基于ARM—DSP的嵌入式配電終端設(shè)計(jì)方法研究

常玲　杜小甫

摘 要 通過ARM芯片與DSP芯片的組合處理，實(shí)現(xiàn)嵌入式配電終端設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)能有效解決傳統(tǒng)配電終端功能單一、響應(yīng)速度慢以及體積大等問題，便于管理與控制。該終端通信接口豐富，能滿足復(fù)雜電力系統(tǒng)的需要。

【關(guān)鍵詞】嵌入式配電終端設(shè)計(jì) DSP ARM

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，配電自動(dòng)化系統(tǒng)也越加完善。這對(duì)降低勞動(dòng)強(qiáng)度、減少線路損耗、加強(qiáng)供電能力、提升供電可靠性有著重要的作用。嵌入式配電終端主要將電流與三相電壓等作為檢測(cè)基本物理量，利用高速高精度數(shù)字采樣技術(shù)，監(jiān)視線路的配變變壓器實(shí)際運(yùn)行情況，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)以及靜態(tài)的無功補(bǔ)償，低壓用戶可抄表，分析防竊電。在將這些功能集成基礎(chǔ)上，通過無線與有線兩種方式完成信息的交換，來彌補(bǔ)配變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通信上的缺陷，加強(qiáng)配變系統(tǒng)自動(dòng)化控制，確保電網(wǎng)系統(tǒng)能夠正常的運(yùn)行，使電網(wǎng)質(zhì)量得以提高。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)分析

傳統(tǒng)配電終端通常采用單片機(jī)設(shè)計(jì)，其處理能力差、速度慢，對(duì)于復(fù)雜的分析控制難以實(shí)現(xiàn)。ARM-DSP的嵌入式配電終端，能使應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)于功耗、體積、成本以及功能等要求得以滿足。在配電自動(dòng)化系統(tǒng)終端設(shè)計(jì)中融入嵌入式，能將嵌入式的特點(diǎn)以及技術(shù)充分發(fā)揮，提升配電終端的穩(wěn)定性、可靠性、便利性。分析模塊為TMS320F2812（TI公司生產(chǎn)），具有快速運(yùn)算以及兼顧控制功能，能使控制系統(tǒng)的芯片處理能力與控制精度得到大幅度的提升。這一系統(tǒng)使用AT91RM9200（Atmel公司生產(chǎn)）主處理模塊，具有標(biāo)準(zhǔn)接口、功耗小、體積小等特點(diǎn)，所以能實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)的通信功能、控制以及管理。在整個(gè)系統(tǒng)中，主處理模塊屬于核心部分，要完成對(duì)不同功能模塊的調(diào)度與管理。同時(shí)負(fù)責(zé)通信任務(wù)，使其能和主控中心上位機(jī)保持通信，這一終端會(huì)放置于難以組網(wǎng)與環(huán)境惡劣的地方，主要為GPRS通信與以太網(wǎng)通信；在同DSP通信時(shí)，能通過現(xiàn)場(chǎng)總線或者是標(biāo)準(zhǔn)串行通信完成。數(shù)據(jù)的處理模塊與采集模塊能對(duì)直流模擬量、交流模擬量進(jìn)行采集，計(jì)算出功率、電流以及電壓等，針對(duì)所產(chǎn)生的交流信號(hào)作進(jìn)一步頻譜分析，為管理提供參考依據(jù)，對(duì)于擴(kuò)展模塊能發(fā)出同步信號(hào)以及控制指令。擴(kuò)展模塊通過DSP與相應(yīng)接口配合可以實(shí)現(xiàn)，按照用戶實(shí)際需要組合完成同步開關(guān)控制、MCR控制、負(fù)荷開關(guān)控制以及TSC無功補(bǔ)償控制等。

2 主處理器模塊硬件設(shè)計(jì)

主處理器模塊的核心主要為AT91RM9200，使用2片SDRAM進(jìn)行外擴(kuò)，拓展程序運(yùn)行空間，由于嵌入Linux系統(tǒng)需要，將1片4MNOR Flash擴(kuò)展應(yīng)用于啟動(dòng)代碼存放、用戶程序以及Linux內(nèi)核等。ARM是通信主要模塊，需持續(xù)接收DSP所傳輸?shù)墓β室蛩?、電流以及電壓等，并且定時(shí)將其傳送到主控中心，所以要想將這些數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需較大容量存儲(chǔ)器，系統(tǒng)將NAND Flash拓展為64M便于數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。為了使用起來方便，NAND Flash以及NOR Flash需要完成文件系統(tǒng)支持。為完成通訊各種方式設(shè)計(jì)，在處理器主模塊設(shè)計(jì)方面融入了不同通訊接口，主要包含以太網(wǎng)、I2C、SPI、RS485以及RS232等。AT91RM9200具有I2C控制器與SPI控制器，通過AT91RM9200中USART使得RS485與RS232經(jīng)電平實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換，以太網(wǎng)接口主要是通過AT91RM9200中外部物理層芯片以及MAC控制器實(shí)現(xiàn)。

3 數(shù)據(jù)采集與處理器模塊硬件設(shè)計(jì)分析

數(shù)據(jù)采集主要是對(duì)三相電壓與電流進(jìn)行采集，信號(hào)共有6路。為了使采集的速度與精度得到保障，在設(shè)計(jì)方面，應(yīng)用AD7656六通道，16bit逐次逼近型的A/D轉(zhuǎn)換器，由于同DSP連接有著較多的外圍器件，因此在這一設(shè)計(jì)中采用CPLD（1片，EPM240T型號(hào)），并與A/D轉(zhuǎn)換器、DSP連接。CPLD主要是利用DSP地址線譯碼以及數(shù)據(jù)線控制對(duì)A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)邏輯控制。AD7656 6路模擬輸入主要分為CONVSTC、CONVSTB、CON-VSTA三組，輸入端均配有跟蹤保持放大器，保證通道能夠?qū)崿F(xiàn)功能轉(zhuǎn)換與采樣，需同時(shí)采集三相電流與電壓，因此連接CONVSTC、CONVSTB以及CON-VSTA且均受CPLD所控制。A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換忙輸出信號(hào)與片選信號(hào)都與CPLD連接。A/D轉(zhuǎn)換器中的十六根數(shù)據(jù)線，主要是利用DSP數(shù)據(jù)線連接緩沖芯片完成數(shù)據(jù)傳輸。

4 DSP與ARM通信接口設(shè)計(jì)研究

處理模塊與信息采集在通過計(jì)算分析以后得出結(jié)果，但需要將其傳輸?shù)街魈幚砥髂K以后才能完成上傳、顯示以及存儲(chǔ)。所以，要構(gòu)建DSP與ARM之間可靠、高速的連接。在設(shè)計(jì)過程中，可以利用SPI總線來實(shí)現(xiàn)，SPI屬于一種高速、串行、同步的接口，通信數(shù)據(jù)長(zhǎng)度以及通信速率都可以進(jìn)行編程。在這一連接中，SPI從設(shè)備與主設(shè)備分別為TM320F2812與AT91RM9200。NPCS0為AT91RM9200所發(fā)送的片選信號(hào)，并且給TM320F2812提供SPCK串行時(shí)鐘。這2個(gè)控制器傳輸SPI數(shù)據(jù)均有四種相位與極性。

5 結(jié)論

ARM-DSP的嵌入式配電終端能實(shí)現(xiàn)電能的高速采集與計(jì)算，通過綜合分析各種數(shù)據(jù)，能對(duì)配電的實(shí)際運(yùn)行情況進(jìn)行詳細(xì)了解，為供電方案優(yōu)化、負(fù)荷預(yù)測(cè)以及線損分析等提供參考依據(jù)。這一設(shè)備可在變壓器輔助設(shè)備控制與檢測(cè)配電變壓器運(yùn)行狀況中廣泛應(yīng)用，發(fā)展前景較好。

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作者單位

沈陽城市建設(shè)學(xué)院 遼寧省沈陽市 100167endprint