基于EDSP嵌入式電源監(jiān)控系統(tǒng)的研究

王寶英

(重慶電子工程職業(yè)學(xué)院，重慶401331)

電力能源是工業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)，電源系統(tǒng)中各重要節(jié)點的電流、電壓、頻率等實時參數(shù)對整個用電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行起著關(guān)鍵作用。隨著工業(yè)技術(shù)復(fù)雜性的提高及多種精密數(shù)字化儀器的使用，電源設(shè)備運行的實時性、可靠性及質(zhì)量體系都必須具有相當(dāng)高的水平，因此，相對應(yīng)的電源監(jiān)控系統(tǒng)也必須具備相應(yīng)的功能。

傳統(tǒng)的電源監(jiān)控系統(tǒng)大多采用單片機(jī)的控制方式，隨著嵌入式技術(shù)的發(fā)展，嵌入式芯片體積小、功能強(qiáng)的優(yōu)勢使其在控制領(lǐng)域中占據(jù)了統(tǒng)治地位。而DSP(數(shù)字信號處理器)是利用微處理器的處理能力，利用類似于傅里葉變換等數(shù)值計算的方式對信號進(jìn)行加工的技術(shù)。目前，DSP 以其卓越的性能，成為了計算機(jī)、電氣、通信等行業(yè)的基礎(chǔ)性器件，而其中定點運算的DSP 器件成本低、適應(yīng)范圍廣，對存儲器的要求也較低，是實現(xiàn)電源監(jiān)控的理想器件[1]。

ADSP-218X 是ADI(亞德諾半導(dǎo)體技術(shù)有限公司)生產(chǎn)的大容量16 位定點DSP 芯片，功能全面靈活，指令系統(tǒng)強(qiáng)大，配之以匯編控制程序，可以很好地實現(xiàn)相應(yīng)的控制功能。本設(shè)計利用ADSP—218X 系列的芯片，構(gòu)建了基于以太網(wǎng)的電源監(jiān)控系統(tǒng)，具有實時性好，可靠性高的基本特點。

1 電源監(jiān)控系統(tǒng)整體設(shè)計

如圖1 所示，電源監(jiān)控系統(tǒng)包括三大部分：底層數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)、上位機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)整體設(shè)計

系統(tǒng)的底層數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有兩個主要的功能：一個是利用多種傳感器將電源系統(tǒng)的電流、電壓、頻率、有功、無功、功率因數(shù)、電量等一系列參數(shù)進(jìn)行實時的采集；二是將采集來的數(shù)據(jù)傳送至EDSP 系統(tǒng)中進(jìn)行初步的數(shù)據(jù)處理。

系統(tǒng)的通信層是底層采集層至上位機(jī)的傳輸通路，本設(shè)計中采用以太網(wǎng)來構(gòu)建通信方式。

上位機(jī)部分負(fù)責(zé)對上傳數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的存儲、處理、對比分析并依據(jù)相應(yīng)的運行標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行運行決策，發(fā)出控制命令，實現(xiàn)對電源系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制。

2 電源監(jiān)控系統(tǒng)的硬件選型及電路設(shè)計

本設(shè)計中所采用的DSP 芯片是ADSP-2186N，它采用改進(jìn)的Harvard 結(jié)構(gòu)體系，具有40MIPS 的主頻，可外接晶振以提高指令周期。核心部分具有三個運算單元，分別是ALU、MAC、SHIFTER，可供每條C 語言或匯編程序編譯或匯編成僅需一個執(zhí)行周期的24 位指令機(jī)器碼進(jìn)行并行處理，因此執(zhí)行速度快。

ADSP-2186N 有1 組程序總線和3 組數(shù)據(jù)總線，指令系統(tǒng)除具有六個算術(shù)邏輯(ALU)指令、八個乘加器(MAC)指令、五個移位器(SHIFTER)指令之外，還具有多操作指令、程序進(jìn)程控制指令、數(shù)據(jù)移動指令、位運算、I/O 存儲傳輸和全局中斷屏蔽等，這些指令極大方便了片內(nèi)的編程，提高了程序的靈活性和適應(yīng)性[2]。

在監(jiān)控系統(tǒng)中，ADSP-2186N 的主要功能是對脈沖信號進(jìn)行采集、濾波和整形，硬件接口設(shè)計如圖2 所示。

圖2 硬件結(jié)構(gòu)框圖

ADSP-2186N 具有兩個串口，一個是SPOR T0，另一個是SPOR T1，SPOR T0 與 A/D 變換器 AD73360 相連，利用六個模擬量輸入通道接收來自傳感器的數(shù)據(jù)，每個通道可以輸出長度為十六位的數(shù)字量并提供在8、16、32 或64 kHz 的采樣。本設(shè)計由軟件設(shè)定采用64 kHz 采樣頻率，并利用AD73360 中的緩沖實現(xiàn)無中斷情況下的數(shù)據(jù)傳輸，保證了數(shù)據(jù)的傳輸率。另一個串口SPOR T1 與 D/A 轉(zhuǎn)換器AD7547 相連，AD7547是AD 公司推出的雙12 位電流輸出的DACS (數(shù)據(jù)收集與控制系統(tǒng))，具有工作電壓范圍寬、抗干擾性好的基本特點，而且電路相對簡單，可控性好，可以有效地實現(xiàn)上位機(jī)操作命令的下達(dá)。ADSP—2186N 利用IDMA 口與主MCU 模塊相連，IDMA 口是ADSP-218x 系列產(chǎn)品的一個16 位并行DMA 接口，可以有效地適應(yīng)電源監(jiān)控中的原始模擬數(shù)據(jù)為12 位或16 位的位寬需求，IDMA 的位寬正好滿足要求。主MCU 模塊上安裝工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)卡，以實現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸。

系統(tǒng)利用光耦器件構(gòu)建數(shù)據(jù)的I/O 輸入和輸出，供低端控制使用。

下位機(jī)電源電路設(shè)計如圖3 所示。

圖3 電源電路設(shè)計

電源電路中采用電池和USB 兩種供電方式，經(jīng)肖特基二極管IN5817 整流之后，將電流送入穩(wěn)壓芯片AS1117 中，為了增加電源的抗干擾性，在AS1117 的輸入端接入一個10μF 的極性電容和0.1μF 的非極性電容進(jìn)行濾波。AS1117 輸入電壓是5 V，輸出電壓是3.3 V，供主電路使用。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計說明

ADSP-218X 提供了C 語言和匯編兩種指令解釋體系，但是C 語言運行效率不高，因此還提供了C 語言和匯編的混編功能，極大地提高了程序員的編程效率。

在本設(shè)計中，軟件部分需要完成的主要功能有：對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣控制，并計算其相位和頻率；利用上位機(jī)的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行實時的存儲、分析、統(tǒng)計；對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲；利用實時數(shù)據(jù)分析結(jié)果形成決策，通過通信層下達(dá)至下位機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制

4 結(jié)論

本文設(shè)計了以EDSP 為核心的遠(yuǎn)程電源監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)以ADSP-2186N 芯片為核心，以AD73360 和AD7547 為數(shù)據(jù)采集與控制命令下達(dá)的AD 和DA 轉(zhuǎn)換接口，數(shù)據(jù)通過IDMA經(jīng)通信層上傳至上位機(jī)，通信網(wǎng)絡(luò)采用以太網(wǎng)，從而保證了系統(tǒng)監(jiān)控的及時性和可靠性。

[1]彭波.EDSP 嵌入式集成開發(fā)環(huán)境設(shè)計與實現(xiàn)[D].湘潭：湘潭大學(xué)，2006：91-92.

[2]劉長軍.兩種主流定點DSP 芯片的性能比較[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2002(9)：91-92.