基于新型DSP的嵌入式远程电力监测系统的设计_基于新型DSP的嵌入式远程电力监测系统的设计姚金_

基于新型DSP的嵌入式远程电力监测系统的设计

2007/7/4 9:34:00

1引言随着大功率电力电子设备等非线性负荷的使用，波形畸变、频率波动等电能质量问题日益严重。供电方和用电方都需要对电力参数进行实时采集，以有效监控电力系统运行状况。电力数据采集仪等产品基本都是手持式仪器，由于单片机扩展性差、价格高，且基本没有接入以太网的功能，不能进行远程监测，不符合工业网络化和无人化的趋势。本文采用TMS320F2812开发的远程电力监测系统。功能强大、成本低、适应性强、实时性好、精度高、扩展性好，重要的是可以嵌入到设备中，且具有以太网接口，可以对设备电源进行远程监测。 2系统硬件设计 2.1系统的整体设计思路以两相日常交流电为实验对象，将被测电压、电流分别经电压、电流互感器采样调理变换后的模拟信号送人A／D转换芯片。转换后的数据送人DSP，CAPl端口捕捉测频电路的跳变确定频率，DSP计算即时功率、电压和电流有效值等电力参数，通过以太网网卡送到上位机显示。远程电力监测系统基本结构如图1所示。

2.2 DSP芯片的选择 TMS320F2812是TI公司2000系列最新的32位定点高性能处理器，主频最高150M，指令执行为6.67ns采样最高速率60ns，可实现虚拟浮点运算。要设计的系统算法计算量小，完全可满足精度和实时性需要。 2.3 A/D转换芯片的选择 MAXIM公司的MAXl25A/D转换芯片是8通道14位带多路开关和采/保电路的高性能转换器。8个输入通道分成两组，可在两组多路开关之间选择同时采样的4路输入通道。MAXl25芯片转换精度高，转换速度快，输入信号量程为-5～+5V之间，非常适合于交流信号的采集。 2.4 电压、电流信号同步调理电路信号调理电路把电力线上的电压、电流输入信号分别变换为-5～+5V的交流电压信号，然后分别送入A/D转换模块MAXl25进行转换。硬件功能框图如图2所示。

220V的日常交流电经调压器转换为100V交流电压和5A交流电流，分别经电压互感器和电流互感器变为-5～+5v的交流电压信号。互感器采用西安铱星电子科技公司的高精密SPT204E电压互感器和SCT254EK电流互感器。输入电压经限流电阻R1，调节电阻使流过电压互感器初级的额定电流为2mA，次级产生2mA电流，通过运放0P_07cp的作用，调节反馈电阻得到所要求的电压输出。输入电阻R5为1.2KΩ。反馈电阻采用1.1kΩ的R2串联1个500Ω的可调电阻R3，进行微调使输出电压达到所需精度。采用补偿电容C1补偿相移，电容不能微调，通过补偿电阻R4达到所需精度。电容C2用于滤波，一般在400～800μF之间。二极管D1、D2起导通作用。5A交流电流信号的调理采用电流互感器SCT254EK，与SPT204E用法相似，其初级输入额定电流5A，次级产生2.5mA的电流，但初级无需限流电阻。 2.5频率测定电路由于电力谐波的影响，电网的工频在50Hz左右变化。为保证采样精度，采样频率要求具有快速的自适应能力，捕捉模块同步跟踪输入电压的频率变化。硬件电路结构如图3所示。由运放LM339的1/4和三级管9012组成的迟滞比较电路将正弦输入信号变为0-5v同频方波信号，同时利用迟滞电压特性消除输入信号在过零点可能出现的抖动。光电三极管6N137电气隔离模拟和数字部分。F2812芯片内捕捉单元能捕获引脚电平的跳变。光电三极管整形后的方波信号接人DSP的CAP1采样捕捉端口。当捕捉输入脚检测到跳变时，定时器T2或T3精确测量两次跳沿间的时间，存储在两级FIFO堆栈内。

2.6 以太网接口和电平转换电路采用台湾Realtek公司生产的高集成以太网控制器RTL8019AS。适用于EthernetⅡ、10Base5等；支持8/16位数据总线；全双工达10Mbps；自动检测传输介质；具有跳线、即插即用和免跳线等接口模式。跳线模式选择I/O端口和中断。基地址由ISOO-IS03确定，管脚悬空为低电平，选择基地址为1500H，地址范围为1500H～151FH。中断选择由IRQSO～IRQS2决定，选择中断INTO。 8019AS工作电压5V与DSP工作电压3.3V不匹配，输出信号要经电平转换，中断信号也要经电平转换反向送给DSP。DSP输出电平符合8019AS的输入电平范围，可将地址线直接相连，为了便于对8019AS的控制和扩展，通过译码变换后连接。译码、电平变换由ALTERA公司低功耗CPLD器件EPM240完成。10BASE-T接口器件选用中山汉仁电子公司的HR61101G，起低通滤波和隔离变压作用。为了节省成本，系统采用长沙明伟电子商行的DSP2812DSK开发板，板载以太网接口和电平转换电路如图4所示。

3 系统软件设计采用汇编和C语言混合编程的方式，主程序流程图如图5所示。

3.1读取A/D转换结果与数据处理部分程序代码 #include〃DSP28_Device．h〃 #define Samples 600 Uint32 CHA0_Data0[Samples]，CHA0_Data 1[Samples]； Uint32 data[71，gg=0，idx=0，data4=0，data6=0，data8=0； void read-ADC（void） {CHA0_Data0 [idx]=*ptr0CHA0；//存储14位电压值 CHA0D_Datal [idx]=*ptrlCHA0；//存储14位电流值 data1=CHA0_Data0 [idx]&0x00003FFFF； data2=CHA0_Datal [idx]&0x00003FFFF； data3=datal*data2； data[1]=datal10x10000000；//32位加标志实时电压值 data[2]=data210x50000000；//32位加标志实时电流值 data[3]=data310x90000000；//32位加标志实时功率值 while（gg<=Samples-1） {data4=data3*data3*dt+data4； data6=datal*data1*dt+data6； data8=data2*data2*dt+data8； gg=gg+l；} data[4]=sqrt（data6/t）|0xB0000000；//加标志电压有效值 data[5]=sqrt（data8/t）|0xD0000000；//加标志电流有效值 data[6]=sqrt （data4/t）|0xF0000000；//加标志功率有效值 if（gg==Samples） {gg=0；//一个周期采样600点} idx=idx+l；//调用一次读取数据就累加一次 ADC_ready=1； if（idx==Samples） {idx=0；//一个周期累加600点后开始下一个周期} 3.2 Gpio端口初始化程序 #include〃DSP28_Device．h〃 void InitGpio（void） {GpioMuxRegs．GPAMUX．all=0x0l03；//配置端口A，作为PWMlclock GpioMuxRegs．GPADIR．all=0xFEFF：//为1，端口A配置为数字量输出，捕捉端口输入 GpioMuxRegs．GPEMUX．all=0x0003；//配置端口E为maxl25A/D转换完成外部中断XINTl Gpi0MuxRegs．GPEDIR.all=0x0000； GpioMuxRegs．GPEQUAL.all=0x0000；//输入量化寄存器 GpioMuxRegs．GPFMUX．all=0x0000； GpioMuxRegs．GPFDIR．all=0x0005； EDIS； } 3.3 上位机显示界面以及实验结果图6为用VC++6.0软件编写的远程终端显示界面，通过以太网可以方便地实现远程监测。利用Winsocket网络通信控件。该控件高效封装了socket类，简化了网络程序的编写。该界面能以浮点动态显示实时频率、实时电压、实时电流等电力参数的变化，满足实际精度的需要。