陳曉娟,鞏永穩(wěn)

(東北電力大學(xué)信息工程學(xué)院,吉林 吉林 132012)

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基于138平臺的電能質(zhì)量檢測系統(tǒng)設(shè)計*

陳曉娟*,鞏永穩(wěn)

(東北電力大學(xué)信息工程學(xué)院,吉林 吉林 132012)

摘要:現(xiàn)有的電能質(zhì)量檢測系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)采集量和處理量大,實時性要求高等特點,并根據(jù)電力行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀,結(jié)合生產(chǎn)實際需求,提出了基于138平臺+FPGA的分布式控制結(jié)構(gòu)。以138平臺為核心,充分發(fā)揮OMAPL-138平臺DSP+ARM雙核的優(yōu)勢,實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速率處理,通過FPGA實現(xiàn)通信協(xié)議的拓展,完成不同通信協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換,整體設(shè)計提高了系統(tǒng)的實時性和數(shù)據(jù)處理能力。該平臺具有質(zhì)量良好,穩(wěn)定性好,具有一定的推廣前景。

關(guān)鍵詞:電能質(zhì)量檢測;OMAPL-138平臺;KSZ8041;linux

近幾十年來,我國的現(xiàn)代電力系統(tǒng)得到了迅速的發(fā)展,規(guī)模不斷擴大,用電緊張的情況得到了根本性解決,因此人們把電能質(zhì)量檢測的相關(guān)問題提上了日程。隨著工業(yè)與科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,整流器、變頻調(diào)速器、電弧爐等電力電子設(shè)備的廣泛應(yīng)用,各種沖擊性、非線性、波動性負載也大量增加,使電網(wǎng)受到不同成度的沖擊,出現(xiàn)諸如電壓閃變、波形畸變和凹陷等問題。并且一些工業(yè)用戶,特別是自動化程度較高的,對電能質(zhì)量問題特別敏感,任何電能質(zhì)量問題都將導(dǎo)致產(chǎn)品的質(zhì)量下降,甚至是工業(yè)作業(yè)的停止,給用戶造成不可估量的損失[1-2]。在以上背景下,提出了基于OMAPL138平臺+FPGA分布式結(jié)構(gòu)的軟件系統(tǒng)和硬件平臺監(jiān)測系統(tǒng)。通過人機交互界面實現(xiàn)對監(jiān)測點的電能質(zhì)量的實時監(jiān)測、處理、分析和存儲。并且通過以太網(wǎng)將監(jiān)測的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)上傳到上位機,進行集中分析和處理。使工作人員全面了解電網(wǎng)運行狀況。

1　電能質(zhì)量檢測系統(tǒng)整體設(shè)計

將一定數(shù)量的數(shù)據(jù)采集點合理布設(shè)于監(jiān)測環(huán)境,使用光纜傳輸數(shù)據(jù)采集信號,經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換模塊,轉(zhuǎn)換為電信號。整個系統(tǒng)以O(shè)MAPL138為核心處理器,依靠138平臺強大的高速運算能力實現(xiàn)電網(wǎng)電能質(zhì)量的在線監(jiān)測,具有成本低、集成度高、實時性好等特點。且具有高性價比及市場競爭力,適合實際工業(yè)產(chǎn)品的開發(fā)。

整個系統(tǒng)有主處理器模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、液晶顯示、觸摸模塊、通訊接口模塊和電源模塊組成,如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)框圖

圖2　AD7658_1電路連接圖

各個模塊的功能實現(xiàn):

(1)主處理器模塊:主處理器模塊是整個系統(tǒng)的中心,負責(zé)整個系統(tǒng)的各個模塊的控制、管理等工作,并完成電能質(zhì)量檢測算法程序的運行;

(2)數(shù)據(jù)采集模塊:負責(zé)采集電網(wǎng)的頻率、三相基波電壓、電流有效值、基波無功功率、有功功率、相位、功率因數(shù)、三相電壓不平衡度、頻率偏差、電壓偏差、負序電壓電流、三相電流不平衡度、電壓、電流的總諧波畸變率、各次諧波含有率、相位、幅值等電能質(zhì)量參數(shù)的測量,是電能質(zhì)量分析的數(shù)據(jù)源;

(3)數(shù)據(jù)存儲模塊:存放文件系統(tǒng)、引導(dǎo)程序、linux內(nèi)核,同時也是系統(tǒng)工作時數(shù)據(jù)存儲單元;

(4)液晶顯示觸摸屏:經(jīng)過運算得出的實時電能質(zhì)量監(jiān)測結(jié)果通過液晶顯示屏顯示,完成人機交互,并把操作指令轉(zhuǎn)換為電信號傳輸給主處理器;

(5)通訊接口模塊:實現(xiàn)與上位機的通訊的常用接口,如:網(wǎng)絡(luò)接口、USB、串行接口等,本設(shè)計也連接了SD卡、SATA,完成數(shù)據(jù)的靜態(tài)存儲,通過EMIFA與FPGA的連接實現(xiàn)雙口RAM,使用SPI、UPP、MCBSP與FPGA相連,通過FPGA完成的通信協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換;

(6)電源模塊,為整個系統(tǒng)供電。

2　部分硬件電路圖

2.1數(shù)據(jù)采集模塊

三相電流電壓經(jīng)過電流互感器和電壓互感器,對采集的電壓和電流進行變換,并傳送給A/D轉(zhuǎn)換模塊。A/D芯片的選擇就顯得至關(guān)重要,本設(shè)計中選用AD7658-1芯片[3]。AD7658-1芯片內(nèi)置了6個16 bit/14 bit/12 bit、快速、低功耗逐次逼近型ADC,并集成到一個封裝里,吞吐速率為250 ksample/s,內(nèi)置低噪聲、寬帶寬采樣保持放大器,可以處理4.5 MHz的輸入頻率。轉(zhuǎn)換過程與數(shù)據(jù)采集利用CONVST信號和內(nèi)部振蕩器進行控制。3個CONVST引腳(CONVST A、CONVST B、CONVST C)3對ADC獨立地同步采樣。AD7658-1電路原理圖如圖2所示。

2.2網(wǎng)口和串口模塊

本設(shè)計的網(wǎng)絡(luò)接口采用光口和電口兩種形式,光口采用AVAGO公司的AFBR 5803 AQZ光電模塊,電口使用RJ45,PHY芯片均采用KSZ8041FTL物理層芯片,把AFBR 5803 AQZ光電模塊的傳輸方式設(shè)置成RMII格式,連接到FPGA上。電口RJ45直接連接到138平臺上,使用MII傳輸方式。串口的連接方式使用DB9,物理層芯片使用MAX3232。通過這種接口,可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理模塊與上位機的互聯(lián)[4-5]。光口和串口電路原理圖如圖3所示,電口電路原理圖如圖4所示。

2.3電源模塊

由于FPGA的電源需求為1.8 V和3.3 V,各個模塊電壓供應(yīng)設(shè)置為5 V。138平臺的需求電壓為1.2 V、1.8 V和3.3 V。所以本設(shè)計電源模塊選擇了TPS65251RHAT[6]。全局供電為5 V,電源原理圖如圖5所示。

138內(nèi)核上電順序的要求,使得本設(shè)計控制電源的上電順序成為本電源設(shè)計的關(guān)鍵,由圖可知,本模塊的上電順序為首先上電為5 V,且依次經(jīng)過電壓變換芯片啟動3 V、+1.2 V、+1.8 V、3.3 V,啟動順序不能更換。3 V對U57供電,+1.2 V對U20供電。

圖3　光口和串口電路原理圖

圖4　電口電路圖

圖5　電源電路圖

3　軟件系統(tǒng)平臺

軟件平臺是開發(fā)各種應(yīng)用程序和驅(qū)動程序的基礎(chǔ),包括嵌入式linux系統(tǒng)軟件和主機軟件兩大部分。本設(shè)計的嵌入式linux系統(tǒng)軟件需要完成Uboot移植、UBL移植、文件系統(tǒng)的建立、linux內(nèi)核移植等4個部分[7-8]。

3.1138平臺的啟動過程

138平臺的啟動過程與其他的單DSP或ARM核芯片不同,它采用了多級Uboot[9]。采用了常用的啟動途徑,即從板載的NANDFLASH啟動,其啟動過程如圖6所示。

圖6　138平臺的啟動框圖

OMAPL-138啟動時默認的ARM核休眠,DSP核工作。所以DSP首先啟動,從片內(nèi)L2 ROM處讀取TI已經(jīng)固化好的僅DSP核可以訪問的RBL。RBL初始化之后,通過PSC模塊使能ARM核,休眠DSP核。

3.2操作系統(tǒng)的搭建和移植

板級支持包是主板硬件和操作系統(tǒng)連接的橋梁,主要工作是支持操作系統(tǒng),使能夠很好地運行于硬件主板。設(shè)備驅(qū)動的設(shè)計和開發(fā),包括數(shù)據(jù)采集模塊、觸摸屏顯示模塊、通信模塊等設(shè)備的驅(qū)動。面向應(yīng)用程序和驅(qū)動提供友好的靈活的接口,方便使用。

3.3數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計

數(shù)據(jù)采集模塊是整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來源,是系統(tǒng)比較重要的部分,其驅(qū)動的穩(wěn)定性和高效性是整個系統(tǒng)的重要因素,其工作流程如圖7所示。

圖7　工作流程圖

圖8　layout電路圖

4　電路圖和實物圖

圖8為使用layout繪制的電路圖,圖9為已經(jīng)調(diào)試完成的實物圖,電路調(diào)試完畢,能正常完成理論設(shè)計所需求的工作。

圖9　實物圖

5　測試數(shù)據(jù)

頻率(輸入電壓為57.74V,選擇裝備B相數(shù)據(jù)),誤差值在0.002 V～0.009 V之間,測量數(shù)據(jù)如表1所示。

表1　頻率分析

基波電壓(頻率為50Hz,選取A、B、C三相數(shù)據(jù))測量數(shù)據(jù)如表2所示,測得值與所加的電壓誤差值較小。

表2　基波電壓測量數(shù)據(jù)

基波電流(頻率為50Hz,選取A、B、C三相數(shù)據(jù))測量數(shù)據(jù)如表3所示,測得值與所加的電流誤差值較小。

表3　基波電流測量數(shù)據(jù)

6　結(jié)束語

基于138平臺的雙核處理器,完成了電能質(zhì)量檢控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn),相比于以往的采用DSP、ARM和FPGA或單片機單純的結(jié)合,性能要好的多,充分發(fā)揮了DSP的強大運算能力和ARM核的控制能力,使系統(tǒng)的功能更加強大,分工更加明細。實現(xiàn)的監(jiān)控系統(tǒng)的良好運行。本設(shè)計的核心模塊也可應(yīng)用于其他監(jiān)測領(lǐng)域,具有廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻:

[1]汶瑞建.基于ARM的電能質(zhì)量檢測裝置硬件系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D].電子科技大學(xué),2012.

[2]張云,王艷君.基于DSP和ARM的嵌入式電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)[J].微計算機信息,2008,24(2):170-172.

[3]朱維鈞,周有慶,王優(yōu)優(yōu).AD7656及其在電力系統(tǒng)測控中的應(yīng)用[J].電工材料,2007(2):47-50.

[4]曹理發(fā),尹勇,劉恒輝,等.基于ARM和DSP的視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].電子器件,2009,32(1):213-217.

[5]孫智濤,王振臣,焦敏.基于ARM的汽車防盜系統(tǒng)的設(shè)計[J].電子器件,2009,32(1):122-125.

[6]王拾亦,閏學(xué)文.基于ARM與SD卡的嵌入式存儲系統(tǒng)研究與設(shè)計[J].信息化研究,2009,35(4):61-64.

[7]馬秀娟,考麗,趙國良.基于FPGA和DSP的高速數(shù)據(jù)采集實時處理系統(tǒng)的設(shè)計[J].電子器件,2007,30(3):2009-2013.

[8]查婧,劉波,曹劍中.Linux內(nèi)核在S3C2440上移植的方法[J].電子器件,2009,32(4):843-845.

[9]吳萌,劉波.U-Boot分析與移植到Y(jié)LP2410開發(fā)平臺的方法[J].電子器件,2009,32(4):836-839.

陳曉娟(1970-),女,漢族,吉林省吉林市人,東北電力大學(xué)信息工程學(xué)院教授,博士學(xué)位,主要研究方向為模擬電路故障診斷以及電力線通信cxj_neiep@126.com;

鞏永穩(wěn)(1985-),男,漢族,吉林省吉林市人,東北電力大學(xué)信息工程學(xué)院碩士生,研究方向為電能質(zhì)量檢測,ggyyww1986@163.com。

TheDesignaboutthePowerQualityDetectionSystemBasedon138Platform*

CHENXiaojuan*,GONGYongwen

(Information Engineering College Northeast Dianli University;Jilin Jilin 132012,China)

Abstract:Power quality detection system has the features about the characteristics of huge data acquisition and processing,and the high real-time requirement and so on,and according to the status of power industry development,combined with the actual production requirements,made the distributed control structure based on 138 platform+FPGA,the 138 platform as a core,full played the advantage of OMAPL-138 platform DSP+ARM double nuclear,achieved the data of high-speed rate processing,through FPGA achieved expansion about communications agreement,completed the conversion between different communications agreement,Integrated design system improved the real-time and the capabilities of data processing.The platform has a good quality,good stability,and has a certain promotion prospects.

Key words:Power Quality Detection;OMAPL-138 platform;KSZ8041;linux

doi:EEACC:814010.3969/j.issn.1005-9490.2014.05.041

中圖分類號:TM933.4

文獻標識碼:A

文章編號:1005-9490(2014)05-0991-05

收稿日期:2013-10-09修改日期:2013-10-29

項目來源:國家自然科學(xué)基金(61271115)