0 引言

隨著社會經(jīng)濟和科學技術的飛速發(fā)展，電力機車、地鐵和電動汽車等將得到廣泛的應用。這些用電設備的電能變換與控制系統(tǒng)均采用雙向變流設備來實現(xiàn)節(jié)能運行。因此，電力參數(shù)檢測裝置對能量的雙向計量問題越來越受到人們的關注，并已成為電能檢測與計量技術發(fā)展的重要方向之一。

傳統(tǒng)的電力參數(shù)檢測裝置一般都是基于單片機或DSP設計的，前者受運算速度和處理數(shù)據(jù)能力的限制，越來越難以滿足目前電力參數(shù)檢測裝置的需要；而后者的輸出控制能力又較差。為此，本文介紹了一種以ARM920T為核心并嵌入Linux操作系統(tǒng)的電力參數(shù)檢測裝置。

1系統(tǒng)硬件設計 電力參數(shù)檢測裝置的硬件部分采用嵌入式Linux操作系統(tǒng)和ARM結合的開發(fā)平臺，不僅具有較強的數(shù)字信號處理能力，而且系統(tǒng)可靠性和實時性也較高，圖1所示是其硬件結構框圖。

1.1核心微處理器

本系統(tǒng)采用深圳優(yōu)龍公司的ST2410為核心開發(fā)板，該板是一款基于ARM920T內核的16／32位RISC嵌入式微處理器．該處理器的工作頻率高達203 MHz。

該系統(tǒng)充分利用ST2410豐富的外設接口go簡化了外圍接口電路的設計。通過UART或USB接口都可實現(xiàn)宿主機與目標機的通信，ST2410集成有一個含有采樣和保持功能的10位ADC模塊，其最大轉換速率為500 ksps，而且采樣通道數(shù)和通道的采樣順序可以通過編程來決定。該模塊還具有16位模數(shù)轉換結果寄存器，模數(shù)轉換的啟動和停止方式非常靈活，并可以通過軟件設置來啟動模數(shù)轉換功能，也可以通過查詢或中斷方式來判斷其自帶的8通道10位A／D轉換器是否可對外部的模擬信號進行采樣。另外，ST2410上還自帶117個GPIO口，通過這些接口可以進行LED和按鍵的擴展。

此外，還嵌入了功能強大的Linux操作系統(tǒng)。由于Linux是自由軟件，因此，用戶可以自行編譯內核，修改和擴充操作系統(tǒng)。最重要的是Linux是全面的多任務和真正的32位操作系統(tǒng)，其內核十分穩(wěn)定、小巧靈活、易于剪裁，這些都為系統(tǒng)的高效穩(wěn)定運行提供了基礎。

1.2信號采集單元的設計

信號采集單元的作用是采集交流電壓與電流信號，它將采集的信號調理成0～3.3 V后送到處理器進行處理，以滿足A／D輸入要求。

（1）傳感器的選擇

本設計選用的LTS25-NP多極電流傳感器和IN28-P電壓傳感器具有反應時間快、共模抑制比強、低溫漂與頻帶寬、抗外界干擾能力強、精度高、線形度好等優(yōu)點。

（2）前置放大

由于差動放大器的輸入阻抗很高，對信號源索取的電流很小，可以提高共模抑制能力和測量精度。因此，前置放大器一般采用差動輸入法對信號進行處理。

（3）濾波

經(jīng)檢測，感性負載上的電壓與電流波形都不是標準的正弦波（其基波是正弦波），因此，為了得到平滑的正弦波，需要濾掉高次諧波。而要設計濾波電路，通常可采用二階有源帶通濾波電路來取得較好的濾波效果，其波形如圖2所示。

（4）電平轉換

電流傳感器LTS25-NP的輸出帶有2.5 V直流分量，而S3C2410芯片上A／D的輸入范圍為0～3.3V，因此，要設計電平轉換電路，以使其消除電流傳感器輸出帶的2.5 V直流分量，并進行電平轉換，使其滿足A／D端口的電壓輸入范圍。

（5）隔離

為了保護芯片不受外界干擾而損壞，設計時在信號輸入通道上應采取隔離措施。由于數(shù)據(jù)采集所得到的是模擬信號，不能用普通的光電耦合器來進行隔離，所以，本系統(tǒng)選用ISO124線性光耦，該光耦具有1：1的傳輸比，線性度達0.1％，足以滿足系統(tǒng)要求。

2系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件設計主要是驅動程序的編寫和用戶應用程序的編寫兩部分。

操作系統(tǒng)一般提供設備驅動程序來完成對特定硬件的控制，從而建立應用程序和設備之間的抽象接口，而不是應用程序直接操作硬件。設備驅動程序實際是處理和操作硬件控制器的軟件，從本質上講，是內核中具有最高特權級的、駐留內存的、可共享的底層硬件處理例程。

用戶應用程序主要是針對系統(tǒng)要求來編寫的，用以完成特定的功能。其主程序流程圖如圖3所示。

應用程序主要實現(xiàn)的功能，一是數(shù)據(jù)采集，即定時采樣電壓與電流信號的瞬時值；二是數(shù)據(jù)的處理和計算，就是計算電壓和電流的有效值、有功功率

3 電力參數(shù)的采樣與計算

為了計算電壓和電流的有效值，有功功率、無功功率等電力參數(shù)，需要對電壓和電流的瞬時值進行采樣。目前主要有硬件同步采樣、軟件同步采樣和異步采樣三種采樣方式。這三種采樣方法各有所長。其中，軟件同步采樣由定時器中斷實現(xiàn)，不需要專門的鎖相環(huán)和同步電路，與硬件同步采樣相比，該方法的結構相對簡單。因此，本系統(tǒng)采用軟件同步采樣方法。其原理首先是以電網(wǎng)周期T為基礎，來設置定時器中斷時間常數(shù)△T，使每周期等間隔采樣點N=256作為實際的采樣數(shù)據(jù)。

3.1 電壓電流有效值的計算

周期為T的電壓u、電流i的有效值定義為瞬時值的平方在一個周期內的方均根值，即：

將交流電壓u在一個周期T內分為間隔為△T的N個子區(qū)間，則有△T=T／N，這樣，當△T足夠小時，在每個子區(qū)間上的電壓值變化很小（可視為常數(shù)近似用其離散值代表）。因此，電壓與電流的有效值可近似表示為：

其中，uk為第k個電壓采樣的瞬時值，ik為第k個電流采樣的瞬時值。

3.2相位角的測量

電壓u與電流i的相位角檢測原理如圖4所示。將u、i經(jīng)整形電路變?yōu)橄鄳木匦蚊}沖u‘和i’，然后將u‘和i’送入“與”門，即可得到圖4-c所示的矩形脈沖ui，其脈寬T2反比于被測信號u和i之間的相位角。T1可視為常數(shù)（10ms），這樣，將ui送入微機，便可可測出相應的脈寬T2，此時的相位角可由下式求出：

式（5）不僅能計算出相位角的大小，而且能反映能量的流向，其判定方法是當∣φ∣《90°時，能量流入；而90°《∣φ∣《180°當時，能量流出。

4電能的雙向計量方法

能量的雙向流動指的是用電設備電能的流入與流出。根據(jù)式（5）可判斷能量的流動方向，從而分別計量流人與流出能量的多少。

4.1功率的計算

由式（3）、（4）、（5）可以得出一個周期內的視在功率Sj、有功功率Pj和無功功率Qj，其具體公式分別如下：

4.2電能的計量

一個用電設備在M個周期內所需的電能E可表示為：

式中，Pj表示第j個周期的有功功率；M表示以周期量表示的設備運行時間。這樣，由式（9）可知：

當Pj》0時，用電設備吸收能量，其值可用E1表示，同時在Pj《0時，用電設備輸出能量，其值可用E2表示。

這樣，分別計量吸收與釋放的能量E1和E2，就能實現(xiàn)電能的雙向計量。

5結束語

本文設計的電力參數(shù)檢測裝置充分利用了32位ARM處理器的運算速度快、處理數(shù)據(jù)能力強及片上資源豐富等優(yōu)點，而配以多任務操作系統(tǒng)Linux，則較大程度地解決了測量精度與實時性之間的矛盾。同時，系統(tǒng)的雙向計量功能，使得此系統(tǒng)在雙向變流裝置中對電力參數(shù)的檢測和能量的雙向計量具有重要意義。