基于ARM7TDMI的配電綜合測控儀的設(shè)計與實現(xiàn)
0 引言
為了能對大量負(fù)荷進行在線監(jiān)控。很多公司較早地研制了基于單片機技術(shù)，能對配電變壓器或配電線路負(fù)荷運行參數(shù)、電容器投切、電量采集等進行綜合監(jiān)控的配電綜合測控儀。但是，由于供電系統(tǒng)負(fù)荷的復(fù)雜性，特別是用戶非線性負(fù)荷的大量使用，企業(yè)對諧波等電能質(zhì)量問題越來越重視，因此，對配電綜合測控儀的要求也隨之提高，而且普遍要求增加諧波、頻率監(jiān)測和通信組網(wǎng)等功能。為了解決這些問題。本文以PHILIPS公司的ARM7芯片LPC2220FBD144為核心，研制出了新一代的配電綜合測控儀。
1硬件電路設(shè)計
1.1硬件電路總體結(jié)構(gòu)
本裝置的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，它主要由數(shù)據(jù)采集、運算處理、數(shù)據(jù)存儲、鍵盤顯示、通信接口等單元組成。其中運算處理單元是核心部分，用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)信號處理、快速傅立葉變換(FFT)等功能?？紤]配電綜合測控儀要求的運算速度、精度、硬件資源等需要，本設(shè)計選擇了PHILIPS公司的LPC2220FBD144型ARM7芯片。
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該LPC2220FBD144芯片是LPC2200系列中性價比較好的一款A(yù)RM7芯片，采用LQFP封裝，四條邊上各有36個引腳。該芯片具有改進的馮諾依曼結(jié)構(gòu)(指令和數(shù)據(jù)共用一條32位總線)，采用三級流水線，可以同時進行幾個操作，并能使外處理和存儲器系統(tǒng)連續(xù)操作。該芯片內(nèi)嵌高達(dá)256KB的高速閃爍存儲器、64 KB靜態(tài)RAM、32位的算術(shù)邏輯單元、32位累加器、64位的乘法器以及精簡指令集，其指令最短周期可以達(dá)到17 ns。這些特點使它的操作非常靈活，處理能力強并且速度快。由于其應(yīng)用程序可以固化在CPU內(nèi)部，因而不但可以降低成本、減少體積，系統(tǒng)升級也比較方便，而且它的功耗低、資源配置靈活，非常適用于生產(chǎn)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集和處理。 1.2數(shù)據(jù)采集電路
本系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集電路由PT與CT、信號整理和A／D轉(zhuǎn)換三部分組成，實時電流和電壓經(jīng)過PT、CT以及信號整理電路后，可變成0～3.3 V的模擬信號，然后經(jīng)模擬轉(zhuǎn)換電路完成數(shù)字化處理。數(shù)據(jù)采集部分的硬件電路如圖2所示(6路采集電路中的一路Ua)。
根據(jù)測量諧波等參數(shù)和數(shù)字抗頻率混疊的要求，本裝置對信號波形按每個周期128點進行采樣，采樣周期為156μs。ARM7內(nèi)部的A／D是8路輸入的10位逐次逼模一數(shù)轉(zhuǎn)換器，由于它可以對電流和電壓進行同步采樣，而且精度比較高，所以本設(shè)計沒有再使用其它外圍A／D芯片。
1.3存儲器和時鐘電路
存儲器主要由三星公司的NAND FLASH存儲器芯片組成.NAND FLASH是容量為16 MB的非易失閃爍存儲器芯片，可用于存放采集來的數(shù)據(jù)和已備上傳的歷史數(shù)據(jù)。
時鐘采用PHILIPS公司的PCF8563芯片。該芯片具有低功耗CMOS實時時鐘／日歷，而且外圍接口簡單，精度和可靠性高，工作穩(wěn)定。芯片最大總線速度為400 kbits／s，每次讀寫數(shù)據(jù)后，其內(nèi)嵌的字地址寄存器會自動產(chǎn)生增量。PCF8563有16個8位寄存器，并有可自動增量的地址寄存器、內(nèi)置32.768 kHz的振蕩器(帶有一個內(nèi)部集成電容)、分頻器(用于給實時時鐘RTC提供源時鐘)、可編程時鐘輸出、定時器、報警器、掉電檢測器和400 kHz的I2C總線接口等；同時具有計秒、分、時、星期、日、月、年以及閏年補償功能，可用二進制數(shù)碼和BCD碼表示時間、日歷和定鬧。安上鋰電池以后，斷電情況下可以十年不丟失數(shù)據(jù)，功能上完全可以滿足本裝置的需要。
1.4通訊電路
本產(chǎn)品采用了兩路通訊電路，一路為RS-485總線接口，另一路為RS-232總線接口。RS-485總線接口的總線收發(fā)器使用SP3485。SP3485是一個3.3 V的低功耗半雙工收發(fā)器，它完全滿足RS-485串行協(xié)議的要求，符合RS-485的電氣規(guī)范，數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)10 Mbps(帶負(fù)載)。由于RS-485總線所占用的IO口線與UART0的口線是復(fù)用的，所以，在進行RS485總線通信時，必須停止UART0接口的通信。RS485通信的方向由P2.16控制，當(dāng)P2.16為低時，核心板接收總線數(shù)據(jù)；當(dāng)P2.16為高時，核心板向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，其電路圖如圖3所示。
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RS-232總線接口的總線收發(fā)器使用SP3232E。SP3232E系列芯片是一個2驅(qū)動器／2接收器的低功耗器件，SP3232E有一個高效電荷泵，工作電壓為3.3 V時，只需0.1μF電容就可以進行操作。電荷泵允許SP3232E系列器件在3.3～5.0 V內(nèi)的某個電壓下發(fā)送符合RS-232的信號。由于本產(chǎn)品是3.3 V系統(tǒng)，因此使用SP3232E進行RS232電平轉(zhuǎn)換，其電路圖如圖4所示。
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為實現(xiàn)測控儀的功能和采集變壓器油溫等直流量，測控儀硬件電路還應(yīng)包括鍵盤接口電路、看門狗電路、直流采樣電路等。其中，鍵盤接口電路可直接用鍵盤掃描輸入電路來實現(xiàn)輸入數(shù)據(jù)功能，并通過128×64點陣液晶顯示來顯示各數(shù)據(jù)和圖形；看門狗電路由MAX705構(gòu)成，如果在1秒鐘內(nèi)沒有收到低電平信號，它將發(fā)出一個復(fù)位信號給ARM7，以使系統(tǒng)復(fù)位；直流采樣電路主要實現(xiàn)變壓器溫度等直流量的采集和測量，測控儀采用250 Ω的采樣電阻來將4～20 mA電流信號變?yōu)?～5 V電壓信號來檢測油溫等。
2采樣數(shù)據(jù)的處理
現(xiàn)場實測信號所包含的大量噪聲干擾和高次諧波會引起諧波測量、頻率測量等方面的誤差，對于FFT算法如果采樣值不能均勻分布在信號周期內(nèi)，也將造成頻譜泄露，從而帶來很大的測量誤差，所以對采樣數(shù)據(jù)必須進行處理。
2.1噪聲的處理
電力系統(tǒng)中的各種噪聲一般可以認(rèn)為是隨機性白噪聲。這些年，相繼有學(xué)者提出過許多消除噪聲的方法，如小波變換法等。小波變換在時頻域同時存在時具有良好的局部化特性，可根據(jù)信號不同頻率成分自動調(diào)節(jié)取樣密度，從而實現(xiàn)對信號消噪處理。但是小波變換在頻譜分析方面沒有明顯優(yōu)越性?？紤]到測控儀的改進重點是增加諧波功能以及ARM7硬件對FFT的方便性，本設(shè)計依然采用FFT為基本算法來尋求基于FFT算法的消噪方法。
采用FFT算法消噪可以在窗函數(shù)上做文章，可以參考使用余弦窗來提高精度的思路，以及正弦信號自相關(guān)函數(shù)為同頻率的余弦函數(shù)，而白噪聲函數(shù)的自相關(guān)函數(shù)幾乎為零的特性來消除白噪聲。采用加余弦窗函數(shù)方法進行修正可以減少信號中的白噪聲影響，提高測控儀的諧波測量精度。其周期信號X(n)=sinωn的自相關(guān)的函數(shù)為：
式中，N為采樣點數(shù)。
2.2頻譜混疊的防止
諧波測量中要處理的信號是采樣和A／D變換得到的數(shù)字信號。要獲得準(zhǔn)確的FFT運算結(jié)果，必須滿足Nyquist采樣定理，以防止頻譜混疊造成的測量誤差。防止頻譜混疊通常是用模擬濾波器濾除采樣頻率fs一半的高頻信號，但由于模擬濾波器在低頻帶難以保證較好的物理特性；而本測控儀的采樣頻率又較高，因此，可采用模擬濾波器和數(shù)字濾波器相結(jié)合，同時考慮諧波測量范圍的方法來減少頻譜混疊的影響。
2.3同步采樣處理
根據(jù)FFT的原理要求，采樣點應(yīng)均勻分布在一個信號周期內(nèi)(即實現(xiàn)嚴(yán)格的同步采樣)，否則會引起信號頻譜泄露，從而造成測量誤差。由于硬件同步技術(shù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，它會提高測控儀制造成本，因此，本文采用軟件同步來實現(xiàn)同步采樣。軟件同步實質(zhì)是一種補償方法，主要思想是采用軟件方法來跟蹤信號頻率的變化，并利用可變窗函數(shù)來實現(xiàn)信號周期的同步采樣，以減少頻譜泄露造成的誤差。軟件同步的關(guān)鍵是如何實時檢測和確定信號的頻率。 該測控儀采用復(fù)序列FFT和鎖相環(huán)來直接對電壓或電流信號采樣值進行處理，然后配合數(shù)字濾波技術(shù)求得信號過零并得到信號頻率，從而實現(xiàn)對信號的同步采樣，同時完成信號頻率的測量。這種檢測和確定信號頻率的方法計算簡單、跟蹤速度快、測控儀的采樣率較高，能夠得到較高的測量精度，完全可以滿足工程實際的需要。
3測控儀軟件設(shè)計
依據(jù)上述數(shù)據(jù)處理思路和數(shù)據(jù)采集、參數(shù)計算的算法，下面介紹該測控儀的軟件設(shè)計方法。 3.1軟件設(shè)計思路
新改進和研制的測控儀在保留原來電容投切、運行參數(shù)監(jiān)測、電量采集等功能基礎(chǔ)上，由于還要增加諧波等電能質(zhì)量指標(biāo)監(jiān)測，因而軟件涉及的算法較多，數(shù)據(jù)處理工作量較大；另外，ARM7不同于單片機，軟件的結(jié)構(gòu)也比較復(fù)雜，因此，本測控儀的軟件設(shè)計采用模塊化結(jié)構(gòu)。為了提高程序代碼效率、滿足實時性要求，該測控儀采用C語言語言編程，整個測控儀軟件由主程序和多個應(yīng)用子程序組成。
主程序來完成硬件初始化、硬件自檢和循環(huán)操等功能；子程序包括數(shù)據(jù)采集處理、電容器投切控制、電量和運行參數(shù)計算、電能質(zhì)量監(jiān)測、上位機串行通信等程序。主、子程序采用中斷方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀取和處理，程序設(shè)計采用由頂向下、逐步細(xì)化的結(jié)構(gòu)化設(shè)計方法。
3.2 FFT的實現(xiàn)
實現(xiàn)FFT時，必須解決數(shù)據(jù)溢出問題。由N點DFT計算公式：
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設(shè)A和B為歸一化的輸入，那么，在復(fù)數(shù)時間抽取FFT運算時，Cr、Ci、Dr、Di的最大值為：1+cos45°+sin45°+2.414。而在實數(shù)DIT的FFT運算中，Cr、Ci、Dr、Di的最大值為2，因此，可在每一級FFT計算中。事實上，用因子2進行歸一化。對ARM7運用芯片的移位特性和用2歸一化，不會增加任何運算量。這樣，如果FFT包含M級，則輸出相當(dāng)于除以2M=N。其中N為FFT的長度。
3.3諧波參數(shù)的計算
參數(shù)計算采用N=128點FFT算法，計算結(jié)果依次存放為A0、B0、A1、B1、……、An、Bn。其中An為n次諧波的實部，Bn為n次諧波的虛部。這樣，即可計算出各次諧波的(以電壓為例)相角、幅值和諧波畸變率、含有率等指標(biāo)：
這樣，依據(jù)計算的電壓、電流和相角，便可計算電網(wǎng)的有功功率、無功功率、功率因數(shù)、電力電量等各種參數(shù)值，從而按照相關(guān)策略實現(xiàn)對電容器等設(shè)備的控制。各種監(jiān)測數(shù)據(jù)和運行狀態(tài)還可送計算機中長期保存，并可對數(shù)據(jù)進行進一步的分析，實現(xiàn)配電監(jiān)控管理。
4結(jié)束語
依據(jù)供電企業(yè)對配電測控功能的新要求，本文以PHILIPS公司的LPC2220FBM144芯片為核心，充分運用ARM7強大的運算能力，給出了新一代配電綜合測控儀的研制方法。實際使用證明，其采用的算法和實現(xiàn)技術(shù)是完全可行的。
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