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多功能电力记录仪设计与原理

更新时间:2017年04月07日 所属类别:知识百科 阅读量:

  目前电力系统发生故障时,工作人员很难迅速查找根源,为此设计了基于ARM9的多功能电力记录仪,可以采用间隔或连续方式对电力系统中电压、电流的有效值、频率、相位及波形等进行记录并保存于多功能电力记录仪内存中。若电力系统发生故障,工作人员可以将数据备份到SD卡内的相应时间的数据读入计算机中并进行分析与处理,从而可以快速定位到故障原因,提高检修效率,最终提高经济效益。

  多功能电力记录仪设计以嵌入式处理器S3C2410为核心,结合同步AID转换器和SD卡,设计了多功能电力记录仪设计。可以根据设定模式同时测量并记录最多3通道电压和3通道电流的有效值、频率、相位、波形等电力参数,并存入SD卡保存。通过串行口或通用读卡器将SD卡内数据读入上位计算机即可对某些时间点的电力参数进行分析和处理。给出了系统的硬件组成与软件编制方法。实验表明,本系统测量与记录精度高,数据存储量大,功耗极低,特别适用于电力部门采集电力参数的场合。

硬件组成及原理

  多功能电力记录仪以S3C2410为核心处理器,负责参数运算与全局控制。被测交流电信号经过电流互感器进行隔离后进入取样放大电路,为保证能够对宽范围的信号进行测量,使用数字电位器对信号进行动态放大,使进入A/D转换器的信号在合理范围。整形电路将正弦信号变换为方波,送入处理器的定时器,利用PCA的捕获功能测量频率及相位。硬件系统结构如图1所示。下面就重要部分进行分别介绍。

多功能电力记录仪硬件系统结构图

多功能电力记录仪硬件系统结构图

2.1控制器

  为了保证高测量精度,对交流电每个周期进行128点的采样,并采用14位的A/D转换器,则每秒钟的数据量为2B*128点*6通道*50Hz=75KB,因此数据吞吐量较大,若想做到实时计算和存储,则对多功能电力记录仪的处理器的速度要求很高,普通的单片机无法满足要求。为此,选用三星公司的S3C2410高速ARM9处理器,与电源电路、时钟电路、存储器系统及复位电路共同组成微控制系统。复位电路选用了系统监视复位芯片IMP811S,可提供高效的电源监视功能,确保系统工作正常。

  S3C2410是一款基于ARM920T内核的16/32位RISC嵌入式处理器微处理器,运行的频率可达203MHz,在此基础上扩展了一系列完整的通用外围接口单元,能够提供高性价比的嵌入式解决方案。S3C2410系统外围接口单元包括支持55个中断源的中断控制器,4路DMA控制器,117个通用I/O口,3个可编程波特率的UART, LCD控制器,8路10位A/D转换器,SD卡接口,1个多主机12C总线控制器,2个SPI接口等。

2.2信号处理电路

  被测交流信号通过互感器变为0~2mA的电流信号,经过400欧姆的取样电阻后变为0~0.8V的电压信号,经超低失调运算放大器AD851和数字电位器MCP41010组成的增益可变放大电路后,做二阶低通滤波,然后即可进入A/D转换器进行采样或进入LM339比较器进行整形。

2.3 A/D转换器

  为保证多功能电力记录仪各通道采样数据的同步性及精度,选用了LINEAR公司的LTC1408芯片。LTC1408是一款14位分辨率、6通道同时采样的A/D转换器,单3V电源供电,功耗仅为15mW,侮通道吞吐率为100ksps,电压输入范围为0-2.5V或±1.25V,采用三线式串行接口方式。

  系统采用0-2.5V输入范围,因此电源电路中采用LT1461-1.25芯片产生1.25V电压基准,为放大电路提供参考,以使正弦信号的幅度在A/D采样范围内。

多功能电力记录仪接线图

    图2所示为LTC1408芯片的硬件接线图。图2中,AINO~AIN5为放大电路输出的信号,将SEL2-VSELO接高以选择所有通道进行转换,BIP接低电平以选择单端输入方式,串行口SDO, SCK和CONV与S3C2410的GPG口的高三位相连,以进行转换控制和数据传送。

2.4人机接口与信息存储

  为了便于参数设置与显示,系统加入了按键和LCD显示器。S3C2410内部含有一个LCD驱动控制器,能自动产生LCD驱动控制所需的控制信号,因此能与TFT型的彩色LCD屏直接连接,不需要外加控制器。本系统采用了3.5寸的320×240型液晶屏。按键直接与S3C2410的GPIO相连,采用扫描方式读取按键号。

  为了能够将控制信息及照明管理信息进行存储与查询,系统加入了SD卡存储装置。由于S3C2410芯片本身带有SD卡接口,因此只需将SD卡座与S3C2410的SD卡接口直接相连即可实现数据读写。

系统软件设计

  S3C2410作为控制核心完成A/D转换、SD卡读写、参数输入与显示、数据运算、电池电压检测等功能,由于软件较复杂,所以实际编程中嵌入了5C/OS-II实时操作系统。主程序完成S32410时钟初始化、GPIO初始化、中断初始化、SD卡初始化、SPI接口初始化、PCA初始化、操作系统初始化、任务创建与操作系统的启动等。

3.1 PC/OS-II实时操作系统

  5C/OS-H实时操作系统是真正源码公开的,采用占先式的实时内核,支持多达56个用户任务,稳定性和可靠性高,而且移植方便,占用内存小。5C/OS-II实时操作系统中各任务要分配不同的优先级,优先级用数字表示,数字越小其优先级越高。针对本系统中各任务的重要性,为各任务分配了表I所示的优先级。

3.2 A/D转换程序

  因为每个周期采集128点,因此使用定时器。实现125.25uS的定时间隔,在定时中断中启动AID转换。A/D转换器采用3线接口,所以要严格遵守其时序。其中CONY的上升沿启动转换,SCK为读取时钟,SDO为数据。完成6个通道的数据转换和数据读取需96个时钟。CONY的上升沿到来后,紧跟着两个SCK上升沿后即可读取转换结果,SCK侮14个上升沿可读取一个通道的结果,其中高位( D13)在前,低位(DO)在后。CH0通道转换结果在前,CH5通道转换结果最后。注意,每读取完一个通道结果后要增加两个SCK上升沿时隙,以保证结果的正确性。

多功能电力记录仪系统任务图

表:多功能电力记录仪设计系统中任务及优先级

3.3 FatFS文件系统

  本系统SD卡内使用了FatFS文件系统,便于用通用读卡器读取SD卡内容。FatFS是一种通用的文件系统模块,用于在小型嵌入式系统中实现FAI,文件系统。因为FatFs模块完全与磁盘1/O层分开,因此只需要修改部分函数就可以实现底层物理磁盘的读写与获取当前时间,并将FatFS文件系统移植到系统中。

本系统中对一下几个函数加以修改:

disk initialize:初始化磁盘驱动器,这里是初始化SD卡;

disk status:获取磁盘状态;

disk read:读扇区;

disk write:写扇区;

disk ioctl:设备相关的控制特性;

get fattime:获取当前时间。

实验结论

  通过实验测试表明,采用三星公司的S3C2410高速ARM9处理器能够实现对交流电侮个周期进行128点的高测量精度采样。系统能够实现对电力系统多路电压、电流多种参数的记录并保存。

结束语

  本文所设计的电力参数记录仪具有精度高、速度快、可靠性高、功耗低、容量大等优点,可以对6个交流通道参数和波形进行记录。记录的数据还包含时间信息,读入计算机即可进行特征值分析、谐波分析、序量分析等,可以为工作人员进行故障分析提供依据,从而缩短故障排查时间,提高电力系统维护效率,因此有着良好的推广前景。

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