嵌入式電力能耗檢測系統(tǒng)的開發(fā)與調(diào)試

胡 琥，李亞莉，田 昕*

(1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，云南 昆明 650201;2.云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 節(jié)能減排檢測與研究工程中心，云南 昆明 650201;3.云南師范大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院，云南 昆明 650092)

隨著嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展近年來ARM9作為一種嵌入式系統(tǒng)處理器，以其高性能、低功耗、低價(jià)格等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用。同時(shí)Linux嵌入式操作系統(tǒng)，是一個(gè)免費(fèi)的、具有良好可伸縮性與擴(kuò)充性的操作系統(tǒng)，支持完整的硬件驅(qū)動(dòng)程序、網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議與多處理器的架構(gòu)，其源碼的公開更有利于操作系統(tǒng)嵌入式應(yīng)用的開發(fā)和部署[1]，使得兩個(gè)系統(tǒng)能完美的結(jié)合。

本系統(tǒng)采用三星S3C2410A作為檢測裝置的處理器，內(nèi)部的AD直接用于數(shù)據(jù)的采集。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了使用傳感器對用電設(shè)備進(jìn)行檢測，將模擬開關(guān)4051作為多種電能指標(biāo)數(shù)據(jù)通道的選擇，接入AD進(jìn)行采集，最后利用以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的在線傳送。該系統(tǒng)以低成本實(shí)現(xiàn)了高端電力檢測設(shè)備的主要功能，滿足了電力能耗參數(shù)檢測的實(shí)際需求。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成，均采用模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)并充分考慮系統(tǒng)的擴(kuò)展能力。

其中硬件部分包括傳感器模塊、通道選擇模塊、AD模塊、ARM核心模塊、以太網(wǎng)模塊(見圖1)。

軟件部分包括通道選擇模塊、AD模塊、以太網(wǎng)傳輸模塊。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

系統(tǒng)工作原理:先由CPU選擇要采集數(shù)據(jù)的通道，由傳感器把測量數(shù)據(jù)通過模擬開關(guān)4051傳送到精度為10bitAD模塊，并由其進(jìn)行模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換完成后，送到CPU處理，然后進(jìn)入系統(tǒng)緩存存儲，最后通過以太網(wǎng)傳輸?shù)椒?wù)器進(jìn)行分析及處理。

1.1 硬件系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)

1.1.1 硬件系統(tǒng)概述

硬件主系統(tǒng):采用基于ARM 920T內(nèi)核的SAMSUNG S3C2410處理器，主頻202 MHz，配置64MB RAM，8寸640×480LCD。它不僅可以滿足目前功能的需要，而且豐富的硬件資源可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)檢測以及未來功能擴(kuò)展需要。

傳感器:采用0.2級精度鉗形電流傳感器，根據(jù)系統(tǒng)硬件的需求在傳感器輸出端加入電壓放大器，直接輸出電壓信號方便數(shù)據(jù)的采集。

1.1.2 硬件電路

(1)通道選擇模塊電路設(shè)計(jì)

使用S3C2410內(nèi)部的AD。4051是模擬開關(guān)，有8個(gè)通道可以選擇輸入，傳感器采集的數(shù)據(jù)由CPU通過P2輸出信號選擇有任一通道，由X端口輸出數(shù)據(jù)，由于內(nèi)部AD轉(zhuǎn)換的模擬信號范圍是0～3.3 V，所以串入 1.7 K 和 3.3 K 電阻，把 3.3 K 電阻的電壓引入AD模塊內(nèi)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

(2)以太網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)模塊設(shè)計(jì)

以太網(wǎng)模塊:芯片采用 DM9000AE。DM9000AE是16Bit總線寬度，接在 S3C2410的Bank2上，使用中斷EINT2。DM9000AE的第32腳CMD用來指示當(dāng)前數(shù)據(jù)總線是Index端口還是Data端口，開發(fā)板則將1根地址線A1接到第32腳，以此區(qū)分讀寫的是命令/地址還是數(shù)據(jù)(這點(diǎn)不同于其他具有多位地址線的芯片)。所以DM9000AE的Index端口的地址是0x10000000，Data端口的地址是0x10000002，驅(qū)動(dòng)程序中只以這兩個(gè)物理地址訪問DM9000AE。

1.2 系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

(1)通道選擇模塊設(shè)計(jì)

負(fù)責(zé)進(jìn)行通道選擇。根據(jù)4051的資料，AB端口輸入的信號不同，所選擇的通道不同。本模塊由CPU控制IO(VD2、VD0)端口輸出高低電平，通過插針P2直接輸入到4051的AB端口，選擇不同通道來檢測電能參數(shù)，數(shù)據(jù)直接由X端口傳送出去。(對應(yīng)關(guān)系見表1)

表1通道選擇真值表

(2)數(shù)據(jù)采集模塊

主要負(fù)責(zé)把傳送的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并進(jìn)行儲存。10bitAD把0～3.3 V的模擬信號等分為1 024份，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣把模擬信號轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的數(shù)字信號后，由CPU控制進(jìn)入系統(tǒng)緩存存儲。

(3)數(shù)據(jù)傳輸模塊設(shè)計(jì)

主要負(fù)責(zé)把存儲的數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)傳送服務(wù)器。

命令傳送:本系統(tǒng)通過使用socket與服務(wù)器建立TCP/IP連接，來實(shí)現(xiàn)命令的傳送[6]。

數(shù)據(jù)傳輸:數(shù)據(jù)采集存儲后，可以直接采用命令傳送的方式，把數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇蛻魴C(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析情況。如果數(shù)據(jù)不需進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，也可以存入SD卡中。

2 系統(tǒng)調(diào)試

由X端口輸出的模擬信號經(jīng)過串聯(lián)電阻進(jìn)入AD模塊的模擬信號存在一個(gè)線性關(guān)系。接入的是1.7 K和3.3 K的電阻，如設(shè)由X端口輸出的模擬信號為y，進(jìn)入AD模擬信號的為x，理論上應(yīng)該存在以下的線性關(guān)系:y=1.52x。但在實(shí)際調(diào)試過程中，3.3 K電阻引入的電壓并未達(dá)到3.3 V，略調(diào)電阻使其達(dá)到3.3 V。原有線性關(guān)系被破壞，通過調(diào)整電阻值找到新的線性關(guān)系。

方法如下:用一臺穩(wěn)壓電源把具有一定規(guī)律的電壓信號輸入通道選擇模塊，并由X端口通過串聯(lián)電阻輸入到AD模塊中，分別測出X端口輸出電壓值，以及AD端的電壓值，并用最小二乘法將對應(yīng)關(guān)系y=1.23x計(jì)算出來，并根據(jù)該結(jié)果重新設(shè)置軟件參數(shù)(見圖2)。

圖2 y與x的線性關(guān)系圖

3 結(jié)論

本文介紹了基于ARM9的電力能耗檢測設(shè)備的開發(fā)與調(diào)試，旨在通過該設(shè)備的開發(fā)，為構(gòu)建能耗檢測平臺提供硬件支持。在開發(fā)過程中，筆者完成了如下的工作。

(1)傳感器的改造、系統(tǒng)硬件配置及外圍電路的設(shè)計(jì)制造;

(2)數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)傳輸軟件的程序編制及調(diào)試;

(3)在硬件設(shè)計(jì)開發(fā)的基礎(chǔ)上，開發(fā)了電能監(jiān)測信息系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠通過以太網(wǎng)向嵌入式設(shè)備發(fā)送通信請求，獲取電能數(shù)據(jù)，并以曲線圖表形式顯示監(jiān)測設(shè)備的狀態(tài)。

通過實(shí)際應(yīng)用測試發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)及時(shí)、準(zhǔn)確、完整，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

運(yùn)用該設(shè)備建立用電監(jiān)測的數(shù)據(jù)平臺，能夠?qū)崟r(shí)獲取監(jiān)控設(shè)備的能耗狀態(tài)，掌握用電過程的數(shù)據(jù)資源，為能耗檢測提供豐富的數(shù)據(jù)資料，為節(jié)能降耗提供有力的數(shù)據(jù)支持。

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