基于Cortex-A8的電能質量監測系統的設計

康迪，荊婷婷

(石家莊信息工程職業學院，河北石家莊050035)

基于Cortex-A8的電能質量監測系統的設計

康迪，荊婷婷

(石家莊信息工程職業學院，河北石家莊050035)

嚴格按照IEC和電能質量國家標準，針對現在國家電力行業面臨的現實性問題提出了一套基于Cortex_A8的嵌入式電能質量檢測系統，對電網質量實現精準高效的檢測分析。經過實驗驗證，本設計可以完成對電流質量、電壓質量、供電和用電質量的檢測，具有一定的推廣價值。

電能質量；嵌入式；Cortex_A8

電能產業是衡量一個國家工業化水平的標準之一。我國是一個電能大國，擁有豐富的電力資源。但是一方面我國的電能種類繁多，隨著以風能發電和太陽能發電等分布式能源的并網發電，使得電能的種類更加繁復，嚴重降低了電網電能的質量。同時大量半導體、非線性設備的使用，也使得電能質量進一步惡化。另一方面人們逐漸追求高水平的生活方式，對電能的質量要求越來越高。

改善提高電能質量的前提是實現對電能質量的精準高效的檢測。傳統的電能質量檢測系統主要有以下三種：

(1)基于采集卡和工控機：這是最早的電能檢測系統的模型，該模型雖然具有檢測精度高、采集能力強并且具有較好的人機交互功能，但是該模型成本高、體積較大，不適合現場的應用。

(2)基于單片機：基于單片機的電能質量檢測系統克服了最初的體積大、成本高的缺點，但是單片機處理能力比較差，不能應用于運算量大的系統之中。

(3)基于數字信號處理DSP：DSP發展已經成熟，具有較好的運算能力，解決了單片機處理能力差的缺點，但是DSP難于控制，不能滿足高控制需求的系統。通過綜合的考慮，本設計采用基于控制能力更強的Cortex-A8超標量處理器結合DSP處理的電能質量檢測系統。

1 系統的整體設計

電能質量檢測系統是以計算機應用技術、數據庫技術、網絡通信技術等技術為依托的，結合電網實際工作中各個監測點所構成的一個檢測系統，該系統可以實現對電網各項電能質量的技術指標(主要包括：供電壓偏差、公用電網諧波、三相電壓不平衡度等)的實時在線檢測，從而獲得最新最精確的信息，為改善電網質量提供可靠的信息來源。

本設計采用Cortex_A8處理器作為控制的核心[1]，并且借用DSP的處理能力實現處理與控制的完美結合。本設計的整體框架如圖1所示。

圖1 系統整體硬件設計

2 硬件系統電路設計

系統的主要設計部分為硬件系統模塊的設計。本設計的硬件系統模塊主要可以分為前端信號調理模塊、數據采集模塊和Cortex-A8核心控制模塊三部分組成，下面將要對著三部分進行詳細介紹。

2.1 前端信號調理

由于本設計是基于家庭電壓設計，最高峰值電壓能夠達到320 V，所以需要添加電壓調理電路使得電壓達到AD能夠采集的范圍。本設計采用電壓互感器把電壓降到5 V范圍內，使得六通道同步采集AD可以正常工作。該電路采用ACS758LCB-100B型霍爾電流傳感器，并且在電路的前端添加瞬間電壓抑制二極管以保護傳感器。具體的電路實現如圖2所示。

圖2 電壓調理電路

對于電流仍舊需要調理電路，對于該調理電路采用征能ES008鉗形電流互感器，該互感器精度小于0.5級，在220，380 V供電線路均可以使用，該互感器匝比為2500∶1，可以放大電流達到2 500倍，符合設定標準。此外，在電路中還設定了起濾波作用的電容C，以凈化電路環境。具體電路圖如3所示。

2.2 數據采集與處理電路

圖3 電流調理電路

數據采集與處理是檢測系統的重要信息來源。數字信號處理DSP用于計算各種電能質量參數，本設計采用TMS320F2812作為主芯片的32位DSP處理器。加快了處理的速度，能夠滿足處理的實時性需要。

DSP在系統中主要的功能是進行采集電信號、檢測各種物理量并進行計算。同時還要完成與Cortex-A8實現計算的結果以及實時數據信息的同步傳輸。結合AD之后DSP的主要數據采集電路圖如圖4所示。

圖4 數據采集電路

3 Cortex-A8核心控制電路

3.1 Cortex-A8簡要選擇說明

Cortex-A8是第一款基于ARMv7結構的處理器，是有史以來關于ARM開發性能最高的、最具有效率的處理器。該芯片能夠滿足工作在300mW以下的所有移動設備的控制需求，是一類超標量處理器。Cortex-A8能夠有效的提高代碼密度和性能，符合多媒體和信號控制的應用要求。現在被廣泛應用于工業控制、節能環保、智能交通、電力系統以及通訊系統等，并且具有良好的抗干擾性和適應惡劣環境的優點。

3.2 存儲電路設計

由于Cortex-A8本身不帶有ROM存儲，所以需要采用外部的ROM存儲。本設計采用兩片23M的SDRAM連接形成32位SDRAM的存儲結構。SDRAM與傳統的FLASH存儲相比運行速度快很多，一般的系統設計通常使用SDRAM作為程序的運行空間、堆棧和數據存儲。總容量為64M的SDRAM完全能夠實現系統程序和數據的存儲運行需求。

3.3 調整電路設計

由于Cortex-A8核心板的供電電壓要求嚴格，需要在3.3 V，而由開發板所提供的電源為5 V，所以需要利用一個調理電路來對電路電壓進行調整控制。具體的穩壓調整電路實現如圖5所示。

圖5 穩壓調整電路

3.4 SPI接口與串口的設計

芯片共有三個串口分別是[2]：調試串口，主要用于程序的調試工作；通信串口，主要完成無線電的通信；最后一個是備用串口，用以當其他兩個串口出現故障的時候備用。SPI口的電路通過4個管腳與模擬板相連接，分別是主入從出、主出從入、片選與時鐘。系統中還有三個通道的UART，他們都可基于終端模式或者DAM模式進行工作。并且支持5/6/7/8位的串行數據接收/發送。

4 Cortex-A8模塊的軟件設計

系統完成初始化之后就開始按照任務的優先級從高到低進行處理。具體的軟件流程如圖6所示。

圖6 Cortex-A8軟件流程圖

5 結語

本設計是一套基于Cortex-A8的電能質量檢測系統，主要從電網電能質量信息采集、電能質量信息處理分析以及對分析結果進行相應的控制等三個方面著手，充分發揮Cortex-A8核心控制處理器的優點，實現了普通家用情況下的電能質量檢測任務。同時本系統還能與PC上位機相連接，可以進一步拓展系統的智能化控制功能。

[1]全國電壓電流等級和頻率標準化技術委員會.電壓電流頻率與電能質量國家標準應用手冊[S].北京：中國電力出版社，2001.

[2]周立功.深入淺出ARM 7-LPC213X/214X[M].北京：北京航天大學出版，2005.

Design of powerqualitymonitoring system based on Cortex-A8

KANG Di，JING Ting-ting
(Shijiazhuang Information Engineering VocationalCollege，Shijiazhuang Hebei050035，China)

In accordance w ith the IEC and national standard of power quality，the embedded power quality detection system was designed based on Cortex_A8 according to the reality problem of the nationalelectric industry.The exact and efficient detection and analysis for power quality was achieved.Through the experiment，this system can comp lete the detection of the current quality，voltage quality，power and supp ly quality，and italso has the value of popularization.

power quality;embedded;Cortex_A8

TM 206

A

1002-087 X(2016)07-1513-02

2016-05-10

康迪(1981—)，女，河北省人，講師，本科，主要研究方向為電子信息技術。