基于DSP+ARM構(gòu)架的嵌入式電能質(zhì)量監(jiān)測裝置的解決方案

摘要：根據(jù)電能質(zhì)量監(jiān)測對于系統(tǒng)支持復(fù)雜算法和實(shí)時(shí)性的特殊要求，并在綜合分析了目前風(fēng)電場電能質(zhì)量監(jiān)測技術(shù)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，本文提出了一種基于DSP+ARM構(gòu)架的嵌入式電能質(zhì)量監(jiān)測裝置的解決方案，該裝置可完成風(fēng)電場電能質(zhì)量指標(biāo)的測量，并有數(shù)據(jù)顯示、存儲、通信等功能，能更加快捷地對電能質(zhì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理。

1 引言

隨著風(fēng)力發(fā)電的快速發(fā)展，電能質(zhì)量監(jiān)測技術(shù)是風(fēng)電場的研究熱點(diǎn)，應(yīng)用DSP芯片已成為電能質(zhì)量監(jiān)測裝置研究的發(fā)展趨勢。用于風(fēng)電場電能質(zhì)量監(jiān)測的方法有多種多樣，其中分布式系統(tǒng)PC機(jī)+工控機(jī)的結(jié)構(gòu)風(fēng)靡一時(shí)，工控機(jī)（下位機(jī)）處理實(shí)時(shí)任務(wù)，PC機(jī)（上位機(jī)）用于和用戶交互，一定程度上解決了電能質(zhì)量監(jiān)測的實(shí)時(shí)性問題，但沒有達(dá)到智能化和網(wǎng)絡(luò)化的程度，而且這種分布式系統(tǒng)加大了設(shè)備的成本，不適于作為永久性在線監(jiān)測設(shè)備大量安裝于現(xiàn)場。另外，由于風(fēng)電場多位于野外山地，地形復(fù)雜，自然環(huán)境惡劣，系統(tǒng)受干擾的情況也相當(dāng)嚴(yán)重。目前流行的設(shè)計(jì)模式是采用DSP+MCU的雙CPU結(jié)構(gòu)[1-3]，通過雙口RAM實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和協(xié)同工作。這樣，在滿足處理大運(yùn)算量實(shí)時(shí)任務(wù)要求的同時(shí)，極大地降低了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)成本。單片機(jī)用來分擔(dān)部分實(shí)時(shí)性要求不高的系統(tǒng)任務(wù)，如系統(tǒng)配置管理、人機(jī)交互、通信等。但是，為了實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)任務(wù)的調(diào)度，軟件上必須結(jié)合嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)[4][5]，才能設(shè)計(jì)成真正意義上的嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)。

比較上述兩種設(shè)計(jì)模式的優(yōu)缺點(diǎn)之后，選擇以DSP+ARM為雙處理器結(jié)構(gòu)，開發(fā)出本文所要介紹的新型實(shí)時(shí)嵌入式電能質(zhì)量網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測裝置。嵌入式微處理器具有體積小、重量輕、成本低、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)，在該領(lǐng)域技術(shù)成熟、產(chǎn)品類型多、選擇空間大，滿足各種性能需求的處理器比較容易獲得。本文對電能質(zhì)量監(jiān)測裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)的同時(shí)，改變了電能質(zhì)量監(jiān)測裝置在傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的地位，嵌入以太網(wǎng)絡(luò)接口，將電能質(zhì)量監(jiān)測儀作為網(wǎng)絡(luò)中獨(dú)立的節(jié)點(diǎn)，內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧，實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測裝置有直接上網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)的功能，從而可以更加快捷地對電能質(zhì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的基于DSP+ARM的嵌入式風(fēng)電場電能質(zhì)量監(jiān)測裝置主要實(shí)現(xiàn)了對風(fēng)電場運(yùn)行過程中各性能指標(biāo)的實(shí)時(shí)監(jiān)測，這些指標(biāo)包括電壓有效值、電流有效值、有功功率、無功功率、功率因數(shù)、電壓波動(dòng)、諧波分析以及閃變計(jì)算。同時(shí)建立了良好的操作界面，使用戶一目了然地觀察風(fēng)電場運(yùn)行的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并具有圖標(biāo)顯示、數(shù)據(jù)打印、數(shù)據(jù)存儲等功能。

本系統(tǒng)主要采用DSP+ ARM的雙系統(tǒng)模式結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)采集芯片為ADS8364。由ADS8364完成采樣，DSP對采樣結(jié)果實(shí)時(shí)變換處理；ARM系統(tǒng)完成統(tǒng)計(jì)、存儲、通訊及人機(jī)對話等功能。二者通過半雙工通訊方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸與交換。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。由于風(fēng)電場風(fēng)機(jī)分散，間距較遠(yuǎn)，環(huán)境惡劣，地理環(huán)境復(fù)雜，本系統(tǒng)的監(jiān)測裝置與中央控制機(jī)采用光纖通訊。中央控制機(jī)為高端服務(wù)器，對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)度與控制，可以實(shí)時(shí)觀察每個(gè)站點(diǎn)的情況。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要針對風(fēng)電廠電能質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測，其主要特點(diǎn)如下：

(1) 擁有8個(gè)模擬信號通道，即三相電壓電流、風(fēng)速風(fēng)向八個(gè)通道，2個(gè)脈沖信號通道；

(2) 電壓信號測量端輸入為690V和100V兩個(gè)檔，可根據(jù)現(xiàn)場需要進(jìn)行設(shè)置，電流測量端輸入為5A；

(3) 每個(gè)模擬信號通道的A/D轉(zhuǎn)換的采樣頻率大于*kHZ，且所有模擬通道的采樣時(shí)間點(diǎn)基本同步，精度為12位；總體測量精度需達(dá)到0.1級；

(4) 考慮1秒的數(shù)據(jù)存儲量，128k字節(jié)的緩存空間，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)運(yùn)算調(diào)用，有TFT屏，主要顯示操作界面及各類曲線等；USB接口存儲數(shù)據(jù)；板載NandFLASH為128M，存儲實(shí)時(shí)監(jiān)測歷史數(shù)據(jù)；

(5) 以太網(wǎng)接口，通過光纖收發(fā)器完成RJ45與單模光纖的信號轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)光纜通信局域網(wǎng)的架構(gòu)；

(6) 光纖通信傳輸頻帶寬，通信容量大，衰減小，傳輸距離遠(yuǎn)，串?dāng)_小，信號傳輸質(zhì)量高，抗電磁干擾，保密性好，尺寸小，重量輕，便于傳輸和鋪設(shè)，耐化學(xué)腐蝕；

(7) 系統(tǒng)有良好的觸摸式操作界面，可對監(jiān)測電量實(shí)時(shí)顯示，可查看電能質(zhì)量分析結(jié)果。

2.2 主要器件選擇及其參數(shù)

2.2.1 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊ADS8364

ADS8364是一種高速、低功耗、六通道同步采樣和轉(zhuǎn)換的十六位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，采用+5V 工作電壓。80dB共模抑制的全差分輸入通道。還包括六個(gè)4μs連續(xù)近似的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，六個(gè)差分采樣放大器， 帶REFIN和REFOUT引腳的內(nèi)部+2.5V 參考電壓，以及高速并行接口。六個(gè)模擬輸入分為三組（A，B和C），每個(gè)輸入端有一個(gè)ADCs 和保持信號用來保證幾個(gè)通道能同時(shí)進(jìn)行采樣和轉(zhuǎn)換。差分輸入范圍可從-VREF 到+VREF 之間變化[6]。本文采用ADS8364主要是對風(fēng)電場的三相電壓電流以及風(fēng)速風(fēng)向進(jìn)行采樣，并將采樣數(shù)據(jù)送給DSP進(jìn)行實(shí)時(shí)分析處理，ADS8364的采樣頻率為*KHz，每周波采樣256個(gè)點(diǎn)。

2.2.2 數(shù)字信號處理模塊TMS320F2812

DSP具有程序和數(shù)據(jù)分開的哈佛結(jié)構(gòu)，流水線操作功能，單周期完成乘法的硬件以及一套適合數(shù)字處理的指令集，由其組成的系統(tǒng)能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)的頻譜分析，提高了測量精度。本文采用的DSP芯片是TI公司最新推出的TMS320F2812。該芯片是目前國際市場上最先進(jìn)、功能最強(qiáng)大的32位定點(diǎn)DSP芯片，是基于TMS320Cxx內(nèi)核的定點(diǎn)數(shù)字信號處理器。與F24系列數(shù)字處理器相比，F(xiàn)2812數(shù)字信號處理器提高了運(yùn)算的精度（32位）和系統(tǒng)的處理能力(150MIPS) 。該數(shù)字信號處理器還集成了128KB的FLASH存儲器，4KB引導(dǎo)ROM，數(shù)字運(yùn)算表以及2KB的OTP ROM，從而大大改善了應(yīng)用的靈活性。16通道高性能 12位ADC單元提供了兩個(gè)采樣保持電路，可以實(shí)現(xiàn)雙通道信號同步采樣。本文中的TMS320F2812主要完成啟動(dòng)ADS8364工作，完成系統(tǒng)采樣，對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析處理，進(jìn)行各電能質(zhì)量指標(biāo)計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果送與ARM系統(tǒng)顯示，便于用戶操作管理。

2.2.3 顯示管理模塊ARM系統(tǒng)s3c2410

S3C2410是Samsung公司推出的16/32位RISC處理器，CPU 主頻206MHz ，標(biāo)準(zhǔn)配置為夏普256K色240x320/3.5英寸TFT液晶屏，帶觸摸屏，支持Linux，WINCE和EPOC32。提供Linux 內(nèi)核下的符合ISO7816 和EMV2000 的智能卡驅(qū)動(dòng)模塊和符合ISO14443 A/B 和Mifare 系列非接觸智能卡驅(qū)動(dòng)模塊。其小體積、低功耗、高性能的特點(diǎn)為風(fēng)電場便攜式電能質(zhì)量監(jiān)測裝置的設(shè)計(jì)提供了方便。本文中ARM系統(tǒng)s3c2410主要實(shí)現(xiàn)基本控制單元的調(diào)度與控制，將數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、存儲、通訊及人機(jī)對話等功能。

3 算法實(shí)現(xiàn)

DSP子系統(tǒng)主要完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集和計(jì)算，同時(shí)響應(yīng)ARM子系統(tǒng)的通信請求，把各種計(jì)算結(jié)果和信息報(bào)告給ARM，而ARM子系統(tǒng)執(zhí)行整個(gè)系統(tǒng)的控制和管理，在需要數(shù)據(jù)的時(shí)候，向DSP子系統(tǒng)發(fā)出通信請求，獲取各種數(shù)據(jù)和信息。這樣一來大量的實(shí)時(shí)采樣和計(jì)算與系統(tǒng)的管理和控制就可以并行執(zhí)行，通過通信使雙方在任務(wù)執(zhí)行上同步。軟件設(shè)計(jì)主要包括DSP芯片的軟件設(shè)計(jì)和ARM芯片的軟件設(shè)計(jì)兩部分。

圖2 DSP軟件程序流程圖 圖3 各指標(biāo)運(yùn)算流程

3.1 DSP軟件設(shè)計(jì)

DSP軟件采用C語言和匯編語言混合編程方式，其軟件設(shè)計(jì)主要包括完成數(shù)據(jù)采集、

電能質(zhì)量算法和數(shù)據(jù)分析程序。F2182通過定時(shí)器中斷啟動(dòng)Ａ/Ｄ轉(zhuǎn)換過程，中斷周期被設(shè)置為每周波256點(diǎn)，通過雙緩沖池來管理實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)分析主要包括諧波分析和實(shí)時(shí)檢測信號的峰值、有效值等信息，以判斷過欠壓、振蕩等電能質(zhì)量問題。本系統(tǒng)采用深圳市風(fēng)標(biāo)數(shù)碼科技有限公司提供的XDS510USB2.0仿真器，它可以通過USB接口直接與PC機(jī)相連接，在CCS集成開發(fā)環(huán)境下通過JTAG接口，調(diào)試燒寫程序，其程序流程如圖2所示。

本設(shè)計(jì)中需要監(jiān)測和計(jì)算的量有：電壓有效值、電流有效值、有功功率、無功功率、功率因數(shù)、電壓波動(dòng)、諧波分析、閃變計(jì)算等，運(yùn)算流程如圖3所示。

其中計(jì)算諧波時(shí)目前根據(jù)要求只計(jì)算到19次諧波，截止頻率分別選擇為1kHz和40Hz。閃變計(jì)算所需的數(shù)據(jù)為所存儲的10分鐘中的數(shù)據(jù)中進(jìn)行抽樣獲得，10分鐘的數(shù)據(jù)需實(shí)時(shí)更新。對得出瞬時(shí)閃變視感度S(t)恒速采樣，得出累積概率函數(shù)，最后計(jì)算出短時(shí)間閃變值Pst。

3.2 ARM芯片軟件設(shè)計(jì)

ARM軟件采用C語言編程方式，其軟件設(shè)計(jì)主要包括完成與DSP的通信，給DSP索要數(shù)據(jù)的命令，并接收傳來的數(shù)據(jù)，將電能質(zhì)量參數(shù)值以波形曲線、柱狀圖等形式實(shí)時(shí)顯示出來，便于用戶操作與控制。ARM主線程程序流程圖如圖4所示，與DSP的通訊子線程流程圖如圖5所示。

圖4 ARM主線程程序流程圖 圖5通訊子線程

其中，ARM向DSP索要數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，DSP采用中斷的工作方式，將處理的數(shù)據(jù)送與ARM統(tǒng)計(jì)、存儲與顯示。

4 結(jié)論

在借鑒已有設(shè)備的功能和特性的基礎(chǔ)上，利用DSP+ARM的新型嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)信號處理能力，完全滿足風(fēng)電場的電能質(zhì)量監(jiān)測和諧波閃變分析的需要。其次，為了符合電能質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)要求，運(yùn)用當(dāng)前先進(jìn)的嵌入式網(wǎng)絡(luò)接口技術(shù)，將電能質(zhì)量監(jiān)測裝置作為網(wǎng)絡(luò)中獨(dú)立的節(jié)點(diǎn)，內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧，實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測裝置直接上網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)的功能，為實(shí)現(xiàn)高端分析服務(wù)器上的高級分析軟件提供數(shù)據(jù)。同時(shí)還提供良好的人機(jī)界面，具有鍵盤和液晶顯示的功能，可以提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息的界面。本文所設(shè)計(jì)的電能質(zhì)量監(jiān)測裝置已在實(shí)驗(yàn)室調(diào)試成功，下一步工作將于風(fēng)電場現(xiàn)場調(diào)試。本設(shè)計(jì)既可作為基本的電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的檢測單元，也可用作監(jiān)測控制器，適用面廣，具有實(shí)時(shí)性好、通用性強(qiáng)、可靠性高、系統(tǒng)容易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，有廣闊的應(yīng)用前景，為將來開發(fā)更完善的電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。