基于ARM9電能質量監(jiān)測儀的數據采集

摘要: 介紹了基于ARM9電能質量監(jiān)測儀數據采集系統(tǒng)設計，討論了由MAX1324構成的8通道14位同步采樣，及其與核心板ARM9-S3C2410的接口，實現了8路差動模入的瞬時采樣。該數據采集系統(tǒng)較好地滿足了電能質量監(jiān)測儀對數據采集的特殊要求。
關鍵詞: MAX1324；ARM9；同步采樣；數據采集

    為了保證電力系統(tǒng)安全、可靠、高效地運行，高質量的電能供給是一項重要的工作。為此，利用便攜式電能質量監(jiān)測儀對電網電能質量參數進行準確地測量。ARM9的主頻高、速度快、內存容易擴展，可以運行嵌入式Linux操作系統(tǒng)，為應用程序的設計提供了方便的條件，其開發(fā)板所用的處理器是ARM9-S3C2410?；贏RM9-S3C2410的電能質量監(jiān)測儀的整體結構框圖，如圖1所示。

    由圖1可知，該系統(tǒng)的硬件除了已經擴充了存儲器的ARM9-S3C2410A核心板外，還包括外圍信號調理、鍵盤及顯示等電路，以MAX1324組成的A／D和信號調理電路，是該數據采集的重要內容，文中主要介紹這一部分的硬件和相關軟件設計。

1 數據采集的硬件設計
    開發(fā)板ST2410的硬件資源豐富，提供了40腳外部擴展接口，通過該接口，可以方便地擴展信號采集等外圍電路。信號調理部分電路的具體結構，如圖2所示。

1．1 信號調理電路
    模擬信號輸入前端電路，是利用電壓互感器(PT)和電流互感器(CT)，對被采樣電壓和電流進行隔離和電平轉換。一次互感先將電力電網的高壓、大電流轉換成標準的交流100 V和5 A，二次互感器再將其轉換成A／D芯片MAX1324輸入所要求的-10～+10 V電平，從而得到電力系統(tǒng)公共連接點的全部原始數據。
    抗混疊濾波器的作用，是將輸入信號中的高頻分量濾除，以防止被測信號的高頻干擾與有用的低頻信號發(fā)生混疊，影響測量精度。抗混疊濾波采用壓控電壓源二階低通濾波器，如圖3所示。考慮到本裝置需要監(jiān)測1～50次諧波，要求在50～50×50 Hz頻率范圍內的幅頻特性曲線越平坦越好。

1．2 A／D轉換
    因為在測量電網的三相不平衡參數時，要用到中性線的電壓和電流，雖然從理論上，可以通過相電壓和相電流算出中性線的電壓和電流值，但是，測量值應該更加接近物理現實。所以，最好同時測量電網中用戶公共連接點的三相電壓、三相電流和中性線的電壓與電流，共計8路模入信號。多路信號的同步采樣可以有效克服因通道轉換而產生的相差問題，所以A／D應該選用8路同步采樣芯片。美信公司的MAX1320和MAX1324都是適合上述設計要求的專用芯片，MAX1324的模入電壓范圍為±10 V，比MAX1320芯片的輸入電壓范圍寬。在同樣干擾和噪聲條件下，A／D轉換的相對精度會高一些，所以采用MAX1324，它內部集成了8個獨立的采樣保持器和8通道的多路開關，容易實現8路模擬量的瞬時采集，其轉換結果以補碼的形式按順序輸出。
    對于一個已經給定轉換位數的ADC，它對信號所能離散數據位的電平值是確知的，14位MAX125提供214級的離散電平為2×10 V／214≈1．22 mV，相對分辨率可達±0．025％。在國家諧波測量標準中，對于規(guī)定的畸變率，電流的測量精度要求相對高一些，考慮到各種情況，實踐亦證明采用14位的ADC是完全可以滿足諧波測量的設計要求的。
    電能質量監(jiān)測儀的ARM處理器芯片S3C2410A內部還帶有8通道1O位的A／Dc。根據上述分析可知，10位A／D難以滿足諧波監(jiān)測儀對數據采集的要求，而且該A／DC也不具備同步采樣功能。然而在測量電網基波的頻率時，國家標準要求對工頻的測量精度是50±0．01 Hz，這意味著在一個周期內，要采集50÷0．0l=5 000個點以上，所以A／D轉換時間在20 ms／5 000=4μs以下。頻率測量對幅值的精度要求并不高，只要能夠正常判斷正負值即可。ARM芯片內10位A／D的轉換速度最高可達500 ksps(2μs)，所以，用以測量電網的基波頻率正合適。這樣，MAX1324和ARM內的A／DC分別用作諧波和頻率測量就各盡所能了。
1．3 MAX1324與處理器S3C2410的硬件接口
    MAX1l324與處理器S3C2410的接口如圖4所示，MAX1324的模擬供電電壓是5 V，而MAX1324允許的數字供電電壓范圍為2．7～5．25 V，圖中是3．3 V。這樣，可以不用電平轉換而直接與S3C2410的數字I/O接口相連。

    在進行數據采集時，操作過程分為以下3步：(1)首先要將MAX1324的工作方式設置為8個通道的瞬時采樣，引腳ALLON接高電平，拉低和時，向數據線D0～D7寫入全“1”，這樣8個通道就能都被選中，實現同步ADC；(2)拉低ARM的GPAl2端子，使CONVST引腳為低電平，輸入信號在采樣保持器達到穩(wěn)定的電平后，再由CONVST的上升沿開始啟動A／D，這里的多通道轉換是按通道號由低到高的順序進行，當最后一個通道的轉換結束后，所有通道轉換結束信號跳變?yōu)榈碗娖?，轉換結果先儲存于片內對應的14位×8的SRAM中；(3)讀取模數轉換結果數據，其方式有兩種：一種是查詢方式，MAX1324的引腳接到S3C2410的一個I／0引腳上，S3C2410啟動A／D轉換后，不斷地查詢這個I／0引腳是否為低電平，以判斷轉換是否結束，然后再依次讀取轉換后的數字信號；另一種是中斷方式，MAX1324的引腳直接接到S3C2410的一個外部中斷引腳上，一旦轉換結束，則向S3C2410申請中斷，S3C2410就會進入中斷服務程序，依次讀取MAX1324轉換后的數據。為了提高CPU的使用效率，采用中斷方式，圖4中MAX1324的引腳接到S3C2410的外部中斷EINT3的引腳上。當A／D數據轉換結束后，就會向S3C2410的EINT3發(fā)出低電平，當EINT3引腳為低電平時，就會先后向MAX1324的引腳發(fā)出8個讀脈沖，控制選通引腳分時讀取MAX1324轉換后的8個通道ADC數據。

2 接口驅動
    設備驅動程序的任務包括自動配置和初始化子程序，負責檢測所要驅動的硬件設備是否能正常工作。如果該設備正常，則對這個設備及其相關的設備驅動程序需要的軟件狀態(tài)進行初始化。
Linux下的設備驅動程序被組織為一組完全不同任務的函數的集合。編寫A／D驅動，主要完成對A／D器件控制寄存器和數據寄存器的open0，closeO，read0，writeO等的操作，并在file_operations中注冊。
static struct file_operations adcmax1324_fops={
open：ademaxl324_open，
ioctl：adcmaxl324_ioctl，
read：adcmaxl324_read，
write：ademaxl324_write，
release：adcmaxl324_release，
}
下面介紹其中幾個重要的函數：
(1)adcmaxl324_write函數：調用該函數，通過雙向數據線DATAO～DATA7向MAX1324寫人數據OxOOFF，把MAX1324設置成8通道同時轉換的模式；(2)ademax1324_ioctl函數：Ioctl函數跟蹤信號，啟動A／D轉換；(3)adcmax1324_read函數：read函數把中斷處理函數中讀到的數據發(fā)到用戶程序。
    最后在init()中完成初始化工作。包括注冊設備驅動程序和申請系統(tǒng)資源。在編寫驅動程序時通常編寫成模塊的形式，在模塊加載時調用初始化函數module_init()，在卸載時調用卸載模塊函數module_exit()。

3 結束語

    文中實現了基于ARM9的電能質量監(jiān)測儀數據采集的設計。介紹了硬件電路及其相關軟件，經實驗測試，基于MAX1324ECM的上述數據采集電路，實測準確度可以達到±0．5％，實驗結果如表1所示，因此MAX1324ECM完全適用于電能質量監(jiān)測中的數據采集。