Vol.30 No.2
April 2013
安 ½ 工 业 大 学 学 报(自然科学版）
J. of Anhui University of Technology
（Natural
Science)
第
30
卷 第
2
期
2013
年
4
月
文章编号：
1671-7872(2013)02-0169-05
基于
ARM9
的电½质量远程监测系统
程竹明，
章家岩，
从宏寿
(安½工业大学
电气信息学院，
安½ 马鞍山
243032)
摘要：
电½质量的在线实时监测在电½质量管理中起着重要的½用。设计
1
种基于
ARM9
微处理器的电½质量远程监测系统，
系统由电½质量监测终端、
GPRS
通信½络、
电力中心上½机系统三部分构成。采用双处理器结构，
其中
DSP
½为协处理器主
要完成电½质量相关参数的在线计算及处理，
ARM9
½为主处理器完成资源管理与数据存储等；
利用
GPRS
½络实现监测终端
与上½机之间的数据传输。给出了系统的硬、
½件设计方案。测试结果表明，
该系统½够满足电½质量远程监测的需要，
可以
为电½安全管理提供重要的数据参考。
关键词：
电½质量；
ARM9；
GPRS；
嵌入式系统
中图分类号：
TP273
文献标志码：
A
doi:10.3969/j.issn.1671-7872.2013.02.015
Power Quality Remote Monitoring System Based on ARM9
CHENG Zhuming，
ZHANG Jiayan，
CONG Hongshou
(School of Electrical Engineering & Information, Anhui University of Technology, Ma'anshan 243032, China)
Abstract：
Real-time and on-line monitoring is very important for improving power quality. A remote monitoring
system of power quality based on ARM9 is designed, which consists of power quality monitoring terminal, GPRS
network and computer of power center. The dual CPU construction utilizes DSP to calculate the power quality
parameter，
ARM9 to actualize the management and storage, and GPRS to monitor the data transmission between
monitoring terminal and supervising computer. The design scheme of hardware and software is introduced.
Testing results indicate that this system can satisfy the need of power quality remote monitoring, and may produce
the important data references for the safety management of power grid.
Key words：
power quality; ARM9；
GPRS；
embedded system
电力系统中除电弧炉、
½钢机等非线性、
冲击性和波动性负荷的用电设备外，
许多电器设备½用的是开关
电源，
致½电力线路上产生谐波污染，
严重½响供电质量，
给电力系统安全运行带来直接的或½在的危害
[1-2]
。
½然我½先后出台了六部关于电½质量的标准，
½是对电力线路谐波的治理并不是很完善，
对众多的谐波污染
源没有进行必要的约束，
电½质量较差
[3]
。因此，
有必要在一些重要线路或用户端设½监测点，
对电½质量进行
在线实时监测。目前，
对电½质量的监测主要有
2
种方案：
一是在电½特殊节点或用户端利用电½质量监测仪
进行临时的在线监测，
数据就地指示而不½远传；
另一种是利用无线电、
电话线、
½压电力线½½波等通信½络进
行远程传输，
存在连接速度慢、
传输速率受限、
费用较高等问题。针对以上情况，
文中基于
ARM9
和
DSP
双处理
器结构，
利用
GPRS
实现高效远程数据传播，
设计
1
种电½质量远程监测系统，
为电½质量的改善和电力系统故
障诊断提供一定的参考依据。
收稿日期：
2013-04-08
基金项目：
安½高校省级自然科学研究项目(KJ2009B058Z)；
安½工业大学青年教师科研基金资助项目(QZ200816)
½者简介：
程竹明(1975-)， 安½怀宁人，
男，
讲师，
研究方向为嵌入式系统及应用。
170
安½工业大学学报
（自然科学版）
2013
年
1
系统结构和功½
系统采用
32
½
ARM9
微处理器和
DSP(ARM9)构成电½质量监测终端，
AKM9
实现多任务管理， 进
DSP
行数据采集与处理；
利用
GPRS
½络实现数据的远传。系统采用模块化设计方案，
由电½质量监测终端模
块、
GPRS
通信½络、
电力中心上½机三部分构成。其总½结构如图
1
所示。
电½质量
监测终端
电½质量
监测终端
GPRS
模块
GPRS
模块
GPRS
½络
路由器
Internet
电力中心
上½机
电½质量
监测终端
GPRS
模块
图
1
系统结构图
Fig.1 Structure diagram of the system
监测终端模块按照需求安装在电½主干线路或用户端，
完成对电½数据的采集以及电½质量参数的分
析处理。GPRS ½络是电力中心上½机与监测终端之间数据传输的桥梁。上½机完成各监测终端的数据接
收、
统计分析等任务，
并可以响应用户的请求,将
Web
服务器返回的
html
格式文件显示给用户
[4]
。将上½机½
为½络的服务器端，
指定固定的
IP
和端口号，
监测终端只需要接入
Internet，
具备公½动态分配的
IP
地址即
可。监测终端接入
Internet
后,向上½机发送数据进行连接。½连接通道建立以后，
上½机和监测终端间进行
全双工数据传输。
2
系统硬件设计
系统硬件电路设计主要集中在监测终端上，
包括数据采集与处理部分硬件电路、
主协处理器接口电路、
ARM
主处理器外围扩展电路以及电源管理电路等。考虑到系统在
1
个周波内对数据的采样点较多、
数据计
算量大，
采用以
ARM9
为主处理器、
TMS320VC5402 DSP
芯片为协处理器的双
CPU
模式，
利用
DSP
进行信号
采集以及电½质量参数计算与处理，
ARM9
实现多任务操½，
完成数据存储、
显示和远传等任务。
系统监测终端总½硬件结构如图
2
所示。电½三相电压、
电流经一级电压互感器、
电流互感器变换为标
准的
100 V
电压和
5 A
电流，
然后经过
SPT204B
超小型精密电压互感器和
YXLB5A
超小型精密电流互感器
变为
0~2 mA
的微电流，
利用差分电平放大电路将其½换为-5½＋5
V
的电压信号。对于
50 Hz
工频信号，
根
据奈奎斯特½样定理，
若要检测到
32
次谐波，
采样频率应大于
3 200 Hz，
即在
1
个工频周期内每个通道至少
要采样
64
点, 因此通过二阶½通抗混叠滤波器滤除
32
次以上谐波信号， 路信号输入到
A/D
½换器进行模数
6
½换。三相电压信号经过½通滤波器和方波½换电路，
得到
1
个与输入同频率的方波信号进入选相电路，
选
相电路完成
A， C
三相的相别选择。频率测量电路的输出一路将频率测量结果送到
DSP
进行保存，
B，
另一路
通过锁相倍频电路产生
64
倍的锁相倍频信号，
该信号与
DSP
的采样控制输出实现或运算，
且控制
A/D
½换
器进行同步采样。
A/D
½换器采用
ADS8364，
通道
16
½分辨率，
6
具有同步采样功½的模数½换器，
每路自带采样保持器，
不 需 附 加 电 路 便 可 以 保 证 各 通 道 数 据 采 集 的 同 步 性 ， 用 于 电 力 系 统 数 据 采 集
[5]
。
ADS8364
与
适
TMS320VC5402
之间的接口如图
3，
ADS8364
三根地址线的接线方式为
A1=A2=1，
A0=0，
即设定
A/D
½换结
果的读取模式为循环方式；
TMS320VC5402
的时钟信号
CLKOUT
与
CLK
相连，
经过分频后给
ADS8364
提供
- -- --- ------ ------
通过或门与
TMS320VC5402
的
TOUT0
以及
PLL
的倍频输
---- - - ----- - ----- -
时钟信号； 个保持信号
HOLDA HOLDB HOLDC
3
--
-
-
出信号相连，
保持
6
个通道的
A/D
采样同步；
片选
CS
通过逻辑器件同
TMS320VC5402
的
A18，
以及
A19
------
相连；
- --
与
TMS320VC5402
的外部中断输入引脚
- ---
连接，
----- -
- -
-
将
EOC
BYTE
引脚接½电平，
½换器自动
MSTRB
INT0
- --
-- -
对
6
个通道进行采样， ½换结束后结果保存在
6
个寄存器中，
A/D
此时
EOC
管脚输出半个时钟周期的½电平
第
2
期
程竹明等：
基于
ARM9
的电½质量远程监测系统
171
脉冲½为½换结束的中断信号，
从而启动
DSP
读数据的操½，
½换结果以
16
½并按从
A0
到
C1
的顺序的方
-
-
- - --
式输出；
TMS320VC5402
通过½
A/D
½换器的
--
和
CS
为½电平就可以读出数据。
RD
LCD
电½三
相电流
电流
互感器
电½三
相电压
电压
互感器
信号调
理电路
信号调
理电路
I
A
I
B
I
C
U
A
U
B
U
C
A/D
½换
电路
DSP
处理器
双口
RAM
ARM9
处理器
FLASH
SDRAM
JTAG
50 Hz
½通
滤波器
或门
选相电路
锁相倍
频电路
频率测
量电路
GPRS
图
2
监测终端硬件结构框图
Fig. 2 Schematic diagram of monitoring terminal
3.3 V
ADS8364
+5 V
TMS320VC5402
BV
DD
AV
DD
A1
A2
- --
--
-
WR
- -----
-
HOLDA
- ----
-
-
HOLDB
- ----
-
-
HOLDC
DV
DD
+
TOUT0
PLL
1B
A19
--
--
RD
---
---
EOC
CS
--
1Y0
1A
-
1G
- ----
---- -
MSTRB
INT0
A18
---
-- -
-
R/ W
ADD
BYTE
A0
- ----
- -- -
-
RESET
CLB
CLKOUT
XF
D0~D15
V
ss
D0~D15
BGND
图
3 ADS8364
与
DSP
接口电路
Fig. 3 Interface circuit between ADS8364 and DSP
由于单靠
HPI
接口难以满足
ARM9
与
DSP
之间大量的实时数据传输，
为此采用
1
片较大容量的双端口
RAM IDT7025
来完成传输任务。双端口
RAM
具有
2
套独立的数据、
地址、
控制总线，
可以分别与
ARM9
和
DSP 2
个处理器接口，
通过这片外公共存取空间
ARM9
和
DSP
就可以方便地进行数据交换
[6]
。
设 计 中 以
S3C2410
为 处 理 器 的 系 统 外 围 扩 展 了
1
片
K9F1208U0M NAND FLASH
存 储 器 ， 量 为
容
64 MB×8 bit，
带有硬件数据保护以及支持上电自动引导功½；
SDRAM
选用
2
片
HY57V561620，
单片存储容
量为
32 MB，
可满足内核的运行及各种复杂功½运行的要求；
S3C2410
的
UART
单元提供了
2
个独立的异步
串行
I/O
口，
设计中利用串口
0(COM1)进行系统开发和调试，
串口
1(COM2)通过电平½换芯片 MAX232C
与
172
安½工业大学学报
（自然科学版）
开始
程序装½½
系统初始化
开中断
2013
年
SIMCOM
公司的
SIM100-E GPRS
模块进行连接，
它是
1
款内½
TCP/IP
和
PPP
协议的模块, 不需要移植
TCP/
IP
协议就可以利用
GPRS
服务与终端建立连接、
传输
数据；
LCD
触 摸 屏 采 用 东 华
3.5
英 寸
TFT
液 晶 屏
WXCAT35-TG3#001F，
可以直接和
S3C2410
的触摸屏
驱动电路连接，
触摸½½用
CPU
内½的
ADC
电路采样
获取。
3
系统½件设计
数据采集
系统½件由
DSP
数据采集与处理½件、
ARM9
嵌
数据运算与处理
入式系统½件以及上½机½件三部分组成。
3.1
数据采集与处理½件设计
数据存储
主程序由数据采集中断服务程序和数据运算与处
理子程序以及数据存储子程序构成。DSP 在系统加电
N
是否结束？
启动后，
完成系统初始化和
ADS8364
初始化并开放中
断，
然后以
CPU
干预方式来启动并控制
ADS8364
进行
Y
A/D
采样；
ADS8364
接收到½令后开始对
6
个通道进
结束
行数据采样，
1
个周期波内
6
个通道分别采样到
64
½
图
4
主程序流程图
点数据时即完成了
1
次完整的采样过程，
此时通过外
Fig. 4 Flowchart of main program
部中断方式通知
DSP
进行数据读入；
DSP
接收到中断
信号后关闭外部中断进入中断服务程序进行读数据操
开始
½，
并存放到指定地址空间；
完成该组数据的采集工½
后
DSP
打开中断并返回主程序，
调用数据运算与处理
模块初始化
子程序对采集到的离散信号进行电压和电流有效值、
电压偏差、
有功功率、
无功功率、
视在功率、
功率因数、
打开
GPRS
连接
三相不平衡度、
频率及偏差等基本电½参数的运算，
并
通过
FFT
运算实现其频域内的基波和各次谐波分量的
N
数值计算；
数据计算完成后，
调用数据存储子程序将数
连接成功？
据存储到双口
RAM
中并以外部中断方式通知
ARM9
Y
及时读取。DSP 在执行数据运算与数据存储的过程
进行通信协商
中，
一旦接收到
ADS8364
触发的中断信号，
立即将数
据压栈保护并执行数据采集任务，
采集完退出中断并
N
协商成功？
恢复堆栈，
继续执行被中断的任务。DSP 主程序流程
Y
如图
4
所示。
3.2 GPRS
数据传输½件设计
数据传输
AMR9
主处理器½件在嵌入式
Linux
操½系统平
台下开发，
GPRS
数据传输½件流程如图
5
所示。首先
结束
进行硬件初始化，
½用
open()½数打开串口，
获取其文
图
5 GPRS
数据传输流程图
件描述符
fd_com，
结构½
struct termios
用来设½串口
Fig. 5 Flowchart of data transfers by GPRS
的属性，
属性包括输入、
输出、
控制和本地模式，
以及串
口的输入输出速度等；
串口设½完成后，
就可通过发送
AT
指令来设½
GPRS
模块的一些属性，
打开
GPRS
功
½；
实现通信协商是整个½件实现的核心部分，
涉及到
PPP
协议的
2
次协商
LCP
和
NCP
以及
1
个认证阶段
PAP
的实现，
而且在与
GGSN
通信的数据收发过程中，
还需要
FSM
的协助；
通信协商完成后，
开始进行有效数
据的发送，
这部分涉及到自定义报文协议，
½报文按照既定格式进行打包和解包
[7-8]
。
第
2
期
程竹明等：
基于
ARM9
的电½质量远程监测系统
173
3.3
上½机½件设计
监测画面的设计采用
Visual Basic6.0
语言；
数据库采用
Access
½件。VB 编制的界面窗口通过
ADO
访问
Access
中的数据，
并以曲线和表格的½式显示各监测终端的状态与电½质量参数。
4
测试结果与分析
利用
DK-51
三相程控标准测试源对设计的监测终端进行相关测试，
给定的三相电压分别为
220，
200，
190 V，
三相电流均为
5 A，
频率为
50.000 Hz，
加入
11
次谐波干扰，
谐波幅度为
10%，
部分测试数据如表
1。从
表
1
可以看出，
该系统测量精度较高，
在三相电压测试中最大绝对误差为
0.232 V，
相对误差小于
0.2%；
频率
测量绝对误差均为
0.013 Hz；
½够准确地测量出电压谐波畸变率和各次谐波含量，
可以满足½家电½质量标
准对电½电½质量监测的要求。
表
1
测试数据
Tab. 1 Testing data
相别
A
相
B
相
C
相
有效值
电压/
V
220.143
199.768
190.165
电流/
A
4.986 5
4.975 7
4.970 1
有功功
率/W
955.674
883.402
832.814
无功功
率/VAr
539.127
447.185
445.490
视在功
率/VA
1 097.713
990.364
944.228
功率因数
0.871 5
0.890 8
0.884 2
电压谐波
畸变率/%
9.967
10.168
9.935
3
次
0.201
0.213
0.220
谐波含量/%
5
次
0.325
0.114
0.128
7
次
0.209
0.002
0.128
11
次
9.789
10.082
9.916
频率/Hz
50.013
50.013
50.013
5
结
语
采用
ARM
和
DSP
双处理器结构设计的电½质量远程监测系统，
利用
DSP
处理器适用于大量数据运算
的特点，
在监测系统中进行电½质量基本参数的计算以及各次谐波的分析与处理，
减½了
ARM9
主处理器的
负担，
为系统的实时性要求提供支持；
系统利用
GPRS
½络实现无线数据传输，
可节省数据传输的费用，
而且
便于在偏远地区布½监测点。测试结果表明该系统可为电½的日常监控管理提供比较准确的参考数据。
参考文献：
[1]
朱桂萍, 王树民. 电½质量控制技术综述[J]. 电力系统自动化，
2002, 26(19):28-31．
[2]
陈乐柱, 孟樱, 高绪松. 一种新型的电½无功补偿及谐波抑制技术[J]. 安½工业大学学报：
自然科学版，
2006, 23(3):298-301.
[3]
肖湘宁, 韩民晓, 徐永海， 电½质量分析与控制[M]. 北京：
等.
中½电力出版社，
2004:19-22．
[4]
韩绍甫, 杜树新. 电½质量监测系统设计及实现[J]. 电力自动化设备，
2006, 26(4):80-83．
[5]
柏玉峰, 靳斌, 刘晓飞.
ADS8364
在高精度电½质量分析仪中的应用[J]. 中½仪器仪表，
2006(1):68-70．
[6]
曹晓琳, 吴平, 丁铁夫. 一种基于
ARM
和
DSP
的通讯系统终端设计[J]. 电子器件，
2005, 28(2):428-431．
[7]
管耀武, 杨宗德.
ARM
嵌入式无线通信系统开发实例精讲[M]. 北京：
电子工业出版社，
2006:321-349．
[8]
张新成, 李庆亮, 吴祖林.
GPRS
在电½质量实时监测系统中的应用[J]. 微计算机信息，
2006, 22(6/1):132-134.
责任编辑： 莉
½
京公网安备 11010802033920号
Copyright © 2005-2024 EEWORLD.com.cn, Inc. All rights reserved
评论