目前電力系統(tǒng)發(fā)生故障時，工作人員很難迅速查找根源，為此設(shè)計了基于ARM9的多功能電力記錄儀，可以采用間隔或連續(xù)方式對電力系統(tǒng)中電壓、電流的有效值、頻率、相位及波形等進行記錄并保存于多功能電力記錄儀內(nèi)存中。若電力系統(tǒng)發(fā)生故障，工作人員可以將數(shù)據(jù)備份到SD卡內(nèi)的相應時間的數(shù)據(jù)讀入計算機中并進行分析與處理，從而可以快速定位到故障原因，提高檢修聽從，zui終提高經(jīng)濟效益。

多功能電力記錄儀設(shè)計以嵌入式處理器S3C2410為核心，結(jié)合同步AID轉(zhuǎn)換器和SD卡，設(shè)計了多功能電力記錄儀設(shè)計。可以根據(jù)設(shè)定模式同時測量并記錄zui多3通道電壓和3通道電流的有效值、頻率、相位、波形等電力參數(shù)，并存入SD卡保存。通過串行口或通用讀卡器將SD卡內(nèi)數(shù)據(jù)讀入上位計算機即可對某些時間點的電力參數(shù)進行分析和處理。給出了系統(tǒng)的硬件組成與軟件編制方法。實驗表明，本系統(tǒng)測量與記錄精度高，數(shù)據(jù)存儲量大，功耗極低，特別適用于電力部門采集電力參數(shù)的場合。

硬件組成及原理

多功能電力記錄儀以S3C2410為核心處理器，負責參數(shù)運算與全局控制。被測交流電信號經(jīng)過電流互感器進行隔離后進入取樣放大電路，為保證能夠?qū)挿秶男盘栠M行測量，使用數(shù)字電位器對信號進行動態(tài)放大，使進入A/D轉(zhuǎn)換器的信號在合理范圍。整形電路將正弦信號變換為方波，送入處理器的定時器，利用PCA的捕獲功能測量頻率及相位。硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。下面就嚴重部分進行分別介紹。

多功能電力記錄儀硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1控制器

為了保證高測量精度，對交流電每個周期進行128點的采樣，并采用14位的A/D轉(zhuǎn)換器，則每秒鐘的數(shù)據(jù)量為2B*128點*6通道*50Hz=75KB，因此數(shù)據(jù)吞吐量較大，若想做到實時計算和存儲，則對多功能電力記錄儀的處理器的速度要求很高，普通的單片機無法滿足要求。為此，選用三星公司的S3C2410高速ARM9處理器，與電源電路、時鐘電路、存儲器系統(tǒng)及復位電路共同組成微控制系統(tǒng)。復位電路選用了系統(tǒng)監(jiān)視復位芯片IMP811S，可提供高效的電源監(jiān)視功能，確保系統(tǒng)工作正常。

S3C2410是一款基于ARM920T內(nèi)核的16/32位RISC嵌入式處理器微處理器，運行的頻率可達203MHz，在此基礎(chǔ)上擴展了一系列完整的通用外圍接口單元，能夠提供高性價比的嵌入式解決方案。S3C2410系統(tǒng)外圍接口單元包括支持55個制止源的制止控制器，4路DMA控制器，117個通用I/O口，3個可編程波特率的UART, LCD控制器，8路10位A/D轉(zhuǎn)換器，SD卡接口，1個多主機12C總線控制器，2個SPI接口等。

2.2信號處理電路

被測交流信號通過互感器變?yōu)?~2mA的電流信號，經(jīng)過400歐姆的取樣電阻后變?yōu)?~0.8V的電壓信號，經(jīng)超低失調(diào)運算放大器AD851和數(shù)字電位器MCP41010組成的增益可變放大電路后，做二階低通濾波，然后即可進入A/D轉(zhuǎn)換器進行采樣或進入LM339比較器進行整形。

2.3 A/D轉(zhuǎn)換器

為保證多功能電力記錄儀各通道采樣數(shù)據(jù)的同步性及精度，選用了LINEAR公司的LTC1408芯片。LTC1408是一款14位分辨率、6通道同時采樣的A/D轉(zhuǎn)換器，單3V電源供電，功耗僅為15mW,侮通道吞吐率為100ksps，電壓輸入范圍為0-2.5V或±1.25V，采用三線式串行接口方式。

系統(tǒng)采用0-2.5V輸入范圍，因此電源電路中采用LT1461-1.25芯片產(chǎn)生1.25V電壓基準，為放大電路提供參考，以使正弦信號的幅度在A/D采樣范圍內(nèi)。

圖2所示為LTC1408芯片的硬件接線圖。圖2中，AINO~AIN5為放大電路輸出的信號，將SEL2-VSELO接高以選擇所有通道進行轉(zhuǎn)換，BIP接低電平以選擇單端輸入方式，串行口SDO, SCK和CONV與S3C2410的GPG口的高三位相連，以進行轉(zhuǎn)換控制和數(shù)據(jù)傳送。

2.4人機接口與信息存儲

為了便于參數(shù)設(shè)置與體現(xiàn)，系統(tǒng)加入了按鍵和LCD體現(xiàn)器。S3C2410內(nèi)部含有一個LCD驅(qū)動控制器，能自動產(chǎn)生LCD驅(qū)動控制所需的控制信號，因此能與TFT型的彩色LCD屏直接連接，不需要外加控制器。本系統(tǒng)采用了3.5寸的320×240型液晶屏。按鍵直接與S3C2410的GPIO相連，采用掃描方式讀取按鍵號。

為了能夠?qū)⒖刂菩畔⒓罢彰鞴芾硇畔⑦M行存儲與查詢，系統(tǒng)加入了SD卡存儲裝置。由于S3C2410芯片本身帶有SD卡接口，因此只需將SD卡座與S3C2410的SD卡接口直接相連即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)讀寫。

系統(tǒng)軟件設(shè)計

S3C2410作為控制核心完成A/D轉(zhuǎn)換、SD卡讀寫、參數(shù)輸入與體現(xiàn)、數(shù)據(jù)運算、電池電壓檢測等功能，由于軟件較復雜，所以實際編程中嵌入了5C/OS-II實時操作系統(tǒng)。主程序完成S32410時鐘初始化、GPIO初始化、制止初始化、SD卡初始化、SPI接口初始化、PCA初始化、操作系統(tǒng)初始化、任務創(chuàng)建與操作系統(tǒng)的啟動等。

3.1 PC/OS-II實時操作系統(tǒng)

5C/OS-H實時操作系統(tǒng)是真正源碼公開的，采用占先式的實時內(nèi)核，支持多達56個用戶任務，穩(wěn)定性和可靠性高，而且移植方便，占用內(nèi)存小。5C/OS-II實時操作系統(tǒng)中各任務要分配不同的優(yōu)先級，優(yōu)先級用數(shù)字吐露體現(xiàn)，數(shù)字越小其優(yōu)先級越高。針對本系統(tǒng)中各任務的嚴重性，為各任務分配了表I所示的優(yōu)先級。

3.2 A/D轉(zhuǎn)換程序

因為每個周期采集128點，因此使用定時器。實現(xiàn)125.25uS的定時間隔，在定時制止中啟動AID轉(zhuǎn)換。A/D轉(zhuǎn)換器采用3線接口，所以要嚴格遵守其時序。其中CONY的上升沿啟動轉(zhuǎn)換，SCK為讀取時鐘，SDO為數(shù)據(jù)。完成6個通道的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)讀取需96個時鐘。CONY的上升沿到來后，緊跟著兩個SCK上升沿后即可讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果，SCK侮14個上升沿可讀取一個通道的結(jié)果，其中高位( D13)在前，低位(DO)在后。CH0通道轉(zhuǎn)換結(jié)果在前，CH5通道轉(zhuǎn)換結(jié)果zui后。過細，每讀取完一個通道結(jié)果后要增加兩個SCK上升沿時隙，以保證結(jié)果的正確性。

表：多功能電力記錄儀設(shè)計系統(tǒng)中任務及優(yōu)先級

3.3 FatFS文件系統(tǒng)

本系統(tǒng)SD卡內(nèi)使用了FatFS文件系統(tǒng)，便于用通用讀卡器讀取SD卡內(nèi)容。FatFS是一種通用的文件系統(tǒng)模塊，用于在小型嵌入式系統(tǒng)中實現(xiàn)FAI，文件系統(tǒng)。因為FatFs模塊完全與磁盤1/O層分開，因此只需要修改部分函數(shù)就可以實現(xiàn)底層物理磁盤的讀寫與獲取當前時間，并將FatFS文件系統(tǒng)移植到系統(tǒng)中。

本系統(tǒng)中對一下幾個函數(shù)加以修改:

disk initialize:初始化磁盤驅(qū)動器，這里是初始化SD卡;

disk status:獲取磁盤狀態(tài);

disk read:讀扇區(qū);

disk write:寫扇區(qū);

disk ioctl:設(shè)備干系的控制特性;

get fattime:獲取當前時間。

實驗結(jié)論

通過實驗測試表明，采用三星公司的S3C2410高速ARM9處理器能夠?qū)崿F(xiàn)對交流電侮個周期進行128點的高測量精度采樣。系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對電力系統(tǒng)多路電壓、電流多種參數(shù)的記錄并保存。

結(jié)束語

本文所設(shè)計的電力參數(shù)記錄儀具有精度高、速度快、可靠性高、功耗低、容量大等益處，可以對6個交流通道參數(shù)和波形進行記錄。記錄的數(shù)據(jù)還包含時間信息，讀入計算機即可進行特征值分析、諧波分析、序量分析等，可以為工作人員進行故障分析提供依據(jù)，從而縮短故障排查時間，提高電力系統(tǒng)維護聽從，因此有著良好的推廣前景。