技术创新
中文核心期刊《微计算机信息》（测控自动化）２００８年第２４卷第１０－１期
３６０元／年邮局订阅号：８２－９４６《现场总线技术应用２００例》
数采与监测
基于ＡＲＭ的电能质量检测系统的设计
ＤｅｓｉｇｎｏｆｐｏｗｅｒｑｕａｌｉｔｙｍｅａｓｕｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎＡＲＭ
（上海交通大学）
倪鸣张明
ＮＩＭｉｎｇＺＨＡＮＧ
Ｍｉｎｇ
摘要：在电能质量数据检测中，数据处理，存储和通讯是十分重要的。以３２位ＡＲＭ内核微处理器Ｓ３Ｃ２４１０Ａ为主控芯片，配备各种外围芯片，实现了对电能质量数据的采集和处理。同时介绍了各硬件设备驱动程序的设计以及应用程序的编写。关键词：ＡＲＭ；设备驱动；数据存储；Ａ／Ｄ转换中图分类号：ＴＰ３文献标识码：Ａ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｐｏｗｅｒｑｕａｌｉｔｙｍｅａｓｕｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍ，ｄａｔａｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，ｓｔｏｒａｇｅａｎｄｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｉｓｖｅｒｙｉｍｐｏｒｔａｎｔ．ＵｓｉｎｇＳ３Ｃ２４１０Ａｆｏｒｍａｉｎｃｏｎｔｒｏｌｃｈｉｐ，ｅｑｕｉｐｐｉｎｇｓｏｍｅｋｉｎｄｓｏｆｐｅｒｉｐｈｅｒｉｃｃｈｉｐｓ，ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｔｈｅｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎａｎｄｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｏｆｐｏｗｅｒｑｕａｌｉｔｙｄａｔａ．Ｉｔｉｓｉｎ－ｔｒｏｄｕｃｅｄｔｈａｔｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｓｏｍｅｈａｒｄｗａｒｅｄｒｉｖｅｒｓａｎｄｔｈｅｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇｏｆａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＡＲＭ；ｄｅｖｉｃｅｄｒｉｖｅｒ；ｄａｔａｓｔｏｒａｇｅ；Ａ／Ｄｃｏｎｖｅｒｔｉｎｇ
文章编号：１００８－０５７０（２００８）１０－１－０１３８－０３
１引言
近二，三十年来，各种电力电子装置的迅速普及使得公用电网的谐波污染日趋严重，电能质量下降。因此，测量电网及非线性用电设备的各种电能参数，对于防治谐波污染，提高供电质量是十分必要的。本文所介绍的电能质量检测系统以ＡＲＭ９和Ｌｉｎｕｘ为开发平台。硬件方面采用Ｓａｍｓｕｎｇ公司的ＡＲＭ９芯片Ｓ３Ｃ２４１０Ａ，加上大容量的Ｅ２ＰＲＯＭ存储器以及与上位机通讯的串口通信模块，为本系统提供了强大的硬件功能。软件方面完成了各个相关的系统设备驱动程序的设计和应用程序的编写。
２硬件设计
２．１总体设计原则
嵌入式电能质量检测系统主要的功能就是数据信号的采集，数据信号的处理，存储以及与上位机的通讯。由于该系统主要是对于电能质量中的谐波进行分析，所以对于主控芯片的数学运算能力有一定的要求，再加上高可靠性，低功耗的原则，该系统的总体设计原则是：处理器芯片一定是３２位的；各种外围芯片的选择能够保证和处理器芯片时序和速度上的配合；总线采用结构简单的串行总线；尽量在某些功能上采用软件来实现，以求尽可能的简化硬件电路。
２．２硬件组成
硬件电路的连接框图如图１所示。
（１）Ｓ３Ｃ２４１０Ａ
Ｓａｍｓｕｎｇ公司的Ｓ３Ｃ２４１０Ａ处理器因其低廉的价格，丰富的外设资源，高达２０３ＭＨｚ的ＡＲＭ９２０Ｔ内核使得这款ＣＰＵ得
到了越来越广泛的应用。
（２）外部ＳＤＲＡＭ存储器
外部ＳＤＲＡＭ存储器选用现代公司的ＨＹ５７Ｖ２８１６２０。该款
芯片是１６位数据宽度，３２ＭＢ的动态内存。由于Ｓ３Ｃ２４１０Ａ是
３２位处理器，外部总线也是３２位的，所以为了最大限度地发挥
其性能，内存也应该是３２位的。在这里，我们采用将两片这样的内存芯片拼凑起来构成３２位模式，处理器数据线ＭＤ０￣ＭＤ１５接一片内存，ＭＤ１６￣ＭＤ３１接另一片内存。在地址线的连接上面，ＨＹ５７Ｖ２８１６２０一共分为４个块，所以处理器地址线最高位ＭＡ２４，ＭＡ２５分别连接到内存的ＢＡ０，ＢＡ１引脚上。３２位的ＳＤＲＡＭ存储单元是以４Ｂ为单位进行数据访问的，内存会忽略ＭＡ０，ＭＡ１地址线，我们可以直接把处理器地址线ＭＡ２连接在内存的Ａ０引脚上。
图１硬件电路连接图
（３）外部ＦＬＡＳＨ存储器
ＦＬＡＳＨ存储器在系统中的作用相当于硬盘在ＰＣ机里
的作用：保存操作系统的映像和各种文件系统的压缩映像，在系统上电后解压至内存运行。在这里，我们选用ＩＮＴＥＬ公司的Ｅ２８Ｆ１２８作为系统的ＦＬＡＳＨ存储器。该款芯片是１６位数据宽度，所以ＦＬＡＳＨ存储器的ｎＢＹＴＥ引脚必须连接高电平来保证该存储器工作于１６位数据模式。因为工作于１６位数据模式，所以存储器Ａ０引脚的输入缓存应该被禁止，Ａ１引脚为数据最低位。
倪鸣：硕士研究生
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《ＰＬＣ技术应用２００例》
您的论文得到两院院士关注（４）通讯电平转换芯片
ＲＳ２３２是目前异步串行通讯中应用最广泛的标准总线，而Ｓ３Ｃ２４１０Ａ内部就集成了ＲＳ２３２标准的串口通讯模块。但是Ｓ３Ｃ２４１０Ａ使用的是ＴＴＬ电平，我们必需使用电平转化芯片将其转换成ＲＳ２３２标准。在这里，我们选用Ｓｉｐｅｘ公司的ＳＰ３２３２ＡＣＥ电平转换芯片。
（５）ＡＤ转换芯片
使用ＮａｔｉｏｎａｌＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ公司的ＡＤＣ０８０９作为模数转换芯片。该芯片是采用ＣＭＯＳ工艺制成的８位８通道逐次渐近型ＡＤ转换器。在这里我们选取一片ＣＰＬＤ提供给ＡＤＣ０８０９逻辑地址选择功能。当ＣＰＬＤ检测到ｂａｎｋ２片选信号引脚ｎＧＣＳ２选中，并且地址线ＭＡ５￣ＭＡ０为０１００００ｂ时，拉高ＡＤＣ０８０９的ＳＴＡＲＴ和ＡＬＥ信号，开始对信号进行采样，当地址线ＭＡ５￣ＭＡ０为１０００００ｂ时，拉高ＯＥ信号，表明可以读取转换结果了。ＡＤＣ０８０９能够对８路０￣５Ｖ模拟量进行分时转换，所以我们把ＡＤＣ０８０９的ＡＤＤＣ，ＡＤＤＢ，ＡＤＤＡ模拟信号地址选线分别连接到处理器的ＭＡ１８，ＭＡ１７，ＭＡ１６引脚。在这里使用了三个中断：
Ａ：ＥＩＮＴ２外部中断。将处理器的ＥＩＮＴ２引脚与ＡＤ０８０９的ＥＯＣ引脚相连，当ＥＯＣ引脚产生一个下降沿时，产生一个中断，表明模数转换结束，此时处理器就可以通过拉高ＯＥ信号来
读取结果，并进入中断子程序。
Ｂ：ＥＩＮＴ３外部中断。在应用程序里所采用的快速谐波分析
算法仍然是以离散傅立叶算法为基础的，所以频率的跟踪很重要，否则将会产生频谱泄漏。在这里将处理器的ＥＩＮＴ３引脚与频率跟踪电路同步输出脉冲引脚连接在一起，这样就可以通过
ＥＩＮＴ３外部中断来捕捉脉冲上升沿，并且在中断子程序中启动
定时器来进行同步采样。
Ｃ：定时器２定时中断。精确设置采样时间，每次定时器减
计数到零时产生定时中断。在中断子程序中，通过ＣＰＬＤ来拉高ＳＴＡＲＴ和ＡＬＥ信号，开始对信号进行采样。
（６）Ｅ２ＰＲＯＭ存储器
外加一片ＩＩＣ接口的Ｅ２ＰＲＯＭ存储器的目的是为了将检
测到的数据经过处理后存储起来作为历史数据，在需要的时候可以随时读出进行分析。存储器选用ＸＩＣＯＲ公司的Ｘ１２２７实时时钟芯片，该芯片除有基本的时钟和报警功能外，还有５１２字节的Ｅ２ＰＲＯＭ存储器和复位输出，电压监控，看门狗定时，频率输出等功能。
３软件设计
３．１设备驱动程序的编写
驱动程序的主要任务就是使某个特定的硬件响应一个定义良好的内部编程接口，同时完全隐蔽了设备的工作细节。用户通过一组标准化的调用来完成相关的操作，这些标准化的调用和具体的设备驱动无关。
在这里编写的驱动程序主要是Ｘ１２２７和ＡＤＣ０８０９的设备驱动程序。Ｘ１２２７与处理器的连接采用的是ＩＩＣ串行接口总线。该总线利用两线ＳＤＡ（串行数据），ＳＣＬ（串行时钟）来进行信息的传递。根据驱动程序的构成，我们分别编写驱动程序中Ｏｐｅｎ（）函数，
Ｃｌｏｓｅ（）函数，Ｗｒｉｔｅ（）函数和Ｒｅａｄ（）函数。其中Ｗｒｉｔｅ（）函数和Ｒｅａｄ（）函数的编写较为复杂。
Ｗｒｉｔｅ（）函数主要是将数据从应用程序拷贝到内核。根据Ｘ１２２７芯片的一些特点，我们首先写０ｘ０２至Ｘ１２２７的ＳＴＡＴＵＳ寄存器，将ＷＥＬ置１，接下来方能对Ｅ２ＰＲＯＭ单元进行写操
作。关键程序代码如下：
ｂｕｆ＝ｋｍａｌｌｏｃ（ｌｅｎｇｔｈ＊ｓｉｚｅｏｆ（ｃｈａｒ），ＧＰＦ＿ＫＥＲＮＥＬ）；ｃｏｐｙ＿ｆｒｏｍ＿ｕｓｅｒ（ｂｕｆ，ｂｕｆｆｅｒ，ｌｅｎｇｔｈ）；ＷｒＩＩｃ（０ｘｄｅ，０ｘ３ｆ，０ｘ０２）；
ＷｒＩＩｃ＿Ｅ２ＰＲＯＭ（０ｘａｅ，０，ｂｕｆ，ｌｅｎｇｔｈ）；ｋｆｒｅｅ（ｂｕｆ）；
其中ＷｒＩＩｃ（）函数和ＷｒＩＩｃ＿Ｅ２ＰＲＯＭ函数是根据ＩＩＣ主发送
操作流程编写的函数。
Ｒｅａｄ（）函数主要完成将数据从内核拷贝到应用程序空间。具体的程序代码和Ｗｒｉｔｅ（）函数基本一样。
ＡＤＣ０８０９驱动程序的编写则更为复杂一些，主要原因是该驱动会涉及很多的中断。当处理器的ＥＩＮＴ３引脚检测到一个上
升沿，表明被测信号一个周期的开始，马上产生一个外部中断，进入外部中断子程序ｃａｐ＿ｉｎｔｅｒｒｕｐｔ（）。在外部中断子程序中首先利用定时器０来计算被测信号的周期（通常为５０Ｈｚ左右）然后启动定时器２并加载定时周期，启动子程序如下：
ｖｏｉｄｔｉｍｅｒ２＿ｓｔａｒｔ（）
｛＊ＴＣＮＴＢ２＝ＰＥＲ；
＊ＴＣＯＮ＝０ｘ００ａ０００；／／更新ｔｉｍｅｒ２
＊ＴＣＯＮ＝０ｘ００９０００；／／启动ｔｉｍｅｒ１，采用
“自动重载”模式｝
当定时器２产生周期中断，进入周期中断子程序ｔｉｍｅ＿ｉｎｔｅｒ－ｒｕｐｔ（）。在周期中断子程序中启动Ａ／Ｄ转换。
在这里因为一个信号周期需要采样１２８个点，所以我们需要对定时器０的时钟频率进行１２８分频。这样得到的ＰＥＲ的值加载到ＴＣＮＴＢ２寄存器才能保证一个信号周期采样１２８个点，
并且采样周期是信号周期的整数倍，有效地防止了频谱泄漏。
当然这里有一个周波的延时。图２给出了ＡＤＣ０８０９的驱动程
序软件流程图。
图２ＡＤＣ０８０９驱动程序软件流程图
３．２应用程序的编写
将Ｘ１２２７芯片和ＡＤＣ０８０９驱动程序通过ｉｎｓｍｏｄ命令加载
入系统内核，则在应用程序中就可以像读写文件一样读写硬件设备。图３给出了应用程序软件流程图。
图３应用程序软件流程图
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４结论
采用ＡＲＭ９处理器和Ｌｉｎｕｘ系统平台来构建电能质量检测系统，不但能够满足实时检测的要求，更为重要的是能够在软件上轻松方便的扩展各种功能。目前电能检测系统实现的功能越来越多，处理器可能要同时控制，监视很多外设，要求有实时响应能力，需要处理很多任务，而ＡＲＭ处理器获得了许多操作系统供应商的支持，可以预见嵌入式系统在电能质量分析领域的运用会愈来愈广。
本文作者创新点：以往电力系统谐波检测装置都是采用
ＤＳＰ作为主控芯片。但是ＤＳＰ程序没有底层和应用层之分，
也没有使用操作系统。这样的系统软件扩展十分的不方便，驱动程序，文件系统都没办法加载，以至于某些功能没有办法完善，一旦程序需要修改，就需要把所有的代码重新编译。而嵌入式处理器在这方面具有很大的优势，特别是嵌入式处理器能够植入操作系统，这在很大程度上弥补了先前一些装置在软件扩展性和图形用户界面上的不足。本文就是基于这样的思想，设计了基于ＡＲＭ的电能质量检测系统。特别在软件程序的编写上，将各个硬件的复杂功能都隐
藏了起来，我们只需要通过一组类似于读写文件系统的操作来完成数据采集，数据通讯和数据存储。
经济效益：２００万元左右，根据现在电能质量测量仪的价格，芯片及外围电路的成本以及采用嵌入式系统在软件开发成本的节约上所能够带来的经济效益来估算。
参考文献
［１］罗宛棠，
杨宗德．嵌入式Ｌｉｎｕｘ应用系统开发实例精解［Ｍ］．北京：电子工业出版社，２００７．
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ｓｍａｎｕａｌ．［３］杜博，
方向忠．嵌入式Ｌｉｎｕｘ系统下Ｉ２Ｃ设备驱动程序的开发［Ｊ］．微计算机信息，２００６，４－２：３１－３３．
［４］娄尧林，
颜湘武，吴晨曦．用于电能质量检测的数据采集卡研制［Ｊ］．继电器，２００４，５－１６：４９－５１．作者简介：倪鸣（１９７７—），男，硕士研究生，研究方向为电力系统自动化、嵌入式技术；张明（１９６８—），男，硕士生导师，高级工程师，研究方向为电力系统自动化及控制系统，工厂自动化。
Ｂｉｏｇｒａｐｈｙ：ＮＩＭｉｎｇ，ｍａｌｅ，Ｍａｓｔｅｒｃａｎｄｉｄａｔｅ，ｒｅｓｅａｒｃｈｉｎｔｅｒｅｓｔ：ｐｏｗｅｒｓｙｓｔｅｍａｕｔｏｍａｔｉｏｎｅｍｂｅｄｄｅｄｔｅｃｈｎｉｑｕｅ．
（２０００３０上海上海交通大学电子信息与电气工程学院）倪鸣（ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃ，ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＳｈａｎｇｈａｉＪｉａｏＴｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０００３０）ＮＩＭｉｎｇ
通讯地址：（２０００３０上海市华山路１９５４号息上海交通大学新上院２２３室）倪鸣
（收稿日期：２００８．０８．１３）（修稿日期：２００８．０９．２５）
（上接第１７１页）
５结束语
本文设计并实现了一种雷达中频信号的高速采集与实时传输系统。目前，本系统已对某型雷达成功地进行了实际外场数据采集。实验表明这个系统完全满足所提出的指标要求，能够做到实时高速连续采集，而且稳定可靠，记录的数据能够真实地反映出目标与环境的特性，可用于进行各种目标检测、识别、跟踪等处理。经测试，该系统可稳定工作在６０ＭＢ／ｓ的数据传输速率
下而不丢失数据包。该系统适用于多种雷达中频信号的采集与实时传输，具有很好的应用前景。
本文作者创新点：利用ＦＰＧＡ＋ＤＤＲＳＤＲＡＭ实现雷达信号的高速采集和采集数据的高速缓存。同时充分利用ＦＰＧＡ内部集成ＭＡＣ，把缓存数据实时发送到以太网中，解决了雷达信号采集数据的远程高速实时传输问题。
参考文献
［１］Ｖｉｒｔｅｘ－４ＵｓｅｒＧｕｉｄｅ．ＸｉｌｉｎｘＩｎｃ．２００５．
［２］Ｖｉｒｔｅｘ－４ＥｍｂｅｄｄｅｄＴｒｉ－ＭｏｄｅＥｔｈｅｒｎｅｔＭＡＣＵｓｅｒＧｕｉｄｅ．ＸｉｌｉｎｘＩｎｃ．２００６．
［３］ＸｉｌｉｎｘＭｅｍｏｒｙＩｎｔｅｒｆａｃｅＧｅｎｅｒａｔｏｒ（ＭＩＧ）ＵｓｅｒＧｕｉｄｅ．ＸｉｌｉｎｘＩｎｃ．２００７．
［４］窦振中，
汪立森．跟踪雷达回波信号实时采集存储的新方法［Ｊ］．现代雷达．２００５，９（２７）：５２－５３．
［５］李勇，
唐贵林，黄芝平．千兆以太网中ＩＰ数据传输技术研究［Ｊ］．微计算机信息．２００７，７－２：１６８－１７０．
作者简介：曹书华（１９８１－），男（汉族），安徽宿州人，南京信息工程
大学硕士研究生，研究方向为：高速数字信号处理，雷达信号处理；王建（１９５８－），男（汉族），福建福州人，中国船舶重工集团公司第７２４研究所研究员，硕士生导师，主要研究方向为：雷达信息处理，高速数字信号处理。
Ｂｉｏｇｒａｐｈｙ：ＣＡＯＳｈｕ－ｈｕａ（１９８１－），Ｍａｌｅ（Ｈａｎ），ＡｎｈｕｉＰｒｏｖｉｎｃｅ，ｐｏｓｔｇｒａｄｕａｔｅｓｔｕｄｅｎｔｏｆＮａｎｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＳｃｉ－ｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．ＲｅｓｅａｒｃｈＤｉｒｅｃｔｉｏｎ：Ｈｉｇｈ－ｓｐｅｅｄＤｉｇｉｔａｌＳｉｇｎａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，ＲａｄａｒＳｉｇｎａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇ．
（２１００４４南京信息工程大学电子与信息工程学院）曹书华卢燕（２１０００３南京中国船舶重工集团公司第７２４研究所）王建吕卫祥（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓａｎｄＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＮａｎｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ，Ｃｈｉｎａ，２１００４４）ＣＡＯＳｈｕ－ｈｕａＬＵＹａｎ
（ＮＯ．７２４ＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，ＣｈｉｎａＳｈｉｐｂｕｉｌｄｉｎｇＩｎｄｕｓｔｒｙＣｏｒ－ｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｎａｎｊｉｎｇ，Ｃｈｉｎａ，２１０００３）ＷＡＮＧＪｉａｎＬＶＷｅｉ－ｘｉａｎｇ通讯地址：（２１００４４江苏省南京市浦口区南京信息工程大学６０１＃信箱）曹书华
（收稿日期：２００８．０８．１３）（修稿日期：２００８．０９．２５）
《ＰＬＣ技术应用２００例》
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Ｅ－ｍａｉｌ：ｃｏｎｔｒｏｌ－２＠１６３．ｃｏｍ
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