多功能電力記錄儀設計與原理

更新時間：2022年12月05日

目前電力系統發生故障時，工作人員很難迅速查找根源，為此設計了基于ARM9的多功能電力記錄儀，可以采用間隔或連續方式對電力系統中電壓、電流的有效值、頻率、相位及波形等進行記錄并保存于多功能電力記錄儀內存中。若電力系統發生故障，工作人員可以將數據備份到SD卡內的相應時間的數據讀入計算機中并進行分析與處理，從而可以快速定位到故障原因，提高檢修聽從，zui終提高經濟效益。

多功能電力記錄儀設計以嵌入式處理器S3C2410為核心，結合同步AID轉換器和SD卡，設計了多功能電力記錄儀設計。可以根據設定模式同時測量并記錄zui多3通道電壓和3通道電流的有效值、頻率、相位、波形等電力參數，并存入SD卡保存。通過串行口或通用讀卡器將SD卡內數據讀入上位計算機即可對某些時間點的電力參數進行分析和處理。給出了系統的硬件組成與軟件編制方法。實驗表明，本系統測量與記錄精度高，數據存儲量大，功耗極低，特別適用于電力部門采集電力參數的場合。

硬件組成及原理

多功能電力記錄儀以S3C2410為核心處理器，負責參數運算與全局控制。被測交流電信號經過電流互感器進行隔離后進入取樣放大電路，為保證能夠對寬范圍的信號進行測量，使用數字電位器對信號進行動態放大，使進入A/D轉換器的信號在合理范圍。整形電路將正弦信號變換為方波，送入處理器的定時器，利用PCA的捕獲功能測量頻率及相位。硬件系統結構如圖1所示。下面就嚴重部分進行分別介紹。

多功能電力記錄儀硬件系統結構圖

2.1控制器

為了保證高測量精度，對交流電每個周期進行128點的采樣，并采用14位的A/D轉換器，則每秒鐘的數據量為2B*128點*6通道*50Hz=75KB，因此數據吞吐量較大，若想做到實時計算和存儲，則對多功能電力記錄儀的處理器的速度要求很高，普通的單片機無法滿足要求。為此，選用三星公司的S3C2410高速ARM9處理器，與電源電路、時鐘電路、存儲器系統及復位電路共同組成微控制系統。復位電路選用了系統監視復位芯片IMP811S，可提供高效的電源監視功能，確保系統工作正常。

S3C2410是一款基于ARM920T內核的16/32位RISC嵌入式處理器微處理器，運行的頻率可達203MHz，在此基礎上擴展了一系列完整的通用外圍接口單元，能夠提供高性價比的嵌入式解決方案。S3C2410系統外圍接口單元包括支持55個制止源的制止控制器，4路DMA控制器，117個通用I/O口，3個可編程波特率的UART, LCD控制器，8路10位A/D轉換器，SD卡接口，1個多主機12C總線控制器，2個SPI接口等。

2.2信號處理電路

被測交流信號通過互感器變為0~2mA的電流信號，經過400歐姆的取樣電阻后變為0~0.8V的電壓信號，經超低失調運算放大器AD851和數字電位器MCP41010組成的增益可變放大電路后，做二階低通濾波，然后即可進入A/D轉換器進行采樣或進入LM339比較器進行整形。

2.3 A/D轉換器

為保證多功能電力記錄儀各通道采樣數據的同步性及精度，選用了LINEAR公司的LTC1408芯片。LTC1408是一款14位分辨率、6通道同時采樣的A/D轉換器，單3V電源供電，功耗僅為15mW,侮通道吞吐率為100ksps，電壓輸入范圍為0-2.5V或±1.25V，采用三線式串行接口方式。

系統采用0-2.5V輸入范圍，因此電源電路中采用LT1461-1.25芯片產生1.25V電壓基準，為放大電路提供參考，以使正弦信號的幅度在A/D采樣范圍內。

圖2所示為LTC1408芯片的硬件接線圖。圖2中，AINO~AIN5為放大電路輸出的信號，將SEL2-VSELO接高以選擇所有通道進行轉換，BIP接低電平以選擇單端輸入方式，串行口SDO, SCK和CONV與S3C2410的GPG口的高三位相連，以進行轉換控制和數據傳送。

2.4人機接口與信息存儲

為了便于參數設置與體現，系統加入了按鍵和LCD體現器。S3C2410內部含有一個LCD驅動控制器，能自動產生LCD驅動控制所需的控制信號，因此能與TFT型的彩色LCD屏直接連接，不需要外加控制器。本系統采用了3.5寸的320×240型液晶屏。按鍵直接與S3C2410的GPIO相連，采用掃描方式讀取按鍵號。

為了能夠將控制信息及照明管理信息進行存儲與查詢，系統加入了SD卡存儲裝置。由于S3C2410芯片本身帶有SD卡接口，因此只需將SD卡座與S3C2410的SD卡接口直接相連即可實現數據讀寫。

系統軟件設計

S3C2410作為控制核心完成A/D轉換、SD卡讀寫、參數輸入與體現、數據運算、電池電壓檢測等功能，由于軟件較復雜，所以實際編程中嵌入了5C/OS-II實時操作系統。主程序完成S32410時鐘初始化、GPIO初始化、制止初始化、SD卡初始化、SPI接口初始化、PCA初始化、操作系統初始化、任務創建與操作系統的啟動等。

3.1 PC/OS-II實時操作系統

5C/OS-H實時操作系統是真正源碼公開的，采用占先式的實時內核，支持多達56個用戶任務，穩定性和可靠性高，而且移植方便，占用內存小。5C/OS-II實時操作系統中各任務要分配不同的優先級，優先級用數字吐露體現，數字越小其優先級越高。針對本系統中各任務的嚴重性，為各任務分配了表I所示的優先級。

3.2 A/D轉換程序

因為每個周期采集128點，因此使用定時器。實現125.25uS的定時間隔，在定時制止中啟動AID轉換。A/D轉換器采用3線接口，所以要嚴格遵守其時序。其中CONY的上升沿啟動轉換，SCK為讀取時鐘，SDO為數據。完成6個通道的數據轉換和數據讀取需96個時鐘。CONY的上升沿到來后，緊跟著兩個SCK上升沿后即可讀取轉換結果，SCK侮14個上升沿可讀取一個通道的結果，其中高位( D13)在前，低位(DO)在后。CH0通道轉換結果在前，CH5通道轉換結果zui后。過細，每讀取完一個通道結果后要增加兩個SCK上升沿時隙，以保證結果的正確性。

表：多功能電力記錄儀設計系統中任務及優先級

3.3 FatFS文件系統

本系統SD卡內使用了FatFS文件系統，便于用通用讀卡器讀取SD卡內容。FatFS是一種通用的文件系統模塊，用于在小型嵌入式系統中實現FAI，文件系統。因為FatFs模塊完全與磁盤1/O層分開，因此只需要修改部分函數就可以實現底層物理磁盤的讀寫與獲取當前時間，并將FatFS文件系統移植到系統中。

本系統中對一下幾個函數加以修改:

disk initialize:初始化磁盤驅動器，這里是初始化SD卡;

disk status:獲取磁盤狀態;

disk read:讀扇區;

disk write:寫扇區;

disk ioctl:設備干系的控制特性;

get fattime:獲取當前時間。

實驗結論

通過實驗測試表明，采用三星公司的S3C2410高速ARM9處理器能夠實現對交流電侮個周期進行128點的高測量精度采樣。系統能夠實現對電力系統多路電壓、電流多種參數的記錄并保存。