基于嵌入式電網(wǎng)智能監(jiān)控器

重慶旅游職業(yè)學(xué)院 朱 嵐

1.方案設(shè)計

基于嵌入式電網(wǎng)智能監(jiān)控器包括硬件和軟件兩個部分。系統(tǒng)以電能計量芯片ADE7758為核心作為測量傳感器的信號處理及傳輸前端，以ARM9處理器S3C2440為TQ2240系統(tǒng)控制器平臺。系統(tǒng)以嵌入式微處理器為核心的監(jiān)控設(shè)備，實現(xiàn)實時采集用戶的用電數(shù)據(jù)和監(jiān)控計量設(shè)備運行情況，并及時向系統(tǒng)主站傳送數(shù)據(jù)、接收執(zhí)行主站的遠程控制命令、拉合閘控制等功能。該系統(tǒng)具有遠程控制、遠程集中采集數(shù)據(jù)、防竊電以及強大的數(shù)據(jù)管理功能，整個系統(tǒng)是主要由計量模塊、主控模塊、顯示模塊、時鐘模塊、通信模塊、計量回路選通模塊組成，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.S3C2440微處理器

本控制器的設(shè)計是采用Samsung公司生產(chǎn)的ARM9系列S3C2440芯片來作為保護裝置的主CPU，讓其承擔(dān)實時數(shù)據(jù)的采集，完成保護算法和實現(xiàn)繼電保護等主要功能，使裝置的整體性能有了較大提高。S3C2440以其極低的功耗和豐富的片內(nèi)資源在嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。S3C2440片內(nèi)，主頻400MHz（最高可達533MHz）板載64MB SDRAM（標準配置）可根據(jù)用戶需要擴展到128MB。32bit數(shù)據(jù)總線SDRAM，100MHZ（支持穩(wěn)定運行133MHz），板載256MB Nand Flash，掉電非易失，有容乃大。板載2MB Nor Flash（最高可升級到8MB）。板內(nèi)集成S3C2440芯片，通過把SPI通信傳輸過來的數(shù)據(jù)，進行處理，再通過顯示屏顯示。本文采用搭載S3C2440的嵌入式開發(fā)板TQ2440進行系統(tǒng)設(shè)計。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 硬件結(jié)構(gòu)框圖

3.ADE7758介紹

ADE7758是一種高精度的電能計量芯片，支持三相三線和三相四線制接法，在l000∶1的動態(tài)范圍內(nèi)的誤差小于0.1%，提供三相有功、無功、視在電能、電壓、電流有效值等處理值。ADE7758計量單元完成A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)處理，然后通過SPI接口將處理后的數(shù)據(jù)傳送到S3C2440，將ADE7758獲得的數(shù)據(jù)進一步分析處理，實時地將數(shù)據(jù)送到液晶屏顯示。為了保證電網(wǎng)的安全運行和監(jiān)測的實時性，系統(tǒng)采用無線通信技術(shù)將實時檢測到的電網(wǎng)故障信息發(fā)送到上位機接收終端?？梢酝ㄟ^232通信和無線通信2種途徑將儀表中的歷史故障記錄導(dǎo)出。繼電器輸出用于故障發(fā)生時驅(qū)動功率大的揚聲器進行報警。

ADE7758模塊主要包括電壓和電流的前置電路，驅(qū)動ADE7758芯片工作的硬件電路，SPI通信接口。芯片內(nèi)置AD轉(zhuǎn)換電路，把采集到的電壓和電流通過AD轉(zhuǎn)換后，再通過SPI通信傳輸?shù)介_發(fā)板的CPU進行處理。

4.軟件設(shè)計

在系統(tǒng)各部分功能的實現(xiàn)過程中，軟件設(shè)計是智能化測量儀器的關(guān)鍵部分，主要包括操作系統(tǒng)軟件和應(yīng)用程序兩部分。軟件設(shè)計的成功與否關(guān)系到整個系統(tǒng)能否具有使用靈活、操作簡便、可靠性強等優(yōu)點，而經(jīng)過良好設(shè)計的軟件能夠做到在較少地改變硬件電路的情下，很方便地改變系統(tǒng)的功能，這就對軟件的設(shè)計提出了較高的要求。本系統(tǒng)的軟件部分采用模塊化設(shè)計，可以提高單片機的效率，同時也增強了程序的可讀性和查找錯誤的方便性。單片機上電后首先進行自身的初始化設(shè)置，然后再對ADE7758進行初始化。

圖3 啟動代碼的流圖

ADE7758的軟件設(shè)計主要是CPU對它的初始化和數(shù)據(jù)讀寫操作等ADE7758的所有功能都是通過讀寫片內(nèi)寄存器來實現(xiàn)的，即ADE7758的各種設(shè)定和操作主要是對其寄存器的讀和寫。在對ADE7758進行設(shè)置時，要注意OPMODE寄存器的SWRST位的操作，如果該位放置為l，則至少等到18us后才能對其他寄存器進行配置，否則將不能正確配置。在中斷中實施對ADE7758的讀操作，由于ADE7758內(nèi)部有中斷狀態(tài)寄存器和中斷屏蔽寄存器，所以可以靈活地設(shè)置需要的信息進行中斷處理。在對數(shù)據(jù)進行讀寫操作之前，必須有一個ADE7758內(nèi)部通信寄存器的操作，即所有的數(shù)據(jù)操作，無論是讀數(shù)據(jù)還是寫數(shù)據(jù)，必須以一個寫通信寄存器的操作開始。芯片上電后，CS下降沿把ADE7758置為通信模式。在通信模式下，第一個數(shù)據(jù)在被寫入通信寄存器后，它包括了下一個數(shù)據(jù)的操作性質(zhì)(讀/寫)和地址。數(shù)據(jù)讀寫完成后，ADE7758再次進入通信模式。

4.1 系統(tǒng)啟動代碼的流圖(如圖3所示)

4.2 ADE7758軟件流程圖

MMU測量部分的主程序主要完成必要的初始化，判斷采集ADE7758的測量數(shù)據(jù)，判斷缺相情況對ADE7758的工作狀態(tài)重新設(shè)定。ADE7758初始化完成對ADE7758的初始設(shè)置，實際上就是初始值都寫入ADE7758相應(yīng)的寄存器中，初始化在系統(tǒng)復(fù)位后被調(diào)用。

圖4 ADE7758軟件流程圖

5.結(jié)束語

本系統(tǒng)的設(shè)計采用ADI公司電能計量芯片ADE7758和ARMTQ2440為核心處理器件，設(shè)計了電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的總體方案。本儀器在設(shè)計過程中，充分利用了ARM的硬件資源，并盡可能采用軟件代替硬件，使儀器的硬件可靠性高、結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉。詳細介紹了硬件電路的設(shè)計和實現(xiàn)。圍繞ADE7758外圍電路設(shè)計，介紹了計量電路原理；然后介紹了ARM9外圍顯示、串行接口等電路的設(shè)計，并對相關(guān)硬件在PCB圖完成后進行了調(diào)試。實驗結(jié)果表明，該監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用，可大大減少竊電及用電設(shè)施被破壞事件的發(fā)生，同時也提高了用電管理部門的運營效率，降低維護成本，提高設(shè)備的利用率。采用嵌入式系統(tǒng)和GPRS數(shù)據(jù)通訊的網(wǎng)絡(luò)化智能監(jiān)控系統(tǒng)，具有操作簡便，性價比高，可靠性高，可移植性強等優(yōu)點，是目前很有潛力的應(yīng)用無線數(shù)據(jù)采集方案，能直接嵌入到相應(yīng)的測控設(shè)備中，具有很廣闊的應(yīng)用前景。

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