多通道功耗動態(tài)測量與分析系統(tǒng)

張自嘉，朱　莉，姚　佳

(南京信息工程大學信息與控制學院，江蘇南京　210044)

0　引言

電能緊缺問題近年來逐漸引起人們的高度重視。日常使用的低功耗用電設(shè)備，人們對它們在使用過程中功耗的變化、待機時功耗的大小以及協(xié)同工作時各自的功耗大小等情況了解甚少，這將不利于電能的合理利用。傳統(tǒng)電能監(jiān)測設(shè)備的開發(fā)主要依賴于89系列單片機，隨著自動化儀表向數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展，傳統(tǒng)的8/16位單片機的資源已經(jīng)不能滿足實時在線監(jiān)測的要求[1]。并且不能實現(xiàn)多個通道同時測量，需要專業(yè)人員接線，給用戶操作帶來了不便?；贏RM11的多通道功耗動態(tài)測量與分析系統(tǒng)，以S3C6410為硬件核心，可以測量低至mW級、高至幾百W的功率(可以采集的最高電壓為48 V，最高電流為12 A、最低電流為mA級)，提供多種接口，可以實現(xiàn)多個通道同時測量，并且提供可視化的上位機操作界面，對檢測數(shù)據(jù)進行誤差分析、保存等，在數(shù)據(jù)處理速度、精度以及可操作性上作了較大的改善。

1　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及工作原理

為了提高該系統(tǒng)的性能，提高數(shù)據(jù)處理速度，采用S3C6410為系統(tǒng)核心，主要包括接口模塊，電壓、電流采樣模塊，調(diào)理電路模塊，A/D轉(zhuǎn)換模塊，顯示模塊，上位機軟件等。接口模塊包括：USB接口、DC插座、接線端子和品字形插座，系統(tǒng)分為4路電壓和4路電流采集，分別對應(yīng)于不同的接口，USB接口對應(yīng)電路可以測量5V電壓，接線端子對應(yīng)電路可以測量0～12 V電壓，DC插座對應(yīng)電路可以測量12～24 V電壓，品字形插座對應(yīng)電路可以測量24～48 V電壓。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

要對負載在使用過程中所消耗的功率進行動態(tài)測量，則需要對負載在使用過程中所需的電壓U和電流I進行動態(tài)測量，然后功率P=UI．S3C6410微控制器作為整個系統(tǒng)的核心部件，協(xié)調(diào)各部分電路的工作。電壓采樣模塊負責將待測電壓通過電阻分壓到A/D輸入電壓范圍之內(nèi)；電流采集模塊負責將待測電流通過大功率電阻變成電壓；經(jīng)過調(diào)理電路后送入A/D芯片ADS1256進行轉(zhuǎn)換，ADS1256的采樣率很高，從而達到動態(tài)測量的效果；轉(zhuǎn)換后的值送入ARM11微處理器，通過軟件進行功率計算；將處理后的數(shù)據(jù)通過RS232通訊接口上傳至上位機，進行誤差分析、保存等；鍵盤模塊和LCD顯示模塊作為人機交互的輸入輸出接口用于控制和實時監(jiān)測分析。

2　硬件電路設(shè)計

2．1電壓、電流信號前端調(diào)理電路以及接口電路設(shè)計

準確測量電壓、電流信號是提高功率測量精度的重要因數(shù)。對于電壓的測量，是通過測量并聯(lián)在負載兩端的電阻上的壓降來獲得的。對于電流的測量，是通過測量置于電流路徑上的電阻上的壓降來獲得的，主要方法有兩種：低側(cè)和高側(cè)。低側(cè)電流測量是通過測量電流經(jīng)過置于負載和地之間的電阻時所產(chǎn)生的壓降來檢測電流，這種方法雖然簡單，但因為其在接地路徑上加了阻值，流入地平面的電流將在感應(yīng)電阻上產(chǎn)生電壓，這個電壓將以地平面噪聲的形式出現(xiàn)在系統(tǒng)的所有節(jié)點上，影響系統(tǒng)精度。所以系統(tǒng)選用高側(cè)電流測量技術(shù)，將感應(yīng)電阻置于電源和負載之間，它直接連接至電源，不會產(chǎn)生額外的接地干擾。USB接口對應(yīng)電路的電壓、電流前端調(diào)理電路圖如圖2所示。

圖2　電壓、電流前端調(diào)理電路圖

圖2為USB接口對應(yīng)電路的電壓、電流前端調(diào)理電路，可以測量的電壓為5 V，電流可以低至毫安級，所以選取R1電阻為1 MΩ、R6電阻100 kΩ、R8電阻為470 kΩ，大功率電阻R2為1 Ω(其他接口對應(yīng)電路和此電路類似，只需改變R1、R2、R6、R8即可)。USB接口對應(yīng)電路的功率測量只對其中的電源功率進行測量，測量時不影響其中的信號線上的信號傳輸，也就是從輸入到輸出信號線是直通的。USBP1、USBN1是USB的母頭，用于插用電設(shè)備；USBP2、USBN2是USB的公頭，用于插供電電源。

2．2A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計

為了保證采集的電壓、電流信號的精度，選取高精度24位模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADS1256作為信號采集電路核心。ADS1256是一款極低噪聲的24位高精度多通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其內(nèi)部集成有可編程增益放大器(PGA)，可將輸入信號進行1～64倍的放大處理，輸入端的多路模擬開關(guān)可靈活的處理單端模擬輸入或差分模擬輸入，并在單端模擬輸入時可實現(xiàn)多路之間的循環(huán)轉(zhuǎn)換達到多路測量的效果，為實現(xiàn)多路電流、電壓提供了硬件保障，數(shù)據(jù)采樣率最高可達30kSPS[5]。A/D轉(zhuǎn)換電路圖如圖3所示。

圖3　A/D轉(zhuǎn)換電路圖

ADS1256通過SPI口(SCLK、DIN、DOUT、CS)與S3C6410相連，進行讀寫操作，通過寫寄存器將它設(shè)定為單端輸入，增益為1，采樣率為30kSPS，轉(zhuǎn)換通道選擇由按鍵控制。首先將片選拉低，在時鐘驅(qū)動下，將電壓、電流信號分時模數(shù)轉(zhuǎn)換并發(fā)送到ARM11處理器。為了提高ADS1256的工作穩(wěn)定性，提高轉(zhuǎn)換效率，在XATL1和XATL2引腳之間連接了一個7.68 MHz的晶振，該晶振大小是由TI公司官方推薦，在此頻率下能獲得更為出色的工作效果。ADS1256的參考電壓由高精度參考電源芯片AD780來實現(xiàn)，該芯片電壓輸入端保持在4～36 V之間即穩(wěn)定的輸出相應(yīng)大小的參考電壓。

3　系統(tǒng)的軟件設(shè)計

3．1底層驅(qū)動程序設(shè)計

系統(tǒng)整體上采用結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計方法，主要包括主程序模塊、數(shù)據(jù)采集程序模塊、功耗測量模塊、數(shù)據(jù)通信程序模塊等。系統(tǒng)的主程序流程圖如圖4所示。

圖4　系統(tǒng)的主程序流程圖

ARM的底層驅(qū)動采用由RVDS2．2(RealView Development Suite)作為軟件開發(fā)平臺，它能夠支持所有的ARM處理器。在編譯時，內(nèi)核選擇ARM1176JZF-S，設(shè)置起始地址R0 Base為0x5000 0000，編寫系統(tǒng)啟動引導(dǎo)程序，包括堆棧初始化、CPU初始化、調(diào)用_main()函數(shù)初始化C語言庫等。

3．2應(yīng)用程序設(shè)計

Qt是1991年奇趣科技開發(fā)的一個跨平臺的C++圖形用戶界面應(yīng)用程序框架。它提供給應(yīng)用程序開發(fā)者建立藝術(shù)級的圖形用戶界面所需的所用功能[6]。設(shè)計的上位機軟件正是用QT開發(fā)，選用的集成開發(fā)環(huán)境是Qt Creator．

上位機軟件主要實現(xiàn)串口通信，故障報警，動態(tài)數(shù)據(jù)實時顯示，數(shù)據(jù)分析等功能，采用一款占用較少存儲空間，運行速度較快的SQLite嵌入式數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)對測量數(shù)據(jù)的保存、查詢及管理。應(yīng)用程序啟動后，設(shè)置串口通信的初始速率為115 200 bps，數(shù)據(jù)位8位，采用偶校驗，停止位1位，打開串口；當出現(xiàn)過壓故障或過流故障時，對應(yīng)燈色會呈現(xiàn)紅色且發(fā)出報警聲；若沒有出現(xiàn)故障報警，則可以正常顯示各個通道的電量參數(shù)，主要包括電壓、電流、功率參數(shù)；測量完畢，對各個通道的電壓、電流、功率參數(shù)進行保存，保存到SQLite數(shù)據(jù)庫中進行管理。根據(jù)多次實驗驗證，該系統(tǒng)操作方便、運行穩(wěn)定、重復(fù)性好。該系統(tǒng)運行時動態(tài)實時界面顯示如圖5所示。

4　數(shù)據(jù)分析

系統(tǒng)的誤差主要來自采樣電阻以及其他外圍電路的干擾，為了提高測量精度，系統(tǒng)增加了校準功能。上位機軟件中的數(shù)據(jù)分析的相關(guān)參數(shù)如式(1)～式(3)所示。

電流測量的相對誤差可以表示為：

(1)

電壓測量的相對誤差可以表示為：

(2)

功率測量的相對誤差可以表示為：

(3)

式中：UC、Ic、PC分別為電壓、電流、功率的測量值；UR、IR、PR分別為電壓、電流、功率的實際值。

為了提高測量系統(tǒng)的準確性，在投入正常使用之前經(jīng)過了嚴格的校準。校準的前提是具有高精度的穩(wěn)定直流信號源和標準電能表，穩(wěn)定的信號源向系統(tǒng)提供給定的輸出，便于在多個參考條件下完成單一參數(shù)的校準；標準表的作用是測量信號源提供給系統(tǒng)的實際值，并將實際值與測量值進行比較，計算出實際誤差。通過多次實驗發(fā)現(xiàn)，這種校正效果較好，某次實驗中對+5 V用電設(shè)備進行校正，電壓校正系數(shù)為0.125，電流校正系數(shù)為0.017，其它幾路校正原理和此類似。根據(jù)校正對+5 V、+12 V、+24 V、+48 V進行測量，測量結(jié)果如圖5所示，電壓、電流的相對誤差小于2%，功率的相對誤差小于5%。

5　結(jié)束語

基于ARM11(S3C6410)的多通道功耗動態(tài)測量與分析系統(tǒng)，實現(xiàn)了多個通道同時測量，并且對測量的結(jié)果進行了實時分析。采用了24位、8通道A/D轉(zhuǎn)換器，采樣率最高可達30 kSPS，進行4路電壓信號、4路電流信號的采集，提高了測量速度及精度，并且擁有多種接口和人性化的上位機界面給用戶提供了便捷。實驗表明，該系統(tǒng)工作穩(wěn)定，在日常生活、工程應(yīng)用等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。

參考文獻：

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