基于ARM的智能電表系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

吳昳恬

（蘇州高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校 江蘇省蘇州市 221500）

本智能電表系統(tǒng)使用數(shù)據(jù)收集芯片實(shí)時(shí)采集電力系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，經(jīng)處理器的高效處理之后，再由網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器將精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸?shù)娇蛻舳耍脩艨刹榭床⒖刂评^電器打開/關(guān)閉功能。這就需要系統(tǒng)的軟件和硬件具備較高的實(shí)時(shí)性和可靠性。為了滿足上述功能，對(duì)系統(tǒng)提出以下要求：

（1）合理設(shè)計(jì)前端采集電路以保證良好的濾波效果；

（2）提高采集芯片的外部電路可靠性，保證有效且準(zhǔn)確地測(cè)量電氣參數(shù)；

（3）MCU優(yōu)異的性能使其能夠運(yùn)行適當(dāng)?shù)牟僮飨到y(tǒng)，同時(shí)兼具較強(qiáng)的處理能力；

（4）系統(tǒng)應(yīng)具有良好的網(wǎng)絡(luò)通信能力以確保遠(yuǎn)程操作；

（5）系統(tǒng)應(yīng)具有良好的實(shí)時(shí)性能和可靠性。

1 智能電表系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案

1.1 智能電表系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

為了滿足智能電表系統(tǒng)的上述需求，擬采用將軟硬件模塊化的總體設(shè)計(jì)方案，這種模塊化的思路不僅可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的加載與移除，而且對(duì)于前期的開發(fā)具有便利性。

總體設(shè)計(jì)分為硬件和軟件兩部分。硬件部分的設(shè)計(jì)，采用ARM9系列S3C2440芯片，此芯片與ADE7758采集芯片進(jìn)行交互通信，通信過(guò)程利用SPI接口實(shí)現(xiàn)，對(duì)于繼電器模塊的控制則由GPIO接口實(shí)現(xiàn)。軟件部分的設(shè)計(jì)，選擇在PC機(jī)上搭建嵌入式Linux開發(fā)環(huán)境和平臺(tái)，同時(shí)定制和移植嵌入式Linux系統(tǒng)，采用交叉編譯的方式編寫和編譯硬件設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序，生成內(nèi)核模塊文件，并實(shí)現(xiàn)內(nèi)核的動(dòng)態(tài)加載，極大的方便了軟件的開發(fā)與設(shè)計(jì)，與此同時(shí)對(duì)Boa服務(wù)器也進(jìn)行移植。

1.2 智能電表系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

該智能電表系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主CPU使用的是ARM芯片S3C2440，從電網(wǎng)信號(hào)電壓的輸入端開始分析，系統(tǒng)的硬件電路主要由以下部分組成（如圖1）：

圖1：系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

互感器處理電路、信號(hào)處理電路以及電能采集電路，用于前端數(shù)據(jù)處理。

繼電器驅(qū)動(dòng)電路，用于遠(yuǎn)程控制。

電參數(shù)計(jì)量電路等。

1.3 智能電表系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

智能電表系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)是圍繞其軟件基礎(chǔ)平臺(tái)展開的，其軟件基礎(chǔ)平臺(tái)為嵌入式Linux操作系統(tǒng)。

智能電表系統(tǒng)的軟件按功能劃分為三部分：嵌入式系統(tǒng)、設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、應(yīng)用程序。

2 智能電表系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本文研制的智能電表在線監(jiān)控系統(tǒng)，既可以實(shí)時(shí)監(jiān)控電網(wǎng)信號(hào)，又可以在線控制用電現(xiàn)場(chǎng)。首先介紹硬件電路部分的電路設(shè)計(jì)。

2.1 ARM系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1.1 主控芯片選型

為得到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，智能電表系統(tǒng)選擇的是SAMSUNG公司的S3C2440作為ARM通信系統(tǒng)的主控芯片，此芯片的微處理器是以ARM920T為核心的SOC（System On Chip），采用0.13μm的CMOS存儲(chǔ)單元和標(biāo)準(zhǔn)宏單元制造工藝，支持RISC（即16/32位精簡(jiǎn)指令集）。

2.1.2 主要電路及其作用

本文所包含的電路類型較多，主要由時(shí)鐘電路、電源電路、存儲(chǔ)電路以及復(fù)位電路構(gòu)成。

（1）時(shí)鐘電路：時(shí)鐘是處理器系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)，本設(shè)計(jì)通過(guò)外接晶振的方式產(chǎn)生振蕩（S3C2440的時(shí)鐘可以選擇晶振，也可以使用外部時(shí)鐘）。

（2）電源電路：由于微處理器的內(nèi)核模塊和片內(nèi)外設(shè)所使用的電壓類型不同，因此電源電路需要提供這兩種類型的電壓。

（3）存儲(chǔ)電路：易失性存儲(chǔ)介質(zhì)SDRAM、非易失性NOR flash 和 NAND flash是微處理器的存儲(chǔ)系統(tǒng)所使用的存儲(chǔ)介質(zhì)。SDRAM芯片型號(hào)是K4S561632；而NOR flash芯片型號(hào)是EN29LV160AB；NAND flash的芯片的存儲(chǔ)容量是256M字節(jié)。

（4）復(fù)位電路：本文中的復(fù)位芯片選用的是MAX811。電平轉(zhuǎn)換電路是通過(guò)電平轉(zhuǎn)換芯片將電平不匹配實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。

2.1.3 LCD液晶顯示器

本文中采用的LCD液晶顯示器為3.5寸的W35真彩屏。該顯示器便于驅(qū)動(dòng)（Linux-2.6.32.2 內(nèi)核已經(jīng)支持S3C2440 的LCD 控制器驅(qū)動(dòng)），性價(jià)比較好。

2.2 繼電器驅(qū)動(dòng)電路

繼電器線圈需要流過(guò)較大的電流才能使繼電器吸合，一般的集成電路不能提供這樣大的電流，因此必須進(jìn)行擴(kuò)流，即驅(qū)動(dòng)。本設(shè)計(jì)硬件部分采用光耦式繼電器驅(qū)動(dòng)電路，主要由S9013三極管、P521光耦，以及JQC-3EF繼電器組成。

2.3 信號(hào)采集與調(diào)理電路設(shè)計(jì)

2.3.1 互感器電路

由于直接用分壓的方式對(duì)電網(wǎng)信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，影響測(cè)量結(jié)果的因素很多，所以測(cè)量所得到的結(jié)果與真實(shí)數(shù)據(jù)之間會(huì)有較大偏差，因此需要對(duì)電網(wǎng)信號(hào)進(jìn)行一次降壓測(cè)量，測(cè)量過(guò)程中需要選擇適合的互感器。根據(jù)實(shí)際情況，并對(duì)各種因素進(jìn)行綜合性的考慮，我們選擇電壓互感器TV1013-1M和電流互感器TA0913-2M。

2.3.2 信號(hào)調(diào)理電路

信號(hào)調(diào)理把來(lái)自傳感器的模擬信號(hào)變換為用于數(shù)據(jù)采集、控制過(guò)程、執(zhí)行計(jì)算顯示讀出和其他目的的數(shù)字信號(hào)。本系統(tǒng)中信號(hào)調(diào)理電路的作用是將待測(cè)信號(hào)通過(guò)放大、濾波等操作轉(zhuǎn)換成采集設(shè)備能夠識(shí)別的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，使輸出的電壓值偏置到所要求的范圍±0.5V。

2.4 電參數(shù)計(jì)量電路設(shè)計(jì)

對(duì)芯片類型的選擇是按照芯片的運(yùn)算處理能力、運(yùn)算的速度、結(jié)果的精確度、以及芯片的功耗和價(jià)格是計(jì)量芯片的選擇原則，對(duì)以上各個(gè)因素進(jìn)行綜合考慮，本文選擇ADE7758芯片。ADE77581是一款高準(zhǔn)確度的三相電能計(jì)量芯片，帶有兩路脈沖輸出功能和一個(gè)串行接口。ADE7758 集成了二階Σ-D模數(shù)轉(zhuǎn)換器, 數(shù)字積分器，基準(zhǔn)電路，溫度傳感器，以及所有進(jìn)行有功，無(wú)功和視在電能計(jì)量以及有效值計(jì)量所需的信號(hào)處理元件。

3 智能電表系統(tǒng)軟件電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)

Linux系統(tǒng)可以將硬件設(shè)備看作特殊文件，并通過(guò)虛擬文件系統(tǒng)（VFS）管理和控制各種設(shè)備。硬件裝置驅(qū)動(dòng)器通過(guò)IOCT1、讀取、燈光等文件操作功能來(lái)封裝硬件裝置的細(xì)節(jié)，并且硬件裝置被封裝為裝置文件。用戶可以直接訪問(wèn)設(shè)備文件，過(guò)程類似于設(shè)備驅(qū)動(dòng)器通過(guò)這些文件操作功能實(shí)現(xiàn)的主要功能。硬件設(shè)備的初始化、設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)的控制、與用戶層的交互。

Linux系統(tǒng)將設(shè)備分成三個(gè)基本類型，每個(gè)模塊通常作為其中的一個(gè)來(lái)實(shí)現(xiàn)。然而，這種方法不太好將模塊分割成不同類型或類別，但是可以建立大模塊來(lái)執(zhí)行不同類型的設(shè)備驅(qū)動(dòng)。

Linux系統(tǒng)是一個(gè)單一的內(nèi)核操作系統(tǒng)，提供模塊加載機(jī)制。也就是說(shuō)，內(nèi)核模塊不需要編譯到內(nèi)核圖像中。系統(tǒng)啟動(dòng)后，該方法對(duì)Linux內(nèi)核設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的寫入和調(diào)試非常有用，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的寫入和調(diào)試基于模塊加載機(jī)制。

3.2 電參數(shù)計(jì)量電路設(shè)計(jì)

綜合考慮計(jì)算功率和速度、精度、價(jià)格和消耗功率這些因素，我們選定了市場(chǎng)上廣泛使用的ade 7758芯片并依次為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)電路，該芯片是ADI公司生產(chǎn)的功率測(cè)量用集成芯片，主要適用于3相3線方式、3相4線方式、50Hz或60Hz的標(biāo)準(zhǔn)頻率的電力網(wǎng)格。提供具有相位分離、相位關(guān)閉參數(shù)和中斷請(qǐng)求輸出功能的SPI兼容串行接口，有源能/反應(yīng)能/表觀能、電壓RMS、電流RMS和采樣波形數(shù)據(jù)。

模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器和數(shù)字信號(hào)處理器技術(shù)在各種環(huán)境和時(shí)間條件下確保了高精度。電流信道上的可編程增益放大器允許電流分流器和變流器的直接連接。國(guó)外ADS 7758電表正朝著高電流和動(dòng)態(tài)需求的方向發(fā)展。美國(guó)模擬設(shè)備公司（ADI）被高容量模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（A/D）和固定模式數(shù)字處理信號(hào)處理器（DSP）所替代。功率監(jiān)測(cè)和計(jì)量功能芯片包括第二XI-I?A/D轉(zhuǎn)換器、數(shù)字積分器、基準(zhǔn)電壓和溫度傳感器。具有單端電壓輸入的3個(gè)通道，最大容許范圍為±0.5v。每一電流和電壓信道具有具有具有放大增益1、2或4的可編程增益放大器（PGA），且增益由用戶編程確定，因此對(duì)應(yīng)的輸入電壓可設(shè)定為±0.5V、0.25V、±0.15V。除了增益放大功能之外，電流通道還采用了a/d設(shè)置和置換全尺度范圍的選擇。它不僅降低了功率檢測(cè)應(yīng)用模塊的設(shè)計(jì)難度，而且還實(shí)現(xiàn)了全電子、靜態(tài)和智能，以改善系統(tǒng)性能和降低制造成本，并且使用現(xiàn)有的嵌入式網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以完成自動(dòng)米讀、多功能測(cè)量和實(shí)時(shí)控制等擴(kuò)展應(yīng)用功能。它具有高精度、實(shí)時(shí)、高可靠性和雙向通信功能，滿足電力市場(chǎng)持續(xù)發(fā)展的新要求，為電力公司提供各種增值服務(wù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)基于ARM的智能電表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了介紹，現(xiàn)就以下兩點(diǎn)總結(jié)和展望：

（1）從設(shè)計(jì)角度看，該類型智能電表系統(tǒng)集集成嵌入技術(shù)、通信技術(shù)和計(jì)量技術(shù)等多種技術(shù)于一體，涉及智能電表主程序工作流程、Linux系統(tǒng)下的硬件設(shè)備驅(qū)動(dòng)開發(fā)和網(wǎng)絡(luò)通信的軟件設(shè)計(jì)等技術(shù)。

（2）從應(yīng)用前景看，基于ARM 的智能電表系統(tǒng)具備實(shí)時(shí)性強(qiáng)、功耗低、建設(shè)成本少、后期升級(jí)維護(hù)的成本低、系統(tǒng)傳輸?shù)娜萘看?、通信的費(fèi)用低等很多優(yōu)點(diǎn)，最終成功實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和遠(yuǎn)程控制繼電器通斷。這些技術(shù)優(yōu)勢(shì)極大的滿足了實(shí)際應(yīng)用的需求，使該技術(shù)擁有廣泛和良好的應(yīng)用前景。