基于嵌入式Win CE系統的電能質量監測儀的設計

　　摘要：電能的應用程度是衡量一個國家電力發展水平的重要標志之一。近年來，用戶對電能質量的要求越來越高，使得電能質量問題日益緊迫地擺在了大家的面前，電能質量的好壞直接關系到國民經濟的總體效益。文章設計了一種基于嵌入式系統的電能質量參數監測儀，改進了以往同類監測儀的缺點，能實時地顯示出動態電能質量的參數變化，具有較高的實際應用價值。
　　
　　引言
　　
　　電能的應用程度是衡量一個國家電力發展水平的重要標志之一。近年來，用戶對電能質量的要求越來越高，使得電能質量問題日益緊迫地擺在了大家的面前，電能質量的好壞直接關系到國民經濟的總體效益。
　　
　　為了提高供電質量，保證電網和供電設備安全、經濟及可靠運行，國內外許多研究機構和公司研制生產了各種功能的電力參數分析儀表、儀器，但傳統的基于有效值理論的監測技術已經不能完整、準確地描述實際發生的動態電能質量問題。在此，設計了一種基于嵌入式系統的電能質量參數監測儀，改進了以往同類監測儀的缺點，能實時地顯示出動態電能質量的參數變化，具有較高的實際應用價值。
　　
　　1、電力參數的計算
　　
　　電能質量主要包括由公用電網供給用戶端交流電能品質的一些參數。本文主要討論國家標準涉及的各項穩態指標，如頻率、電壓（電流）、諧波、閃變、三相不平衡度等，以及功率、相位差、諧波畸變率等相關指標的分析測量，這也是一般的電能質量測量分析儀器所關心的電能質量指標。
　　
　　下面給出各項電能參數的計算方法：
　　
　　電壓有效值的離散化計算公式：　　
　　式中：UA，UB，UC，IA，IB，IC分別為各相電壓電流的有效值。　　
　　式中：fs為所選晶振頻率（單位為Hz）;TCnt為一個整周期定時器計數值。
　　
　　諧波含量就是各次諧波的平方和開方。諧波電壓含量與諧波電流含量分別表示為：　　
　　2、系統整體結構
　　
　　基于ARM9和嵌入式WindowsCE系統的整體結構圖如圖1所示。　　
　　該系統采用DSP+ARM9的雙CPU形式，其中，DSP采用TI公司的TMS320F2812;ARM9采用Samsung的S3C2410。該系統中ARM部分用購買的開發
　　
　　板進行開發測試。
　　
　　TMS320F2812提供了足夠的處理能力，使一些復雜實時控制算法的應用成為可能，它主要完成對三相交流電壓、電流的數據采集，電壓和電流經過信號調理電路，經互感器隔離降壓，經低通濾波器濾除高頻分量，使電壓和電流進入TMS320F2812處理器，之后通過TMS320F2812對這些數據進行計算處理，再通過CAN總線通信將處理好的數據傳送給ARM模塊。
　　
　　S3C24lO是SAMSung公司推出的16/32位RISC處理器，具有低成本、低功耗、小體積、高性能的特點，集成了豐富的片上資源。系統中，其主要作用是利用CAN總線通信來接收從DSP傳過來的數據，并對其進行LCD顯示，以實現實時監測，同時，還可通過USB接口將數據存儲到U盤上。其中，TMS320F2812的CAN收發器型號為PCA82C250。TMS320F2812片上集成了CAN通信接口，可直接與PCA82C250上的TXD和RXD相連，并將信號轉換成CANH，CAHL后，在CAN總線上傳輸。由于ARM開發板并沒有提供CAN接口，所以此部分要進行外擴。S3C2410與CAN總線的接口采用SPI轉CAN的方式，控制器采用Microchip公司的MCP2515。S3C24lO的SPI接口可直接與MCP2515控制器的SPI接口相連，控制器輸出端的信號經PCA82C250轉化為CANH，CANL后，在CAN總線上傳輸。
　　
　　3、嵌入式操作系統WinCE的定制、移植及驅動程序的開發
　　
　　3.1CAN驅動程序的開發
　　
　　Platform.Builder本身自帶了很多驅動程序，如串口驅動、USB口驅動等，但由于系統中的CAN總線通信部分是外擴的，開發商提供的BSP開發包不包含這部分驅動，要自行編寫驅動程序和注冊表部分的文件，定制出CEC文件，并將生成的驅動與BSP進行綁定。CAN驅動開發流程為：
　　
　　編寫CAN驅動時，首先要確保S3C24lO的SPI接口可以正常工作，再利用SPI接口對MCP2515寄存器進行相應的設置。
　　
　　CAN總線驅動的設計步驟為：
　　
　　（1）初始化S3C2410的SPI口。設置波特率、主從模式、通信方式等;
　　
　　（2）初始化MCP2515。設置相應的發送、接收緩沖器;
　　
　　（3）編寫CAN控制器的收發程序;
　　
　　（4）編寫CAN流接口的函數形式;
　　
　　（5）導出流接口，修改注冊表和CEC文件。
　　
　　3.2操作系統的移植
　　
　　對Windows CE操作系統進行移植，*行Win CE Bootloader的開發，然后進行操作系統的特性配置和移植，再進行硬件平臺上驅動程序的開發，zui后對應用程序進行移植和開發。
　　
　　（1）Bootloader的開發。Bootloader的結構可以分為BLCommon、OEM代碼、Eboot、存儲管理、EDBG驅動程序五個部分。這五部分中，除了OEM代碼需要自己編寫外，其他幾個部分的代碼都是由WindowsCE本身提供的。
　　
　　（2）內核的配置和移植。WinCE內核的配置和移植是在Platform.Builder的幫助下，根據系統的具體應用目標來進行各種功能裁減，然后由Sysgen即可編譯生成所需的操作系統鏡像NK.bin。當Platform Builder成功編譯生成WinCE內核后，通過Platform Builder自帶的TFPT網絡傳輸工具或其他TFPT網絡傳輸工具將內核下載至硬件平臺中。
　　
　　（3）驅動程序開發。WindowsCE提供了特定的驅動程序框架，以驅動內部或者外圍的硬件設備。驅動程序位于操作系統與硬件的中間，是BSP包的一部分，將操作系統與設備鏈接起來，操作系統就能識別設備，并為應用程序提供相應的服務。在此主要介紹了CAN驅動程序的開發。
　　
　　（4）應用程序的開發和移植。完成以上內容后，就可以針對硬件平臺和具體系統要求進行應用程序的開發。
　　
　　4、結語
　　
　　設計了一種基于ARM9和WindowsCE的數據采集系統，采用TMS320F2812處理器對數據進行采集，充分發揮了這款DSP芯片的數據處理能力;S3C24lO和WindowsCE嵌入式系統的應用，使得系統能夠實現數據的實時顯示和監測。文中實現了對硬件平臺的設計和對WindowsCE操作系統的定制、移植及其驅動程序的開發。該系統具有實時性好，性價比高等特點，有很高的實用價值。