專利名稱：基于雙cpu模式的便攜式電能質(zhì)量監(jiān)測分析儀的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及電能質(zhì)量監(jiān)控技術，特別適用于電力系統(tǒng)、電力用戶配電 網(wǎng)、風電場及風光互補發(fā)電系統(tǒng)的電能質(zhì)量檢測分析儀。
背景技術：
現(xiàn)有的電能質(zhì)量監(jiān)控產(chǎn)品或采用模擬電路，或采用工控機方式，在實時在 線三相同時采集、分析處理方面考慮很少，工作可靠性不高，裝置不能長期運 行，也無法將采集分析參數(shù)遠傳至遠方控制中心進行進一步分析處理，不能形 成一個完整的電能質(zhì)量監(jiān)控信息網(wǎng)。目前，國內(nèi)部分生產(chǎn)廠家也開發(fā)了一些電力測控裝置和電能質(zhì)量監(jiān)測裝置，但在功能上、實用化方面均未達到理想效果，其存在的問題主要有處理功能 較差，運算速度較慢；計算能力較弱，難以實現(xiàn)高精度測量、實時監(jiān)控和先進 的算法；有些產(chǎn)品雖然引進了國外的技術模塊，但是價格較高；有些產(chǎn)品無通 訊和控制輸出功能，不滿足電力系統(tǒng)網(wǎng)絡化、自動化的發(fā)展方向；另外，大部 分的產(chǎn)品人機交互性不好。 實用新型內(nèi)容本實用新型的目的在于針對現(xiàn)有技術中的不足，提供一種應用于電能質(zhì)量 監(jiān)測技術中的基于數(shù)字信號處理器和ARM芯片雙CPU模式的便攜式電能質(zhì)量 監(jiān)測分析儀，該分析儀能對在線監(jiān)控裝置就地監(jiān)控，還能實時提供電壓、電流、 有功功率、無功功率、頻率等電能質(zhì)量的基本參數(shù)，而且還能對電力系統(tǒng)的諧 波、三相電壓不平衡度、電壓波動與閃變等電能質(zhì)量指標進行分析。本實用新型的目的通過如下技術方案實現(xiàn)
基于雙CPU模式的便攜式電能質(zhì)量監(jiān)測分析儀，包括數(shù)據(jù)采集器 ADS8364、同步采樣鎖相環(huán)電路、數(shù)字信號處理器DSP模塊、ARM模塊和TFT 液晶顯示觸摸屏；所述提供6路采樣通道，實現(xiàn)對各電能指標的采集的數(shù)據(jù)釆集器ADS8364 與同步采樣鎖相環(huán)電路電連接，所述數(shù)據(jù)采集器ADS8364通過數(shù)據(jù)線與數(shù)字處 理器DSP模塊電連接；所述數(shù)字處理器DSP模塊通過串行通訊接口 SCI-A與ARM模塊連接； 實現(xiàn)對DSP計算結(jié)果的分析及顯示ARM模塊與TFT液晶顯示觸摸屏電連 接，ARM模塊把從數(shù)字信號處理器DSP中接收到的數(shù)據(jù)傳送給TFT液晶顯示 觸摸屏加以顯示，所述TFT液晶顯示觸摸屏通過鼠標或手觸摸操作實現(xiàn)對各相 電能指標的査看。具體地說，本實用新型所述數(shù)據(jù)采集器ADS8364提供6路采樣通道，采用 了 16-bit精度的A/D轉(zhuǎn)換器，所述6路采樣通道配合同步采樣鎖相環(huán)電路實現(xiàn) 完全同步信號，所述數(shù)據(jù)采集器ADS8364通過數(shù)據(jù)線與數(shù)字處理器 TMS320F2812 DSP模塊電連接。所述數(shù)字信號處理器TMS320F2812 DSP片內(nèi)的外設ADC通過ADCINAO 和ADCINBO提供預留2路采樣通道，用于其它電量信號的采集和測量，所述 數(shù)字信號處理器TMS320F2812 DSP集微控制器和高性能DSP的特點于一身， 具有強大的控制和信號處理能力，能夠?qū)崿F(xiàn)復雜的控制算法，具有精度高、速 度快、集成度高等特點，為不同控制領域提供了高性能解決方案。該模塊對采 集來的數(shù)據(jù)進行計算和分析處理，另外還采用了專門的抗濯疊濾波芯片，能夠 靈活地設置和選擇濾波特性，以便能進行比較精確的諧波測量。所述數(shù)字處理 器TMS320F2812 DSP模塊還通過串行通訊接口 SCI-A與S3C2410 ARM機塊連 接，而SCI-B接口則作為備用通信接口或與其他數(shù)字設備連接從而實現(xiàn)對系統(tǒng) 的擴展。所述S3C2410 ARM微控制器具有低功耗、高性價比的優(yōu)點， 已經(jīng)廣泛用 于嵌入式控制領域。將其與DSP組成的框架用于實現(xiàn)本系統(tǒng)，充分體現(xiàn)了系統(tǒng) 嵌入式、便攜式的優(yōu)點。模塊中以太網(wǎng)接口則可實現(xiàn)與其他終端設備或PC機 通信，構建分布式本地局域網(wǎng)，S3C2410ARM模塊外部還設有一個FLASH存 儲器用來存放S3C2410 ARM主程序，S3C2410 ARM模塊與TFT液晶顯示觸摸 屏電連接，S3C2410 ARM模塊把接收到的數(shù)據(jù)傳送給TFT液晶顯示觸摸屏加 以顯示，所述TFT液晶顯示觸摸屏通過鼠標或手觸摸操作實現(xiàn)對各相電能指標 的査看。所述外擴靜態(tài)SRAM用于暫存采樣數(shù)據(jù)或為程序算法提供計算緩沖空間， 所述計數(shù)通道與數(shù)字信號處理器TMS320F2812 DSP的EV-B連接，實現(xiàn)對外部 脈沖的準確計數(shù)并用于實時測量風速大小。與現(xiàn)有技術相比，本實用新型具有如下優(yōu)點(1) 采用雙CPU的嵌入式系統(tǒng)作為硬件平臺，基于TMS320F2812 DSP 的多通道同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實現(xiàn)6通道的同步采樣，采用了 16-bit精度的A/D 轉(zhuǎn)換器，最高采樣速率達250Kbps， 32位定點DSP芯片進行數(shù)據(jù)的處理，計算 速度達150MIPS，另外還采用了專門的抗混疊濾波芯片，能夠靈活地設置和選 擇濾波特性，以便能進行比較精確的諧波測量。該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有成本低、 精度高、實時性好、處理能力強等優(yōu)點，且能實現(xiàn)基于鎖相環(huán)頻率跟蹤的多通 道同步采樣，完全適合電力系統(tǒng)中進行電量監(jiān)測。(2) TMS320F2812DSP芯片完成了基4和基2相結(jié)合的復數(shù)FFT (傅立 葉)通用算法編寫，并對均方值、閃變等電能質(zhì)量指標的計算做了優(yōu)化，使計
算速度大大提高，實時性更強。(3) 采用嵌入式數(shù)據(jù)庫將電能質(zhì)量參數(shù)、各項指標存儲到ARM的大容量 SD卡，通過通信網(wǎng)將這些歷史數(shù)據(jù)傳送到電能質(zhì)量分析主站，對系統(tǒng)內(nèi)電能 質(zhì)量變化進行分析統(tǒng)計，給出電能質(zhì)量變化的歷史趨勢，用于評價系統(tǒng)電能質(zhì) 量水平，發(fā)現(xiàn)設備問題以及評估安裝的電力調(diào)整設備的性能。(4) 體積小，便于攜帶，人機交互性好。

圖1為本實用新型的電能質(zhì)量檢測分析儀的雙CPU嵌入式系統(tǒng)圖； 圖2為本實用新型的電能質(zhì)量檢測分析儀的基于DSP+ARM整體結(jié)構圖； 圖3為本實用新型的電能質(zhì)量檢測分析儀的采樣系統(tǒng)結(jié)構圖； 圖4為本實用新型的電能質(zhì)量檢測分析儀的DSP主程序流程圖； 圖5為本實用新型的電能質(zhì)量檢測分析儀的ARM主程序流程圖。
具體實施方式
便攜式電能質(zhì)量監(jiān)測分析儀系統(tǒng)結(jié)構如圖1所示，基于雙CPU模式的便攜 式電能質(zhì)量監(jiān)測分析儀包括數(shù)據(jù)采集器l，型號為ADS8364、同步采樣鎖相環(huán) 電路2、數(shù)字信號處理器DSP模塊3、 ARM模塊4和TFT液晶顯示觸摸屏5; 數(shù)據(jù)采集器1與同步采樣鎖相環(huán)電路2電連接，數(shù)據(jù)采集器1通過數(shù)據(jù)線與數(shù) 字處理器DSP模塊3電連接;數(shù)字處理器DSP模塊3通過串行通訊接口 SCI-A 與ARM模塊4信號連接；ARM模塊4與TFT液晶顯示觸摸屏電連接，TFT 液晶顯示觸摸屏5通過鼠標或手觸摸操作實現(xiàn)對各相電能指標的査看。整個裝置主要由采集處理裝置和顯示裝置組成。采集裝置選用數(shù)據(jù)采集器 ADS8364 1配合同步采樣鎖相環(huán)2和數(shù)字信號處理器DSP模塊3，數(shù)字信號處 理器DSP選用DSP TMS320F2812,實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)采集器1選用的
ADS8364型數(shù)據(jù)采集器是TI公司生產(chǎn)的專門用于電力系統(tǒng)采樣的多通道同步 采樣芯片，其提供的6路模擬通道能實現(xiàn)對三相電流、電壓的同時采集，同步 采樣鎖相環(huán)實現(xiàn)了對電網(wǎng)頻率的實時跟蹤，為后續(xù)的數(shù)字信號處理器DSP3處 理保證了精度，數(shù)字信號處理器DSP3實現(xiàn)數(shù)據(jù)的暫時存儲和計算、分析處理， 進行相應電能質(zhì)量指標的計算包括電網(wǎng)的三相電壓、電流有效值、有功功率、 無功功率、視在功率、功率因素、電壓波動及閃變、各次諧波及三相不平衡， 數(shù)字信號處理器DSP3并將這些計算結(jié)果上傳至ARM模塊4， ARM模塊4主 要負責系統(tǒng)監(jiān)控管理、圖形顯示、歷史數(shù)據(jù)的存儲等任務，同時，ARM模塊4 提供的基于TCP/IP協(xié)議的以太網(wǎng)應用接口能快速實現(xiàn)與其它終端設備或PC機 的通信，輕松構建分布式局域網(wǎng)，實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)的管理或進行遠程監(jiān)控與診斷。 具體操作時，用戶點擊TFT液晶顯示觸摸屏5上的某個選項(當用戶進入 某個頁面后)，ARM模塊4將通過串口通信SCI-A發(fā)送數(shù)據(jù)請求信號給數(shù)字信 號處理器DSP 3，數(shù)字信號處理器DSP 3將最新采樣數(shù)據(jù)的計算結(jié)果上傳至 ARM模塊4， ARM模塊4將用戶所要的指標以圖形和數(shù)值的形式通過TFT液 晶顯示觸摸屏5再顯示出來。如圖2所示，同步采樣鎖相環(huán)2用于實現(xiàn)對采樣信號頻率的實時跟蹤，從 而實現(xiàn)信號的同步，計數(shù)通道7用于對外界風速儀獲得的脈沖信號進行準確計 數(shù)，實現(xiàn)對風速脈沖信號的測量，預留的2路采樣通道8用于其它電量信號的 測量，該部分可以實現(xiàn)對采樣通道的功能擴展，SCI-A用于與ARM模塊4的 實時數(shù)據(jù)通信，SCI-B作為備用通信接口或與別的數(shù)字設備連接從而實現(xiàn)對系 統(tǒng)的擴展，外擴靜態(tài)SRAM 6用于暫時存放采樣數(shù)據(jù)或為程序算法提供計算緩 沖空間，預留IO接口方便系統(tǒng)擴展或二次開發(fā)應用。如圖3所示，來自三相電壓電流傳感器的低電壓信號(共6路)，經(jīng)由輸入 限幅單元后先進行信號的濾波處理，然后進入的數(shù)據(jù)采集器1采樣通道并進行A/D轉(zhuǎn)換，同時，將限幅單元輸出信號經(jīng)一定處理后引至同步采樣鎖相環(huán)2以 便進行頻率跟蹤，此頻率經(jīng)倍頻后將提供給A/D轉(zhuǎn)換芯片數(shù)據(jù)采集器1作為采 樣點的控制信號,所轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)再送到數(shù)字信號處理器DSP3中進行運算處理。 所述基于雙CPU模式的便攜式電能質(zhì)量監(jiān)測分析儀的監(jiān)測原理如下1) 電量隔離傳感器輸出的三相電壓電流信號，經(jīng)限幅濾波等電路后送至數(shù) 據(jù)采集器ADS8364的采集通道并進行A/D轉(zhuǎn)換，同時，將限幅單元的輸出信 號引至所述同步采樣鎖相環(huán)電路中進行頻率實時跟蹤，此頻率倍頻后作為采樣 啟動信號送給數(shù)據(jù)采集器ADS8364,確保對輸入信號的定點采樣；而風速風向 脈沖信號則可以通過所述計數(shù)通道連接的EV-B接口送至數(shù)字信號處理器DSP 中，實現(xiàn)對風速風向的準確測量；2) 所述數(shù)字信號處理器DSP實時讀取數(shù)據(jù)采集器ADS8364中的采樣數(shù)據(jù) 并進行相應電能質(zhì)量指標的計算，將計算結(jié)果通過所述串口通信接口 SCI-A送 至ARM模塊供存儲和顯示；3) ARM模塊把從數(shù)字信號處理器DSP中接收到的數(shù)據(jù)傳送給TFT液晶 顯示觸摸屏加以顯示，所述TFT液晶顯示觸摸屏通過鼠標或手觸摸操作實現(xiàn)對 各相電能指標的査看。數(shù)字信號處理器DSP的主程序流程圖如圖4所示。首先DSPTMS320F2812 上電復位進入初始化流程，初始化包括變量賦值、系統(tǒng)初始化、關全局中斷 DINT、片內(nèi)外設初始化和數(shù)據(jù)采集器ADS8364 1的初始化，然后啟動DSP TMS320F2812 3片內(nèi)定時器，啟動1秒定時，設置IER、 IFR寄存器和中斷配 置，接著開全局中斷EINT，最后査詢Com—State進入switch流程。所述switch 流程是根據(jù)ARM模塊4發(fā)給DSPTMS320F2812 3所要提取數(shù)據(jù)的分類判別依
據(jù)，該流程設有五個可選擇的顯示頁面，第一個頁面顯示每一相的電壓電流波 形、電壓電流有效值及電壓頻率；第二個頁面顯示每一相的電壓總諧波失真度、 電壓諧波的幅值及相位圖；第三個頁面顯示每一相的電流總諧波失真度、電流 諧波的幅值及相位圖；第四個頁面顯示每一相的電壓電流波形及有功功率、無 功功率、視在功率、功率因數(shù)及有功功率、無功功率和風速曲線圖；第五個頁 面顯示瞬時閃變曲線及短時閃變值。ARM模塊的主程序流程如圖5所示。首先對ARM模塊4初始化，從觸摸 屏接收用戶命令后創(chuàng)建通訊子線程，創(chuàng)建定時器保證與數(shù)字信號處理器DSP 3 同步，然后進入處理消息隊列和相應消息隊列的循環(huán)中。ARM每打開一個頁 面，發(fā)送該頁面此時所要數(shù)據(jù)的請求信號，該信號通過奇偶校驗和累加和校驗 到達數(shù)字信號處理器DSP 3，數(shù)字信號處理器DSP 3判斷該信號是否為正確的 請求信號，若正確，數(shù)字信號處理器DSP3向ARM模塊4發(fā)送所要的數(shù)據(jù)， 若錯誤，給ARM模塊4發(fā)送重發(fā)信號。當頁面顯示數(shù)據(jù)接收完畢信號時，每 個頁面的波形及數(shù)據(jù)就顯示在TFT液晶顯示觸摸屏5上。對重要的變電站的公共供電點的電能質(zhì)量實行連續(xù)監(jiān)測，監(jiān)測的主要技術 指標包括供電頻率、電壓偏差、三相電壓不平衡、有功功率、電網(wǎng)諧波和功 率因素；電壓波動和閃變不需要在線連續(xù)監(jiān)測，它們計算所需數(shù)據(jù)量較大，時 間耗費較多，對它們采取非連續(xù)監(jiān)測。對于連續(xù)監(jiān)測，DSP TMS320F2812每 接收1024點的采樣數(shù)據(jù)，就重新計算一次這些指標的值，由于采取了先進的快 速傅立葉變換FFT及對其它算法進行了優(yōu)化，使DSPTMS320F2812能夠?qū)崟r 相應用戶請求。其中我們所研制的FFT算法是一個通用的算法，對復數(shù)也適用， 可以對電壓電流的任意次諧波進行分析。而非連續(xù)監(jiān)測則要保存10分鐘的釆樣 數(shù)據(jù)后，才能進入電壓波動和閃變的計算。
權利要求1、基于雙CPU模式的便攜式電能質(zhì)量監(jiān)測分析儀，其特征在于，包括數(shù)據(jù)采集器、同步采樣鎖相環(huán)電路、數(shù)字信號處理器DSP模塊、ARM模塊和TFT液晶顯示觸摸屏；所述提供6路采樣通道，實現(xiàn)對各電能指標的采集的數(shù)據(jù)采集器與同步采樣鎖相環(huán)電路電連接，所述數(shù)據(jù)采集器通過數(shù)據(jù)線與數(shù)字處理器DSP模塊電連接；所述數(shù)字處理器DSP模塊通過串行通訊接口SCI-A與ARM模塊連接；實現(xiàn)對數(shù)字處理器DSP模塊計算結(jié)果的分析及顯示的ARM模塊與TFT液晶顯示觸摸屏電連接，ARM模塊把從數(shù)字信號處理器DSP中接收到的數(shù)據(jù)傳送給TFT液晶顯示觸摸屏加以顯示。
2、 根據(jù)權利要求1所述的基于雙CPU模式的便攜式電能質(zhì)量監(jiān)測分析儀， 其特征在于該裝置還包括用于暫存采樣數(shù)據(jù)或為程序算法提供計算緩沖空間的 外擴靜態(tài)SRAM和計數(shù)通道，所述計數(shù)通道與數(shù)字信號處理器DSP的EV-B連 接，實現(xiàn)對外部脈沖的準確計數(shù)并用于實時測量風速大小。
3、 根據(jù)權利要求1所述基于雙CPU模式的便攜式電能質(zhì)量監(jiān)測分析儀， 其特征在于所述數(shù)字信號處理器DSP的型號為TMS320F2812，所述ARM模塊 采用的是S3C2410芯片。
4、 根據(jù)權利要求1所述基于雙CPU模式的便攜式電能質(zhì)量監(jiān)測分析儀， 其特征在于所述數(shù)字信號處理器DSP模塊外設ADC，通過名稱為ADCINAO和 名稱為ADCINBO提供預留2路采樣通道，用于其它電量信號的采集和測量。
5、 根據(jù)權利要求1所述基于雙CPU模式的便攜式電能質(zhì)量監(jiān)測分析儀， 其特征在于所述數(shù)字處理器DSP通過串行通訊接口 SCI-B與其他數(shù)字設備連接 從而實現(xiàn)對系統(tǒng)的擴展。
6、根據(jù)權利要求1所述基于雙CPU模式的便攜式電能質(zhì)量監(jiān)測分析儀， 其特征在于所述數(shù)據(jù)采集器為ADS8364型數(shù)據(jù)采集器。
專利摘要本實用新型公開了基于雙CPU模式的便攜式電能質(zhì)量監(jiān)測分析儀，該便攜式電能質(zhì)量監(jiān)測分析儀包括數(shù)據(jù)采集器、同步采樣鎖相環(huán)電路、數(shù)字信號處理器DSP模塊、ARM模塊和TFT液晶顯示觸摸屏；數(shù)據(jù)采集器與同步采樣鎖相環(huán)電路電連接，數(shù)據(jù)采集器通過數(shù)據(jù)線與數(shù)字處理器DSP模塊電連接；數(shù)字處理器DSP模塊通過串行通訊接口SCI-A與ARM模塊連接；實現(xiàn)對DSP計算結(jié)果的分析及顯示的ARM模塊與TFT液晶顯示觸摸屏電連接。分析儀充分利用DSP強大的計算處理能力和ARM完善的顯示功能，既能實現(xiàn)對多路電量信號的精確采集，又能保證運算處理的實時性、快速性和準確性，并且系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。
文檔編號G01R13/00GK201035054SQ20072005210
公開日2008年3月12日 申請日期2007年5月30日 優(yōu)先權日2007年5月30日
發(fā)明者余曉明, 捷 吳, 勇 張, 澹 柳, 王世聞, 陳思哲, 馬藝緯 申請人:華南理工大學