基于ARM9电能质量监测仪的数据采集

    为了保证电力系统安全、可靠、高效地运行，高质量的电能供给是一项重要的工作。为此，利用便携式电能质量监测仪对电网电能质量参数进行准确地测量。ARM9的主频高、速度快、内存容易扩展，可以运行嵌入式Linux操作系统，为应用程序的设计提供了方便的条件，其开发板所用的处理器是ARM9-S3C2410。基于ARM9-S3C2410的电能质量监测仪的整体结构框图，如图1所示。

 

    由图1可知，该系统的硬件除了已经扩充了存储器的ARM9-S3C2410A核心板外，还包括外围信号调理、键盘及显示等电路，以MAX1324组成的A／D和信号调理电路，是该数据采集的重要内容，文中主要介绍这一部分的硬件和相关软件设计。

1 数据采集的硬件设计
    开发板ST2410的硬件资源丰富，提供了40脚外部扩展接口，通过该接口，可以方便地扩展信号采集等外围电路。信号调理部分电路的具体结构，如图2所示。

 

1．1 信号调理电路
    模拟信号输入前端电路，是利用电压互感器(PT)和电流互感器(CT)，对被采样电压和电流进行隔离和电平转换。一次互感先将电力电网的高压、大电流转换成标准的交流100 V和5 A，二次互感器再将其转换成A／D芯片MAX1324输入所要求的-10～+10 V电平，从而得到电力系统公共连接点的全部原始数据。[page]

    抗混叠滤波器的作用，是将输入信号中的高频分量滤除，以防止被测信号的高频干扰与有用的低频信号发生混叠，影响测量精度。抗混叠滤波采用压控电压源二阶低通滤波器，如图3所示。考虑到本装置需要监测1～50次谐波，要求在50～50×50 Hz频率范围内的幅频特性曲线越平坦越好。

 

1．2 A／D转换
    因为在测量电网的三相不平衡参数时，要用到中性线的电压和电流，虽然从理论上，可以通过相电压和相电流算出中性线的电压和电流值，但是，测量值应该更加接近物理现实。所以，最好同时测量电网中用户公共连接点的三相电压、三相电流和中性线的电压与电流，共计8路模入信号。多路信号的同步采样可以有效克服因通道转换而产生的相差问题，所以A／D应该选用8路同步采样芯片。美信公司的MAX1320和MAX1324都是适合上述设计要求的专用芯片，MAX1324的模入电压范围为±10 V，比MAX1320芯片的输入电压范围宽。在同样干扰和噪声条件下，A／D转换的相对精度会高一些，所以采用MAX1324，它内部集成了8个独立的采样保持器和8通道的多路开关，容易实现8路模拟量的瞬时采集，其转换结果以补码的形式按顺序输出。
    对于一个已经给定转换位数的ADC，它对信号所能离散数据位的电平值是确知的，14位MAX125提供214级的离散电平为2×10 V／214≈1．22 mV，相对分辨率可达±0．025％。在国家谐波测量标准中，对于规定的畸变率，电流的测量精度要求相对高一些，考虑到各种情况，实践亦证明采用14位的ADC是完全可以满足谐波测量的设计要求的。
    电能质量监测仪的ARM处理器芯片S3C2410A内部还带有8通道1O位的A／Dc。根据上述分析可知，10位A／D难以满足谐波监测仪对数据采集的要求，而且该A／DC也不具备同步采样功能。然而在测量电网基波的频率时，国家标准要求对工频的测量精度是50±0．01 Hz，这意味着在一个周期内，要采集50÷0．0l=5 000个点以上，所以A／D转换时间在20 ms／5 000=4μs以下。频率测量对幅值的精度要求并不高，只要能够正常判断正负值即可。ARM芯片内10位A／D的转换速度最高可达500 ksps(2μs)，所以，用以测量电网的基波频率正合适。这样，MAX1324和ARM内的A／DC分别用作谐波和频率测量就各尽所能了。
1．3 MAX1324与处理器S3C2410的硬件接口
    MAX1l324与处理器S3C2410的接口如图4所示，MAX1324的模拟供电电压是5 V，而MAX1324允许的数字供电电压范围为2．7～5．25 V，图中是3．3 V。这样，可以不用电平转换而直接与S3C2410的数字I/O接口相连。

 

    在进行数据采集时，操作过程分为以下3步：(1)首先要将MAX1324的工作方式设置为8个通道的瞬时采样，引脚ALLON接高电平，拉低和时，向数据线D0～D7写入全“1”，这样8个通道就能都被选中，实现同步ADC；(2)拉低ARM的GPAl2端子，使CONVST引脚为低电平，输入信号在采样保持器达到稳定的电平后，再由CONVST的上升沿开始启动A／D，这里的多通道转换是按通道号由低到高的顺序进行，当最后一个通道的转换结束后，所有通道转换结束信号跳变为低电平，转换结果先储存于片内对应的14位×8的SRAM中；(3)读取模数转换结果数据，其方式有两种：一种是查询方式，MAX1324的引脚接到S3C2410的一个I／0引脚上，S3C2410启动A／D转换后，不断地查询这个I／0引脚是否为低电平，以判断转换是否结束，然后再依次读取转换后的数字信号；另一种是中断方式，MAX1324的引脚直接接到S3C2410的一个外部中断引脚上，一旦转换结束，则向S3C2410申请中断，S3C2410就会进入中断服务程序，依次读取MAX1324转换后的数据。为了提高CPU的使用效率，采用中断方式，图4中MAX1324的引脚接到S3C2410的外部中断EINT3的引脚上。当A／D数据转换结束后，就会向S3C2410的EINT3发出低电平，当EINT3引脚为低电平时，就会先后向MAX1324的引脚发出8个读脉冲，控制选通引脚分时读取MAX1324转换后的8个通道ADC数据。[page]

2 接口驱动
    设备驱动程序的任务包括自动配置和初始化子程序，负责检测所要驱动的硬件设备是否能正常工作。如果该设备正常，则对这个设备及其相关的设备驱动程序需要的软件状态进行初始化。
Linux下的设备驱动程序被组织为一组完全不同任务的函数的集合。编写A／D驱动，主要完成对A／D器件控制寄存器和数据寄存器的open0，closeO，read0，writeO等的操作，并在file_operations中注册。
static struct file_operations adcmax1324_fops={
open：ademaxl324_open，
ioctl：adcmaxl324_ioctl，
read：adcmaxl324_read，
write：ademaxl324_write，
release：adcmaxl324_release，
}
下面介绍其中几个重要的函数：
(1)adcmaxl324_write函数：调用该函数，通过双向数据线DATAO～DATA7向MAX1324写人数据OxOOFF，把MAX1324设置成8通道同时转换的模式；(2)ademax1324_ioctl函数：Ioctl函数跟踪信号，启动A／D转换；(3)adcmax1324_read函数：read函数把中断处理函数中读到的数据发到用户程序。
    最后在init()中完成初始化工作。包括注册设备驱动程序和申请系统资源。在编写驱动程序时通常编写成模块的形式，在模块加载时调用初始化函数module_init()，在卸载时调用卸载模块函数module_exit()。

3 结束语

 

    文中实现了基于ARM9的电能质量监测仪数据采集的设计。介绍了硬件电路及其相关软件，经实验测试，基于MAX1324ECM的上述数据采集电路，实测准确度可以达到±0．5％，实验结果如表1所示，因此MAX1324ECM完全适用于电能质量监测中的数据采集。