傅里葉變換(FFT)分析.根據奈奎斯特采樣定理，一個周期采樣點個數是128個.在一個周期波128個數據采集結束后，進入FFT算法程序.本設計采用按時間抽取(Decimation In Time，DIT)的基-2 FFT算法.

4 結 語

本設計以S3C2440處理器為控制核心，構建了數據采集系統的信號調理、模數轉換和數據存儲等功能模塊的硬件電路，并編寫了相關硬件設備的驅動和應用程序.系統實現了多路通道的電力諧波數據采集功能，并對數據進行了快速傅里葉變換分析，能簡單明了地觀察到所提取信號的諧波含量.將該諧波采集系統應用于電網中，可以方便地檢測電網中的諧波分量，然后對諧波進行處理可達到改善電網質量的目的.系統可以脫離主機運行，在使用過程中便于攜帶，且功耗低、成本低，具有較高的實際應用價值.同時，由于S3C2440和Linux操作系統的強大功能及豐富的外設接口，對系統還可以做進一步擴展開發，如結合RS485通訊進行遠程監測，結合數字信號處理器(Digital Signal Processor，DSP)對電力諧波處理算法進行優化，以進一步提高處理精度等.

:

[1]陳璞，劉文波.基于AR M和嵌入式Linux的遠程數據采集系統的軟件設計[J].測控技術，2007，26(9):54-56.

[2]三星公司.S3C2440全套中文手冊.[2011-04-02].http://ishare.iask.sina.com.cn/f/14358689.html.

[3]翟紅葉，符影杰.基于ARM的電網電壓諧波檢測儀的研制[J].中國儀器儀表，2006，26(10):33-35.

[4]巢麗娟，鞠勇.基于嵌入式的電力諧波數據采集設計[J].機械與電子，2010 ，28(S1):215-217.

[5]程佩青.數字信號處理教程[M].北京:清華大學出版社，2008.

Design of Data Acquisition System for Power Harmonic Based on S3C2440

WEI Yanbin，HUANGXiang，CAI Lecai

(School of Automation and Electronic Information，Sichuan University of Science&Engineering，Zigong 643000，China)

Data acquisition for harmonic power is realized by combination of embedded system's hardware and software.The core of hardware isS3C2440 of ARM9 as the main control chip and the software takes real-time embedded operating system(μ C/OS-II)as operation platform.Signal conditioning circuit module and others were designed and the driver and application programs were written.Acquitted data were analyzed and processed after Fast Fourier Transform and processed harmonic component was shown and saved to realize the function of this system.

power harmonic；data acquisition ；S3C2440 ；conditioning circuit；Fast Fourier Transform(FFT)

TP274+.2

A

1004-5422(2012)04-0375-03

2012-09-12.

位宴賓(1985—)，男，碩士研究生，從事計算機嵌入式系統研究.