專利名稱：基于雙cpu的分布式電能質量在線監測儀的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及電能質量監控技術，特別是涉及一種基于DSP和 ARM雙CPU的分布式電能質量在線監測儀設計技術。
技術背景在電能質量監測儀的設計開發領域，主要存在兩類設計方案一 類為基于嵌入式平臺的設計方案，包括單片機、DSP以及ARM;另一類為基于工控機的設計方案。基于單片機的監測儀在數據快速分析、管理軟件智能化等多方面存在缺陷；基于DSP的監測儀雖具有快速的 數據處理能力，但管理軟件開發的難度大，效率低；基于ARM的監 測儀可以運行嵌入式操作系統，擅長于上層管理軟件的開發設計，但 數據信號處理能力欠缺；基于工控機的監測儀利用硬盤存儲數據，工 作可靠性不高，且體積大不易攜帶，價格較昂貴。為克服現有技術的上述缺點，中國專利第200720052102.3號公布 了一種基于雙CPU模式的便攜式電能質量監測分析儀，包括數據采集 器ADS8364、同步采樣鎖相環電路、數字信號處理器DSP模塊、ARM 模塊和TFT液晶顯示觸摸屏；所述提供6路采樣通道，實現對各電能指標的采集的數據采集器 ADS8364與同步采樣鎖相環電路電連接，所述的數據采集器ADS8364 通過數據線與數字處理器DSP模塊電連接；所述的數字處理器DSP模塊通過串行通訊接口 SCI-A與ARM模 塊連接；實現對DSP計算結果的分析及顯示ARM模塊與TFT液晶顯示觸 摸屏電連接，ARM模塊把從數字信號處理器DSP中接收到的數據傳 送給TFT液晶顯示觸摸屏加以顯示，所述TFT液晶顯示觸摸屏通過 鼠標或手觸摸操作實現對各電能指標的査看。但是由于其雙CPU間大多采用串口連接，無法實現芯片之間大數 據量高速傳輸，DSP采集的大量電能質量實時數據和計算結果數據無 法實時傳送到ARM中；而且只提供以太網通信接口用以遠程通信，在用于組建分布式的 在線電能質量監測系統時，由于布置的監測儀數量大、分布廣，建設 通信網絡的成本高昂；再則ARM機一般采用pCOS/II或Lunk作為操作系統管理軟件 的開發平臺，前者過于簡單難以實現復雜功能，后者不易操作使系統 開發周期延長。 發明內容本實用新型的目的在于，針對現有產品和技術中的不足，提供一 種能對監測點實施就地或分布式的在線組網監控，能實時提供電壓、 電流、頻率、功率因素、有功功率、無功功率等基本電力參數，能對 電力系統的諧波、三相不平衡度、電壓波動和閃變等電能質量指標進 行精確測量、計算、分析、統計、告警，并具有事件記錄、故障錄波， 遠程通信等復雜功能，能將DSP的數據實時傳送至ARM中，通信網 絡成本低廉、操作系統友好的基于DSP和ARM雙CPU模式的分布 式電能質量監測儀。基于雙CPU的分布式在線電能質量監測儀，包括數據采集模塊、DSP數字信號處理模塊、ARM模塊、TFT液晶顯示觸摸屏；所述的數據采集模塊有6路采樣通道，所述的數據采集模塊通過數據線與數字處理模塊電連接，所述的數據采集模塊采集到的信號通 過數據線傳送至數字處理模塊，所述的數字處理模塊發出的控制命令通過控制線傳送至數據采集模塊中；實現對數字處理計算結果的分析及顯示的ARM模塊與TFT液晶 顯示觸摸屏電連接，ARM模塊把從數字處理模塊中接收到的數據傳送 給TFT液晶顯示觸摸屏加以顯示，所述TFT液晶顯示觸摸屏通過鼠 標或手觸摸操作實現對各電能指標的查看；其特征在于所述的數字處理模塊通過專用主機并行接口 (HPI) 與所述的ARM模塊連接形成主從式系統，所述的ARM模塊通過所 述的HPI接口能訪問所述的數字處理模塊的全部的存儲空間及地址空 間所映射的外設，進而控制數字處理模塊，實現數據交換。進一步，所述的數據采集模塊的輸入信號為一信號調理模塊的輸 出信號，所述的信號調理模塊包括對電力互感器輸出的電壓和電流信 號進行二次變換的電壓、電流傳感器，能實現6路信號的低通濾波的 濾波單元，以及能將電信號轉化為與數據采集模塊輸入相匹配的電平 信號的電壓變換單元，所述的電壓變換單元能將雙極型電壓信號變換 為幅值范圍為0~5V的單極型信號；電力線上的三相電壓、電流信號 依次經過電壓、電流傳感器，濾波單元，電壓變換單元，所述的電壓 變換單元的輸出信號為信號調理模塊的輸出信號。進一步，所述的ARM模塊通過一異步串行接口 RS-232與電力線 載波通信模塊連接，所述的電力線載波通信模塊采用能以現有的電力線作為通信通道，實現監測儀與遠方監控中心的數據通信的IT800D 電力線載波通訊專用芯片。進一步，所述的ARM模塊采用WinCE作為操作系統和軟件開發 平臺，所述的ARM模塊帶有可保存大量采樣數據和分析處理結果的 SD卡，以及用來存放主程序的NandFlash。所述的HPI (Host-Post Interface)接口是DSP與主機相連接的一 個并行通信口，是構建主從式系統，實現主機與從機通信的重要接口。 主機通過HPI可以訪問DSP內全部的存儲空間及地址空間映射的外 設，進而控制DSP，實現數據交換。所述的S3C2410XARM微處理器是一款低功耗、高集成度、高性 價比的基于ARM920T的微處理器，廣泛應用于嵌入式控制領域。采 用WinCE作為操作系統和軟件開發平臺，界面美觀，可操作性強。與現有技術相比，本實用新型具有如下優點 (1 )采用雙CPU嵌入式系統作為硬件平臺，采用了 TMS320C6713 浮點處理器，這是TI推出的高速浮點處理器，其最高主頻可達到 225MHz，可以應對各項電能質量指標的大量數據和復雜算法，保證 了數據處理的實時性和精確性，適合于分布式在線電能質量監測系統 的高性能要求。(2)數字處理模塊采用專用的HPI主機并行接口實現與A脂模塊 的連接，HPI主機并行接口硬件接口連線非常簡單易于實現，工作頻 率為DSP CPU工作頻率的1/2，完全滿足雙CPU間大數據量實時傳送 的要求，且工作于主/從機方式，讀寫數據時DSP僅相當于ARM的 外部存儲器而不會影響其數據處理。(3 )采用電力線載波通信模塊實現與遠方監控中心的數據通信， 可以直接利用現有電力線路作為通信載體，無需額外鋪設通信線路， 節省了大量費用。(4) S3C2410XARM采用WinCE作為操作系統和軟件開發平臺， 監測儀界面美觀，可操作性強；采用嵌入式數據庫將電壓電流波形數 據、電能質量參數、各項指標存儲到ARM模塊的大容量SD存儲卡， 便于日后調查和翻閱；TFT液晶顯示觸摸屏增強人機交互性，方便用 戶査看各電能質量參數。(5) 體積小，便于攜帶，并且價格低，既可用于單節點的電能質 量監測，也適用于分布式電能質量在線監測系統。
圖1為本實用新型的基于雙CPU的分布式電能質量在線監測儀的 結構圖；圖2為本實用新型的電能質量在線監測儀的信號調理電路模塊結 構圖；圖3為本實用新型的電能質量在線監測儀中TMS320C6713DSP 與S3C241OXARM之間的HPI接口連接圖；圖4為本實用新型的分布式電能質量監測儀中TMS320C6713DSP 與S3C2410XARM之間的HPI接口讀時序圖；圖5為本實用新型的電能質量在線監測儀的電力線載波通信模塊 結構圖；圖6為本實用新型的電能質量在線監測儀的DSP主程序流程圖； 圖7為本實用新型的電能質量在線監測儀的ARM主程序流程圖。
具體實施方式
參照附圖，進一步說明本實用新型基于雙CPU的分布式在線電能質量監測儀，包括數據采集模塊、 數字信號處理模塊、ARM模塊和TFT液晶顯示觸摸屏；所述的數據采集模塊有6路采樣通道，所述的數據采集模塊通過 數據線與數字處理模塊電連接，所述的數據采集模塊采集到的信號通 過數據線傳送至數字處理模塊，所述的數字處理模塊發出的控制命令 通過控制線傳送至數據采集模塊中；實現對數字處理計算結果的分析及顯示的ARM模塊與TFT液晶 顯示觸摸屏電連接，ARM模塊把從數字處理模塊中接收到的數據傳送 給TFT液晶顯示觸摸屏加以顯示，所述TFT液晶顯示觸摸屏通過鼠 標或手觸摸操作實現對各電能指標的査看；所述的數字處理模塊通過專用主機并行接口(HPI)與所述的ARM 模塊連接形成主從式系統，所述的ARM模塊通過所述的HPI接口能 訪問所述的數字處理模塊的全部的存儲空間及地址空間所映射的外 設，進而控制數字處理模塊，實現數據交換。所述的數據采集模塊的輸入信號為一信號調理模塊的輸出信號， 所述的信號調理模塊包括對電力互感器輸出的電壓和電流信號進行二 次變換的霍爾型電壓和電流傳感器，能實現6路信號的低通濾波的濾 波器集成芯片MAX274,以及能將電信號轉化為與數據采集模塊輸入 相匹配的電平信號的電壓變換單元。所述的ARM模塊通過一異步串行接口 RS-232與電力線載波通信 模塊連接，所述的電力線載波通信模塊采用能以現有的電力線作為通信通道，實現監測儀與遠方監控中心的數據通信的IT800D低壓電力 線載波通訊專用芯片。所述的A畫模塊采用WinCE作為操作系統和軟件開發平臺，所述 的ARM模塊帶有可保存大量采樣數據和分析處理結果的SD卡，以及用 來存放主程序的NandFlash。數據采集子系統中各模塊的實現具體如下如圖2所示，信號調理模塊包括霍爾型電壓、電流傳感器、濾波 單元、電壓轉換單元。其中，霍爾型電壓、電流傳感器具有精度高、 線性好、響應快、尺寸小等優點；濾波單元采用集成芯片MAX274， 具有設計簡單、性能良好等優點；電壓變換是為了使原來的雙極型信 號變換為幅值范圍為0 5V的單極型信號，以適應AD轉換器的輸入 信號要求；調理后的6路信號同時送入數據采集模塊。數據采集模塊選用ADS8364AD轉換器，是一種高速、低功耗， 六通道完全獨立的16位逐次逼近式模數轉換器，解決了三相電壓、三 相電流信號的同步采樣問題；由于ADS8364芯片為+5V器件，而 TMS320C6713 DSP為+ 3.3V器件，在進行硬件連接設計時采用電平 轉換芯片對信號線和數據線進行隔離；DSP與ADS8364具體邏輯控 制關系由FPGA芯片XC3S400完成，確保能正確控制AD對六通道進 行同步采樣并滿足ADS8364的最高采樣率。數字處理模塊選用TMS320C6713 DSP，實現數據的采樣、暫存和 計算分析處理。采用軟件方式實現頻率跟蹤，以當前采樣計算所得系 統頻率決定下一周波的采樣率，從而實現采樣周期的實時調整，提高 采樣的精確度；DSP進行的電能質量指標計算內容包括三相電壓和電流的有效值、系統頻率、功率因素、各種功率、電壓偏差、總諧波畸 變率及各次諧波含量、電壓波動及閃變、三相不平衡率等。如圖3所示，DSP通過專用的HPI主機并行接口實現與ARM模 塊的連接，HPI接口硬件連接簡單，ARM通過它可以直接訪問DSP 內部和外部存儲空間，還能訪問存儲器映射的外設，當DSP準備好數 據時，通過^f發送中斷給ARM，后者響應中斷并從DSP存儲器中 讀取數據，訪問時ARM先初始化HPI控制(HPIC)寄存器，接著初始 化地址(HPIA)寄存器，然后再寫數據到HPI數據(HPID)寄存器或從 HPID寄存器讀取數據。HPI讀時序如圖4所示，casel指前一次自動 增量地址模式訪問的預取值沒完成，則^下降沿后^F變為高電 平，case2指HPID寄存器沒有有效的數據，則^ 在腦77 騰下 降沿后變為高電平，因為嵌入式CPU的數據通道為32位，而HPI的 數據線只有16位，所以一個字需分兩次傳輸，HHWIL為0表示傳輸 第一個半字，為1表示傳輸第2個半字，HCNTL[1 0]表明哪個內部 HPI寄存器正在訪問，這兩引腳的狀態選擇訪問HPI地址寄存器、HPI 數據寄存器或HPI控制寄存器。ARM模塊選用三星公司的S3C2410X ARM,采用WinCE作為操 作系統和軟件開發平臺，負責對DSP傳送過來的數據進行保存、統計、 分析和處理；連接TFT液晶顯示觸摸屏模塊進行顯示，連接SD卡實 現大數據量的存儲，并通過RS—232接口實現與電力線載波通信模塊 相連，以實現系統監控管理、圖形顯示、事件記錄、歷史數據存儲等 功能。如圖5所示，電力線載波通信模塊采用的IT800D，是面向低壓電力線載波通信市場而開發研制的專用載波通信Modem芯片；IT800D 與ARM的全部操作，包括參數設置、發送數據、接收數據等均可通 過RS—232串口實現，無需使用外部中斷，無需使用位操作，大大簡 化了用戶程序設計過程，節約了用戶CPU資源。該模塊可以實現不用 另外布置通信信道，而直接利用電力線構建分布式的電能質量在線監 測系統，實現了監測儀的遠程通信功能；遠方監控中心因此可以對系 統內電能質量的變化進行分析統計，給出電能質量變化的歷史趨勢， 用于評價系統電能質量水平，發現設備問題以及評估安裝的電力調整 設備的性能。所述基于雙CPU的分布式電能質量在線監測儀的工作原理如下(1) 電力線上的三相電壓、電流信號6路信號經信號調理電路后 轉換為幅值為0 5V的單極型信號傳送給數字采集模塊，在FPGA的 邏輯控制下，實現6通道信號的同步采樣；采用軟件方式實現頻率跟 蹤，以當前采樣計算所得系統頻率決定下一周波的采樣率，從而實現 采樣周期的實時調整；A/D轉換后的數字信號傳送到數字處理模塊并 保存；(2) 所述數字處理模塊實時讀取AD采樣數據進行各項電能指標 的計算，計算結果暫存在SDRAM中，等待時間到后發送中斷通知 ARM模塊，ARM模塊響應中斷并通過HPI主機并行接口讀取；(3) ARM模塊對通過HPI接口從DSP中接受到的數據進行統計、 分析和處理，并通過WinCE數據庫將電能質量參數、各項指標和波形 數據存儲到外接的SD卡；各種數據依照需要傳送給TFT液晶顯示觸 摸屏加以顯示，通過鼠標或手觸摸操作實現對各種電能指標及相關數據表格、圖形的查看；
(4)電力線載波通信模塊通過RS—232接口實現與ARM模塊的連接，將欲發送的數據先從ARM傳輸到IT800D的外圍接口電路，進行組幀、添加CRC校驗，并發送到物理層，處理后經片內DA轉換器轉換為模擬信號，送入輸出濾波器、線路驅動器，經耦合線圈發送至電力線，遠方通信模塊進行對應的解耦并接收數據，實現監測儀與遠方監控中心的數據通信。
數字處理模塊的主程序流程如圖6所示。其頻率跟蹤的實現過程為首先TMS320C6713 DSP上電復位進入初始化流程，初始化流程包括EMIF初始化、PLL初始化、中斷控制寄存器初始化以及為定時器1賦初值，然后開全局中斷及啟動定時器1計時，定時器l計時到指定值后產生int15中斷，此時DSP進入中斷服務程序，在中斷服務程序中DSP產生控制信號使AD電路進行一次采樣轉換，然后DSP讀取AD電路轉換后的數據并記錄采樣次數。DSP按此規律工作，對每個周波取128個點，當DSP判斷采樣次數滿128后，則對128組采樣數據進行分析處理，首先計算電力系統頻率并以此作為依據重新設定定時器計數周期，從而實現對信號的頻率跟蹤，最后進行其他各項電能質量指標計算，包括三相電壓電流有效值、功率因素、各種功率、電壓偏差、總諧波畸變率和各次諧波含量、電壓波動及閃變、三相不平衡率，因此DSP電能質量指標運算程序必須高效，使得能夠在下一周波即128次采樣間隔內完成對前一周波采樣數據的分析計算。
ARM主程序流程圖如圖7所示。首先對ARM模塊進行系統初始化，然后等待DSP發送中斷，接收到中斷信號后則通過HPI主機并行接口從數字處理模塊中讀取數據，接著ARM S3C2410X將電壓電流波形在
TFT液晶顯示屏上顯示，同時又對從DSP讀取過來的一些數據進行統
計分析，統計分析結果與理論值比較，若超出正常范圍ARM則會發
出警告，統計分析結果會存入WinCE數據庫中，并在TFT液晶顯示
觸摸屏上顯示。用戶只需點擊需要査看的電能質量指標項，ARM就會
完整地顯示該電能質量指標。
通過上述方法，可以實現一種基于雙CPU的分布式電能質量在線
監測儀的設計，使其兼具DSP在數據處理方面的高性能和ARM在上
層管理軟件開發設計方面的優越性，并可直接利用原有的電力線路作
為信道實現分布式在線監測系統的構建。
本說明書實施例所述的內容僅僅是對實用新型構思的實現形式的
列舉，本實用新型的保護范圍不應當被視為僅限于實施例所陳述的具
體形式，本實用新型的保護范圍也及于本領域技術人員根據本實用新
型構思所能夠想到的等同技術手段。
權利要求1、基于雙CPU的分布式在線電能質量監測儀，包括數據采集模塊、數字信號處理模塊、ARM模塊和TFT液晶顯示觸摸屏；所述的數據采集模塊有6路采樣通道，所述的數據采集模塊通過數據線與數字處理模塊連接，所述的數據采集模塊采集到的信號通過數據線傳送至數字處理模塊，所述的數字處理模塊發出的控制命令通過數據線傳送至數據采集模塊中；實現對數字處理計算結果的分析及顯示的ARM模塊與TFT液晶顯示觸摸屏電連接，ARM模塊把從數字處理模塊中接收到的數據傳送給TFT液晶顯示觸摸屏加以顯示，所述TFT液晶顯示觸摸屏通過鼠標或手觸摸操作實現對各電能指標的查看；其特征在于所述的數字處理模塊通過專用主機并行接口(HPI)與所述的ARM模塊連接形成主從式系統，所述的ARM模塊通過所述的HPI接口能訪問所述的數字處理模塊的全部的存儲空間及地址空間所映射的外設，進而控制數字處理模塊，實現數據交換。
2、 如權利要求1所述的監測儀，其特征在于進一步，所述的數 據采集模塊的輸入信號為一信號調理模塊的輸出信號，所述的信號調 理模塊包括對電力互感器輸出的電壓和電流信號進行二次變換的電 壓、電流傳感器，能實現6路信號的低通濾波的濾波單元，以及能將 電信號轉化為與數據采集模塊輸入相匹配的電平信號的電壓變換單 元，所述的電壓變換單元能將雙極型電壓信號變換為幅值范圍為0 5V 的單極型信號；電力線上的三相電壓、電流信號依次經過電壓、電流 傳感器，濾波單元，電壓變換單元，所述的電壓變換單元的輸出信號為信號調理模塊的輸出信號。
3、 如權利要求2所述的監測儀，其特征在于所述的ARM模塊 通過一異步串行接口 RS-232與電力線載波通信模塊連接，所述的電 力線載波通信模塊采用能以現有的電力線作為通信通道，實現監測儀 與遠方監控中心的數據通信的IT800D低壓電力線載波通訊專用芯片。
4、 如權利要求3所述的監測儀，其特征在于所述的ARM模塊 采用WinCE作為操作系統和軟件開發平臺，所述的ARM模塊帶有可 保存大量采樣數據和分析處理結果的SD卡，以及用來存放主程序的 NandFlash。
專利摘要本實用新型提供一種基于雙CPU的分布式電能質量在線監測儀，包括信號調理電路模塊、AD采樣電路模塊、DSP數據處理模塊、ARM上位管理機模塊、電力線載波通信模塊和液晶顯示模塊；AD采樣電路實現對6通道電力信號的同步采樣；利用專用的HPI主機口實現DSP模塊與ARM模塊間的高速數據傳輸；ARM模塊采用WinCE作為操作系統和軟件開發平臺；電力線載波通信模塊用以實現與遠方監控中心的數據通信。本裝置可實現實時、精確的電能質量測量與分析，并具有友好便捷的管理與交互界面，適用于單點式的電能質量監測或者分布式的電能質量在線監測系統。
文檔編號G01R31/00GK201327515SQ20082017070
公開日2009年10月14日 申請日期2008年12月18日 優先權日2008年12月18日
發明者張有兵, 翁國慶, 軼 胡, 銓 陳 申請人:浙江工業大學