基于ＡＲＭ和ＤＳＰ技術(shù)的電能表現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)儀

[摘要]隨著科技的發(fā)展，電能表的準(zhǔn)確度等級(jí)越來越高，對(duì)電能表現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)儀的要求也隨之提高，通過介紹電能表現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)儀的硬件原理、ARM和DSP技術(shù)原理以及在現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)儀中的功能實(shí)現(xiàn)，體現(xiàn)基于ARM和DSP技術(shù)的電能表現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)儀的優(yōu)越性。

[關(guān)鍵詞]ARM和DSP技術(shù) 電能表現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)儀

中圖分類號(hào)：TM92文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1671－7597（2009）0220028－01

一、引言

隨著科技的發(fā)展，電能表的準(zhǔn)確度等級(jí)越來越高，對(duì)電能表現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)儀的要求也隨之提高，電能表現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)儀電能指標(biāo)一般要求達(dá)到0.05級(jí)，功能上要有諧波分析、錯(cuò)誤接線判斷、向量圖顯示、更正系數(shù)計(jì)算等，另外所測(cè)數(shù)據(jù)要求被保存并能上傳到PC機(jī)供管理應(yīng)用，還要求攜帶方便，體積小、功耗低，因此采用ARM和DSP技術(shù)就能很好的滿足設(shè)計(jì)要求。

二、硬件原理

硬件由模擬輸入通道、采樣保持電路、A/D轉(zhuǎn)換器、DSP數(shù)字信號(hào)處理器、ARM及其外圍器件組成，如圖1。

輸入通道中，三相電壓直接接入，經(jīng)過精密電阻分壓取樣到A/D轉(zhuǎn)換器。電流采樣分為經(jīng)內(nèi)附精密互感器、5A鉗型互感器、500A鉗型互感器三種方式獲得以適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)的不同需求。

采集到的信號(hào)經(jīng)16位串行A/D轉(zhuǎn)換將模擬信號(hào)變換為數(shù)字信號(hào)。由采樣保持器保證采樣的同步性，使每相電壓、電流同時(shí)采樣，最后以串行方式輸入給數(shù)字信號(hào)處理器DSP。DSP是數(shù)字信號(hào)處理器(Digital Singnal Processor)的簡(jiǎn)稱，它對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行高速運(yùn)算、加工處理并將處理結(jié)果經(jīng)總線傳送給中央處理器ARM。中央處理器ARM對(duì)DSP處理結(jié)果進(jìn)行后期處理，實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、功能切換等功能。顯示器采用640×480分辨率的26k真彩色大屏幕，背景色可調(diào)以適應(yīng)不同環(huán)境。

三、ARM和DSP技術(shù)原理

中央處理器ARM是該儀器的核心部件，采用三星公司設(shè)計(jì)開發(fā)的基于精簡(jiǎn)指令集的ARM9核的S3C2410，該器件為低價(jià)格、低功耗、高性能小型微控制器，適合應(yīng)用到各種便攜設(shè)備，能夠降低整個(gè)系統(tǒng)成本。它具有豐富的內(nèi)部設(shè)備，其中主要包括：存儲(chǔ)器管理單元MMU，16KB的指令緩沖器和16KB數(shù)據(jù)緩沖器，存儲(chǔ)器控制器（SDRAM控制器）、NAND Flash和NOR Flash控制器，LCD控制器（支持STN和TFT），4通道的外部DMA請(qǐng)求控制，3個(gè)串行口，SD存儲(chǔ)卡讀取接口，2個(gè)USB接口（1個(gè)USB主機(jī)接口和1個(gè)USB設(shè)備接口），5個(gè)脈寬調(diào)制定時(shí)器，看門狗定時(shí)器，117個(gè)通用I/O端口（其中24可用于中斷請(qǐng)求）。在本儀器中主要完成系統(tǒng)控制和通訊協(xié)議的轉(zhuǎn)換。ARM的外圍器件包括32M的8位FLASH存儲(chǔ)器K9F5608，它不僅保存著本儀器的應(yīng)用程序，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)的數(shù)據(jù)和抄表數(shù)據(jù)都可以存儲(chǔ)。FLASH存儲(chǔ)器在系統(tǒng)中主要用于存放引導(dǎo)程序bootloader、操作系統(tǒng)內(nèi)核鏡像和應(yīng)用程序代碼等，系統(tǒng)上電或者復(fù)位后從FLASH中運(yùn)行bootloader，由bootloader初始化硬件并將操作系統(tǒng)拷貝到SDRAM中去執(zhí)行。SDRAM存儲(chǔ)芯片采用57V641620，它共有4M×16位字節(jié)寬度，采用3.3V供電。

DSP采用TI公司生產(chǎn)的第三代數(shù)字信號(hào)處理器TMS320VC33，該芯片是一種32bit的浮點(diǎn)DSP，其程序、數(shù)據(jù)和外設(shè)地址都映射在同一存儲(chǔ)空間，并有豐富的尋址方式和較大的尋址空間，因此對(duì)外設(shè)的訪問非常靈活方便。DSP以處理速度見長(zhǎng)，它將處理信號(hào)的典型算法，如快速傅立葉變換(FFT)以硬件形式加以支持，提高了處理速度，特別適合要求運(yùn)算速度高的場(chǎng)合。在本儀器中，各種電測(cè)量如電壓、電流、功率、頻率、相位、功率因數(shù)、諧波等都是由它完成計(jì)算處理的，同時(shí)，它還產(chǎn)生電能脈沖，包括有功電能的高頻脈沖、低頻脈沖和無功電能的高頻脈沖。

四、功能實(shí)現(xiàn)

儀器的設(shè)計(jì)指標(biāo)為0.05級(jí)，主要由采樣電路和A/D來保證，算法也有很大的影響。該儀器采用非同步采樣，采樣頻率與被測(cè)信號(hào)不同步，會(huì)帶來附加誤差，利用軟件方法可以修正殘余誤差。經(jīng)測(cè)試，基本電能誤差能夠滿足設(shè)計(jì)要求。由于ARM的高性能，結(jié)合電能表現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)的各種情況，儀器提供了豐富的擴(kuò)展功能，主要有以下幾個(gè)方面。

1．儀器可以從上位機(jī)接收待校表信息，包括相線、常數(shù)、類型、互感器倍率、編號(hào)、變壓器容量等，校表時(shí)只用輸入編號(hào)即可調(diào)入全部信息進(jìn)行校驗(yàn)。校驗(yàn)結(jié)果存儲(chǔ)時(shí)也可以包含以上信息并且具有校驗(yàn)時(shí)間、誤差、測(cè)量時(shí)的電測(cè)量信息。可以手動(dòng)或通過485得到被校表的峰谷平電量信息，包括正反向有功和正反向無功。存儲(chǔ)數(shù)量1000塊。

2．大屏幕液晶可以在校驗(yàn)界面顯示三相電壓、電流、功率、頻率、功率因數(shù)，顯示電流檔位（基表、5A鉗表、500A鉗表）信息。可以顯示兩個(gè)誤差，如果是主表副表則顯示兩塊表的誤差，如果是多功能電能表則表可以同時(shí)顯示有功、無功誤差。

3．能進(jìn)行走字試驗(yàn)，可進(jìn)行電能累計(jì)，檢查電能表字輪的工作狀態(tài)。

4．能顯示相量圖和相位值，具備查接線功能（錯(cuò)誤或正確的接線），直接計(jì)算錯(cuò)誤接線情況下的更正系數(shù)，可及時(shí)追補(bǔ)損失的電量。

5．能夠測(cè)試計(jì)量裝置中低壓電流互感器CT的角差、比差、誤差。

6．具有諧波分析功能，顯示線路失真度、各次諧波含量、波形，還可以校驗(yàn)基波表。

7．正是采用了ARM技術(shù)，才能使具有強(qiáng)大功能的電能表現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)儀體積小、功耗（現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)儀的重要指標(biāo)）小、便于攜帶，它必將成為電能計(jì)量工作人員的有效設(shè)備。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄭堯、李兆華等，電能計(jì)量技術(shù)手冊(cè)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2003.

作者簡(jiǎn)介：

劉新旺，男，湖南婁底人，本科，助理工程師，研究方向：用電營(yíng)業(yè)管理。