蔣鑫偉 李峻 陳圓 劉志勇 陳崗

（威勝信息技術(shù)股份有限公司 湖南省長沙市 410205）

目前，隨著國家經(jīng)濟(jì)技術(shù)的發(fā)展和人們生活水平的提高，電能已經(jīng)成為了人們生產(chǎn)和生活中必不可少的二次能源。而電能質(zhì)量的優(yōu)劣則直接關(guān)系到用電戶的用電體驗(yàn)。

電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置是用于實(shí)時(shí)記錄、分析和監(jiān)測(cè)電網(wǎng)電能質(zhì)量的裝置。現(xiàn)使用的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置大多采用DSP+傳統(tǒng)的工控機(jī)方案，DSP芯片負(fù)責(zé)電壓電流的采樣數(shù)據(jù)處理、分析，工控機(jī)負(fù)責(zé)對(duì)DSP處理輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、對(duì)外部進(jìn)行數(shù)據(jù)交換、對(duì)裝置進(jìn)行人機(jī)界面控制，DSP和工控機(jī)之間采用總線方式進(jìn)行傳輸。目前這種方案成熟、穩(wěn)定、成本低，得到了業(yè)界廣泛的使用。但這種方案也有一定局限性：首先，DSP芯片處理任務(wù)單一，難以滿足最新的電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)IEC61000中提出的對(duì)諧波、閃變、不平衡的監(jiān)測(cè)分析要求；其次，總線傳輸?shù)乃俣嚷?，易受干擾，難以實(shí)現(xiàn)多通道、大容量的數(shù)據(jù)傳輸，再者，DSP+傳統(tǒng)的工控機(jī)方案成本高、體積大，已不適合現(xiàn)階段新型電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置的發(fā)展要求。因此，市場(chǎng)迫切需要一款一種體積小、成本低、精度高、性能穩(wěn)定的新型電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置。

本文專門探討了一種新型電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置的硬軟件設(shè)計(jì)方法，該裝置采用雙核架構(gòu)組成監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)， DSP數(shù)字處理器負(fù)責(zé)前端的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)處理，算法分析， ARM9高端芯片則負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與整個(gè)裝置人機(jī)界面管理，通信，輸入輸出的控制；主控模塊和測(cè)量模塊之間通過高速USB總線進(jìn)行通信，該裝置具有比以前的產(chǎn)品功能更強(qiáng)大、準(zhǔn)確度更高、性能更穩(wěn)定的優(yōu)勢(shì)與特點(diǎn)。

1 裝置的硬件設(shè)計(jì)

新型電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀采用按照功能劃分具體板件模塊的設(shè)計(jì)思想，對(duì)于實(shí)現(xiàn)相同或者類似功能的電路則根據(jù)具體結(jié)構(gòu)約束分配到同一塊印制板上。具體來說，本設(shè)計(jì)按照功能劃分有以下功能電路：模擬測(cè)量板單元（模擬電路AD采樣接口、OMAPL138系統(tǒng)、輸入輸出口、網(wǎng)絡(luò)接口）、主控板單元（含AT91SAM9G45控制系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)接口、人機(jī)交互單元：液晶、LED指示燈、矩陣鍵盤、外接鼠標(biāo)、鍵盤等）、背板單元（USB HUB電路、USB總線、485總線、板件通訊、支撐插座等）、電源板單元（+5V、+12V輸出），共計(jì)五大功能單元電路。

1.1 硬件結(jié)構(gòu)框圖的設(shè)計(jì)

圖1為裝置的硬件結(jié)構(gòu)框圖。

圖1：硬件結(jié)構(gòu)框圖

如圖1所示，整體系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)及數(shù)據(jù)傳輸方案是；

模擬測(cè)量板單元通過板載電壓PT、電流CT、運(yùn)放電路完成外部的電壓、電流信號(hào)采樣，AD芯片完成模數(shù)信號(hào)轉(zhuǎn)換傳給板載的雙核處理器，雙核處理器內(nèi)置FFT算法，完成對(duì)基本電參量、諧波、閃變等的測(cè)量與分析工作。ARM核完成基于IEC61850庫的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、存儲(chǔ)、與主控板通信、外部遙信輸入、遙控輸出等工作。板載網(wǎng)絡(luò)接口完成實(shí)現(xiàn)單板與外部設(shè)備組網(wǎng)，高速數(shù)據(jù)交換的工作。通過USB2.0接口與主控板進(jìn)行通信。

主控板單元核心處理器通過USB2.0總線與數(shù)字測(cè)量板、模擬測(cè)量板單元進(jìn)行基于IEC61850庫的數(shù)據(jù)交互、統(tǒng)計(jì)、存儲(chǔ)。通過USB2.0總線對(duì)外設(shè)鍵盤、鼠標(biāo)進(jìn)行控制，通過總線對(duì)液晶進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)顯示功能，通過擴(kuò)展網(wǎng)卡芯片實(shí)現(xiàn)基于IEC61850庫的數(shù)據(jù)上傳功能，通過485、232口實(shí)現(xiàn)集采、維護(hù)功能。

背板單元的主要器件是2片的1擴(kuò)7的USB HUB芯片，負(fù)責(zé)8塊數(shù)字測(cè)量板、模擬測(cè)量板、外部USB鍵盤、鼠標(biāo)與主控板單元核心處理器的數(shù)據(jù)交互。

電源板上的主要器件是電源模塊：功率總和5w、+5V輸出，交流濾波器NAC-04、散熱風(fēng)扇，以上器件組成的電源單元負(fù)責(zé)對(duì)整機(jī)系統(tǒng)的數(shù)字測(cè)量板、模擬測(cè)量板、背板、液晶模塊等供電。

1.2 模擬測(cè)量板單元電路設(shè)計(jì)方案

1.2.1 模擬板核心板最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)

核心板具有雙核片上系統(tǒng)DSP浮點(diǎn)處理器 和ARM ,運(yùn)行速率均為400MHz，具有增強(qiáng)型直接內(nèi)存訪問控制器（EDMA3）、128MB的16位 的EMIFA控 制 器（NAND FLASH）、512MB地址空間的16位DDRII內(nèi)存控制器、3個(gè)UART模塊、1個(gè)LCD控制器、2個(gè)SPI口、2個(gè)I2C口、1個(gè)含32K振蕩器的實(shí)時(shí)時(shí)鐘、2個(gè)SD卡接口、1個(gè)USB1.1口 、1個(gè)USB2.0口、1個(gè)10M/100M的以太網(wǎng)

MAC、2個(gè)多通道串口、3個(gè)64位通用定時(shí)器、1個(gè)64位看門狗定時(shí)器。16個(gè)多通道可編程I/O口 。

本設(shè)計(jì)的最小系統(tǒng)中，采用1片1G的NAND FLASH通過總線 連接DSP的EMIFA控制器，提供啟動(dòng)、系統(tǒng)程序的存儲(chǔ)空間，采用1片1G的DDRII內(nèi)存通過總線 連接DSP的DDRII控制器，提供數(shù)據(jù)的運(yùn)行、操作空間，采用1塊4G的SD卡通過總線 連接DSP的SD接口，提供統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)空間。采用DSP內(nèi)置實(shí)時(shí)時(shí)鐘提供年月日時(shí)鐘信號(hào)，采用ADM706S看門狗芯片給DSP提供硬件復(fù)位信號(hào)。采用1片鐵電（1Mb）為DSP提供控制、采樣參數(shù)的存儲(chǔ)空間。實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC引腳外界1顆32.768的無源晶振。系統(tǒng)晶振引腳外接1顆24M的貼片有源晶振。另外，還設(shè)計(jì)了還設(shè)計(jì)了1個(gè)串口+485芯片與主控板9G45組成485總線備用通訊系統(tǒng)、1個(gè)外接調(diào)試串口供串口調(diào)試用、1個(gè)JTAG口供DSP的仿真調(diào)試用。

1.2.2 模擬測(cè)量板板載電源方案

DSP的電壓系統(tǒng)為雙電壓架構(gòu)，即DSP系統(tǒng)本身、內(nèi)部RTC、內(nèi)部ROM、內(nèi)部IO為一個(gè)電壓架構(gòu)，與外設(shè)有關(guān)的USB、SATA口為一個(gè)電壓架構(gòu)，需要的電壓支持為；內(nèi)核電壓CVDD+1.2V（DSPC6748+ARM9）、內(nèi)部ROM電 壓 RVDD+1.2V、 I/O電 壓 DVDD18+1.8V、I/O電 壓DVDD3318+1.8V或+3.3V、USB0支撐電壓USB0_VDDA33+3.3V、輸入電壓USB0_VDDA18+1.8V、輸出電壓USB0_VDDA12+1.2V、內(nèi)核電壓USB_CVDD+1.2V、SATA邏輯電壓SATA_VDD +1.2V、DDR的邏輯電壓DDR_DVDD18+1.8V。根據(jù)手冊(cè)，DSP的標(biāo)準(zhǔn)功耗是(1.2V+1.8V)0.8W。DDRII（1.8V*0.3A）0.54W. NAND FLASH(3.3V*0.035) 0.12W,其他功耗（3.3V*0.03） 0.1W,所以，數(shù)字測(cè)量核心板上的功耗為1.56W。根據(jù)TI 的電源設(shè)計(jì)方案，我們選用1顆多電壓等級(jí)輸出的開關(guān)電源芯片TPS65070來解決整個(gè)數(shù)字測(cè)量板的電源需求。TPS65070具有5個(gè)電壓輸出端，3個(gè)是PWM電壓輸出，總電流輸出最大可達(dá)2A,設(shè)計(jì)輸出電壓等級(jí)為+1.3V、+1.8V、+3.3V，2個(gè)是LDO電壓輸出，總電流輸出200mA，設(shè)計(jì)輸出電壓等級(jí)為+1.2V、+1.8V、上電順序可控。OMLAP138的上電順序特點(diǎn)是先內(nèi)核，再IO，再外設(shè)，本設(shè)計(jì)的電源分配方案是；3個(gè)是PWM電壓輸出+1.3V、+1.8V、+3.3V分別供內(nèi)核、內(nèi)存、IO電源，2個(gè)是LDO電壓輸出供USB、SATA外設(shè)接口電源使用。同時(shí)通過電路控制依次上電順序，滿足DSP的供電需求。

1.2.3 模擬采樣電路

模擬板上的采樣電路由6路電壓、電流采樣通道、1片AD采樣芯片ADS7606組成。模擬采樣電路的主要作用是采集線路上的3相電壓、3相電流信號(hào)，信號(hào)的采樣頻率在0～5KHz之間，濾除采樣頻率之外的高頻諧波，模擬通道對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)理、AD芯片對(duì)信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，通過SPI口將6路數(shù)字采樣信號(hào)傳給DSP,供DSP進(jìn)行FFT分析、處理。

每1路電壓采樣電路由電壓互感器、一階RC濾波器、INA143運(yùn)放組成，信號(hào)通過電壓互感器后，隔離變比成毫伏級(jí)電壓信號(hào)信號(hào)，通過一階RC濾波器濾除高頻干擾信號(hào)，INA143再將信號(hào)放大，進(jìn)入ADS7606；

每1路電流采樣電路由電壓互感器、采樣電阻、一階RC濾波器、INA143運(yùn)放組成，信號(hào)通過電流互感器后，隔離變比成毫伏級(jí)電流信號(hào)，通過采樣電阻轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，信號(hào)通過一階RC濾波器濾除高頻干擾信號(hào)，INA143再將信號(hào)放大，進(jìn)入ADS7606。

ADS7606是一款8通道、±5V差分輸入、同時(shí)采樣的16位AD轉(zhuǎn)換器，所有通道的同步轉(zhuǎn)換數(shù)率為200KSPS。SPI口傳輸方式，芯片接受DSP的12.8K的中斷采樣信號(hào)，每隔78uS 中斷時(shí)間采樣一次，將6路電壓、電流信號(hào)差分信號(hào)進(jìn)入AD7606后，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)通過SPI口傳給DSP。

1.2.4 USB2.0總線通信電路

模擬板上的DSP與主控板上的ARM32芯片是通過USB2.0總線來通訊的。由于最多有8塊模擬板，而ARM32芯片的USB總線接口只有2個(gè)，因此需要通過背板上的USB HUB芯片來擴(kuò)充USB總線接口，因此，DSP的USB總線是先和USB HUB的USB擴(kuò)展口通訊，再通過2517和ARM32芯片的USB進(jìn)行通訊。DSP的USB2.0口做USB客戶端，信號(hào)USBDP、USBDM通過內(nèi)置的USB2.0PHY 收發(fā)，直接與USB HUB的PHY下游擴(kuò)展口USBDM、USBDP相連。

1.2.5 遙控遙信接口電路

模擬板上設(shè)計(jì)了2路遙信信號(hào)用來接收外部的開關(guān)量輸入、2路遙控信號(hào)用來控制繼電器對(duì)外部的輸出開關(guān)量。遙信遙控信號(hào)均為DSP上的IO信號(hào)，在板上設(shè)計(jì)一個(gè)隔離開關(guān)電源WRF0512S-2W作為遙信外部電源，遙信信號(hào)通過光耦隔離后再輸入，遙控信號(hào)則通過光耦隔離后控制5V繼電器輸出。

1.3 主控板單元電路設(shè)計(jì)方案

主控單元主要由ARM32芯片小板、主控板、面板三部分組成；

ARM32芯片小板構(gòu)成：

主要由1片ARM32芯片、1片12M有源晶振、1片32.768K無源晶振、1片1Gb的NANDFLASH、1片1Gb的DDRII、2片電源芯片（分別輸出+1.2V和+1.8V）。NANDFLASH、DDRII和ARM32芯片通過總線方式進(jìn)行連接。

ARM32芯片的主頻400M，支持DDRII,內(nèi)置TFT液晶驅(qū)動(dòng)器，2個(gè)USB2.0接口，1個(gè)以太網(wǎng)MAC控制器，2個(gè)SD卡接口，2個(gè)SPI接口，2個(gè)I2C接口，4個(gè)USART口,內(nèi)置32K RC時(shí)鐘。

ARM32芯片主要完成數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、顯示、鍵盤輸入、通信的功能，NANDFLASH完成控制程序存儲(chǔ)、DDRII完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，LM3671完成最小系統(tǒng)的供電。

主控板構(gòu)成：

主控板由2個(gè)總線插座、3個(gè)總線收發(fā)器、2個(gè)用于擴(kuò)展的網(wǎng)卡芯片、1個(gè)光纖接頭、1個(gè)網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器、1個(gè)看門狗電路、電源芯片MIC29152（+5V轉(zhuǎn)3.3V）、實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片RX-8025T、2個(gè)RS232接口、1個(gè)LVDS液晶驅(qū)動(dòng)器DS90C385A、2個(gè)USB2.0驅(qū)動(dòng)口組成。

面板構(gòu)成：

面板是用來連接主控板和液晶模塊、矩陣鍵盤、鼠標(biāo)及外接鍵盤USB口的中間板，同時(shí)還起著固定以上外設(shè)的作用。面板和主控板之間的連接是通過背板轉(zhuǎn)接來完成的，面板和背板通過軟排線連接。

面板上的矩陣鍵盤采用5*4結(jié)構(gòu)，可以輸入0-9數(shù)字及字母；

面板上的2個(gè)USB接口可以外接鼠標(biāo)、鍵盤。

面板上設(shè)計(jì)一路維護(hù)RS-232(PS/2)口。

1.4 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

廠站式監(jiān)測(cè)儀的測(cè)控單元結(jié)構(gòu)由ARM核和DSP核組成。圖2為測(cè)控單元雙核軟件結(jié)構(gòu)圖。

圖2：測(cè)控單元雙核軟件結(jié)構(gòu)圖

DSP核針對(duì)模擬和數(shù)字采樣繪制了兩幅功能模塊交互圖，如圖3，圖4所示。

圖3：傳統(tǒng)化DSP核的功能模塊交互圖

圖4：數(shù)字化DSP核的功能模塊交互圖

整體的軟件運(yùn)行流程如下：

S1. 監(jiān)測(cè)裝置上電初始化；

S2. 獲取待監(jiān)測(cè)線路的模擬量采樣信號(hào)和數(shù)字量采樣信號(hào)；

S3. 控制器電路根據(jù)獲取的模擬量采樣信號(hào)和數(shù)字量采樣信號(hào)，對(duì)電能進(jìn)行計(jì)量；

S4. 控制器電路根據(jù)獲取的模擬量采樣信號(hào)和數(shù)字量采樣信號(hào)，對(duì)電能質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測(cè)；

S5. 控制器電路將所述監(jiān)測(cè)裝置的工作參數(shù)存儲(chǔ)到存儲(chǔ)器電路。

2 裝置的測(cè)試與分析

根據(jù)理論設(shè)計(jì)出樣機(jī)后需要對(duì)樣機(jī)的電壓、電流采樣準(zhǔn)確性、諧波計(jì)算、不平衡計(jì)算的處理的功能進(jìn)行測(cè)試分析。實(shí)驗(yàn)中，采用FLUKE公司的標(biāo)準(zhǔn)臺(tái)式FLUKE電源作為信號(hào)發(fā)生器，用FLUKE公司的高精度數(shù)字電表作為標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)表，其精確度可以達(dá)到小數(shù)點(diǎn)后第四位，即萬分之一。檢測(cè)項(xiàng)目中，電壓、電流、頻率和諧波能夠直接給出待測(cè)目標(biāo)的測(cè)量和計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)，對(duì)于不平衡度的檢測(cè)．設(shè)計(jì)一組三相電壓，通過對(duì)稱分量法計(jì)算得出不平衡度的真實(shí)值。

3 試驗(yàn)分析

經(jīng)檢驗(yàn)，本裝置電壓的測(cè)量精度可達(dá)0.1%，電流可達(dá)0.5%。頻率、諧波和不平衡度也具有符合國標(biāo)GB/T19862-2015 電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置A級(jí)的測(cè)量精度，裝置整體達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求。

4 結(jié)論

本文介紹了一種新型電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置的硬軟件設(shè)計(jì)方法，該裝置采用雙核架構(gòu)組成監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)， DSP數(shù)字處理器負(fù)責(zé)前端的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)處理，算法分析， ARM9高端芯片則負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與整個(gè)裝置人機(jī)界面管理，通信，輸入輸出的控制；主控模塊和測(cè)量模塊之間通過高速USB總線進(jìn)行通信，該裝置具有比以前的產(chǎn)品功能更強(qiáng)大、準(zhǔn)確度更高、性能更穩(wěn)定的優(yōu)勢(shì)與特點(diǎn)。