基于嵌入式Win CE系統(tǒng)的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀

0 引言
    電能的應(yīng)用程度是衡量一個(gè)國家電力發(fā)展水平的重要標(biāo)志之一。近年來，用戶對(duì)電能質(zhì)量的要求越來越高，使得電能質(zhì)量問題日益緊迫地?cái)[在了大家的面前，電能質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到國民經(jīng)濟(jì)的總體效益。
    為了提高供電質(zhì)量，保證電網(wǎng)和供電設(shè)備安全、經(jīng)濟(jì)及可靠運(yùn)行，國內(nèi)外許多研究機(jī)構(gòu)和公司研制生產(chǎn)了各種功能的電力參數(shù)分析儀表、儀器，但傳統(tǒng)的基于有效值理論的監(jiān)測(cè)技術(shù)已經(jīng)不能完整、準(zhǔn)確地描述實(shí)際發(fā)生的動(dòng)態(tài)電能質(zhì)量問題。在此，設(shè)計(jì)了一種基于嵌入式系統(tǒng)的電能質(zhì)量參數(shù)監(jiān)測(cè)儀，改進(jìn)了以往同類監(jiān)測(cè)儀的缺點(diǎn)，能實(shí)時(shí)地顯示出動(dòng)態(tài)電能質(zhì)量的參數(shù)變化，具有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1 電力參數(shù)的計(jì)算
    電能質(zhì)量主要包括由公用電網(wǎng)供給用戶端交流電能品質(zhì)的一些參數(shù)。本文主要討論國家標(biāo)準(zhǔn)涉及的各項(xiàng)穩(wěn)態(tài)指標(biāo)，如頻率、電壓(電流)、諧波、閃變、三相不平衡度等，以及功率、相位差、諧波畸變率等相關(guān)指標(biāo)的分析測(cè)量，這也是一般的電能質(zhì)量測(cè)量分析儀器所關(guān)心的電能質(zhì)量指標(biāo)。
    下面給出各項(xiàng)電能參數(shù)的計(jì)算方法：
    電壓有效值的離散化計(jì)算公式：

式中：UA，UB，UC，IA，IB，IC分別為各相電壓電流的有效值。
   
式中：fs為所選晶振頻率(單位為Hz)；TCnt為一個(gè)整周期定時(shí)器計(jì)數(shù)值。
    諧波含量就是各次諧波的平方和開方。諧波電壓含量與諧波電流含量分別表示為：

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2 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)
    基于ARM9和嵌入式Windows CE系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

    該系統(tǒng)采用DSP+ARM9的雙CPU形式，其中，DSP采用TI公司的TMS320F2812；ARM9采用Samsung的S3C2410。該系統(tǒng)中ARM部分用購買的開發(fā)
板進(jìn)行開發(fā)測(cè)試。
    TMS320F2812提供了足夠的處理能力，使一些復(fù)雜實(shí)時(shí)控制算法的應(yīng)用成為可能，它主要完成對(duì)三相交流電壓、電流的數(shù)據(jù)采集，電壓和電流經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路，經(jīng)互感器隔離降壓，經(jīng)低通濾波器濾除高頻分量，使電壓和電流進(jìn)入TMS320F2812處理器，之后通過TMS320F2812對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理，再通過CAN總線通信將處理好的數(shù)據(jù)傳送給ARM模塊。
    S3C24lO是Samsung公司推出的16／32位RISC處理器，具有低成本、低功耗、小體積、高性能的特點(diǎn)，集成了豐富的片上資源。系統(tǒng)中，其主要作用是利用CAN總線通信來接收從DSP傳過來的數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行LCD顯示，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，同時(shí)，還可通過USB接口將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到U盤上。其中，TMS320F2812的CAN收發(fā)器型號(hào)為PCA82C250。TMS320F2812片上集成了CAN通信接口，可直接與PCA82C250上的TXD和RXD相連，并將信號(hào)轉(zhuǎn)換成CANH，CAHL后，在CAN總線上傳輸。由于ARM開發(fā)板并沒有提供CAN接口，所以此部分要進(jìn)行外擴(kuò)。S3C2410與CAN總線的接口采用SPI轉(zhuǎn)CAN的方式，控制器采用Microchip公司的MCP2515。S3C24lO的SPI接口可直接與MCP2515控制器的SPI接口相連，控制器輸出端的信號(hào)經(jīng)PCA82C250轉(zhuǎn)化為CANH，CANL后，在CAN總線上傳輸。

3 嵌入式操作系統(tǒng)Win CE的定制、移植及驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)
3．1 CAN驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)
    Platform Builder本身自帶了很多驅(qū)動(dòng)程序，如串口驅(qū)動(dòng)、USB口驅(qū)動(dòng)等，但由于系統(tǒng)中的CAN總線通信部分是外擴(kuò)的，開發(fā)商提供的BSP開發(fā)包不包含這部分驅(qū)動(dòng)，要自行編寫驅(qū)動(dòng)程序和注冊(cè)表部分的文件，定制出CEC文件，并將生成的驅(qū)動(dòng)與BSP進(jìn)行綁定。CAN驅(qū)動(dòng)開發(fā)流程為：
    編寫CAN驅(qū)動(dòng)時(shí)，首先要確保S3C24lO的SPI接口可以正常工作，再利用SPI接口對(duì)MCP2515寄存器進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置。
    CAN總線驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)步驟為：
    (1)初始化S3C2410的SPI口。設(shè)置波特率、主從模式、通信方式等；
    (2)初始化MCP2515。設(shè)置相應(yīng)的發(fā)送、接收緩沖器；
    (3)編寫CAN控制器的收發(fā)程序；
    (4)編寫CAN流接口的函數(shù)形式；
    (5)導(dǎo)出流接口，修改注冊(cè)表和CEC文件。
3．2操作系統(tǒng)的移植
    對(duì)Windows CE操作系統(tǒng)進(jìn)行移植，先進(jìn)行WinCE Bootloader的開發(fā)，然后進(jìn)行操作系統(tǒng)的特性配置和移植，再進(jìn)行硬件平臺(tái)上驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)，最后對(duì)應(yīng)用程序進(jìn)行移植和開發(fā)。
    (1)Bootloader的開發(fā)。Bootloader的結(jié)構(gòu)可以分為BL Common、OEM代碼、Eboot、存儲(chǔ)管理、EDBG驅(qū)動(dòng)程序五個(gè)部分。這五部分中，除了OEM代碼需要自己編寫外，其他幾個(gè)部分的代碼都是由Windows CE本身提供的。
    (2)內(nèi)核的配置和移植。Win CE內(nèi)核的配置和移植是在Platform Builder的幫助下，根據(jù)系統(tǒng)的具體應(yīng)用目標(biāo)來進(jìn)行各種功能裁減，然后由Sysgen即可編譯生成所需的操作系統(tǒng)鏡像NK．bin。當(dāng)PlatformBuilder成功編譯生成WinCE內(nèi)核后，通過PlatformBuilder自帶的TFPT網(wǎng)絡(luò)傳輸工具或其他TFPT網(wǎng)絡(luò)傳輸工具將內(nèi)核下載至硬件平臺(tái)中。
    (3)驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)。Windows CE提供了特定的驅(qū)動(dòng)程序框架，以驅(qū)動(dòng)內(nèi)部或者外圍的硬件設(shè)備。驅(qū)動(dòng)程序位于操作系統(tǒng)與硬件的中間，是BSP包的一部分，將操作系統(tǒng)與設(shè)備鏈接起來，操作系統(tǒng)就能識(shí)別設(shè)備，并為應(yīng)用程序提供相應(yīng)的服務(wù)。在此主要介紹了CAN驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)。
    (4)應(yīng)用程序的開發(fā)和移植。完成以上內(nèi)容后，就可以針對(duì)硬件平臺(tái)和具體系統(tǒng)要求進(jìn)行應(yīng)用程序的開發(fā)。

4 結(jié)語
    設(shè)計(jì)了一種基于ARM9和Windows CE的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采用TMS320F2812處理器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，充分發(fā)揮了這款DSP芯片的數(shù)據(jù)處理能力；S3C24lO和Windows CE嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用，使得系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示和監(jiān)測(cè)。文中實(shí)現(xiàn)了對(duì)硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)和對(duì)Windows CE操作系統(tǒng)的定制、移植及其驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)。該系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性好，性價(jià)比高等特點(diǎn)，有很高的實(shí)用價(jià)值。