基于ARM9電能質量監測儀的數據采集

摘要: 介紹了基于ARM9電能質量監測儀數據采集系統設計，討論了由MAX1324構成的8通道14位同步采樣，及其與核心板ARM9-S3C2410的接口，實現了8路差動模入的瞬時采樣。該數據采集系統較好地滿足了電能質量監測儀對數據采集的特殊要求。
關鍵詞: MAX1324；ARM9；同步采樣；數據采集

??? 為了保證電力系統安全、可靠、高效地運行，高質量的電能供給是一項重要的工作。為此，利用便攜式電能質量監測儀對電網電能質量參數進行準確地測量。ARM9的主頻高、速度快、內存容易擴展，可以運行嵌入式Linux操作系統，為應用程序的設計提供了方便的條件，其開發板所用的處理器是ARM9-S3C2410。基于ARM9-S3C2410的電能質量監測儀的整體結構框圖，如圖1所示。

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??? 由圖1可知，該系統的硬件除了已經擴充了存儲器的ARM9-S3C2410A核心板外，還包括外圍信號調理、鍵盤及顯示等電路，以MAX1324組成的A／D和信號調理電路，是該數據采集的重要內容，文中主要介紹這一部分的硬件和相關軟件設計。

1 數據采集的硬件設計
??? 開發板ST2410的硬件資源豐富，提供了40腳外部擴展接口，通過該接口，可以方便地擴展信號采集等外圍電路。信號調理部分電路的具體結構，如圖2所示。

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1．1 信號調理電路
??? 模擬信號輸入前端電路，是利用電壓互感器(PT)和電流互感器(CT)，對被采樣電壓和電流進行隔離和電平轉換。一次互感先將電力電網的高壓、大電流轉換成標準的交流100 V和5 A，二次互感器再將其轉換成A／D芯片MAX1324輸入所要求的-10～+10 V電平，從而得到電力系統公共連接點的全部原始數據。

?抗混疊濾波器的作用，是將輸入信號中的高頻分量濾除，以防止被測信號的高頻干擾與有用的低頻信號發生混疊，影響測量精度。抗混疊濾波采用壓控電壓源二階低通濾波器，如圖3所示。考慮到本裝置需要監測1～50次諧波，要求在50～50×50 Hz頻率范圍內的幅頻特性曲線越平坦越好。

1．2 A／D轉換
??? 因為在測量電網的三相不平衡參數時，要用到中性線的電壓和電流，雖然從理論上，可以通過相電壓和相電流算出中性線的電壓和電流值，但是，測量值應該更加接近物理現實。所以，最好同時測量電網中用戶公共連接點的三相電壓、三相電流和中性線的電壓與電流，共計8路模入信號。多路信號的同步采樣可以有效克服因通道轉換而產生的相差問題，所以A／D應該選用8路同步采樣芯片。美信公司的MAX1320和MAX1324都是適合上述設計要求的專用芯片，MAX1324的模入電壓范圍為±10 V，比MAX1320芯片的輸入電壓范圍寬。在同樣干擾和噪聲條件下，A／D轉換的相對精度會高一些，所以采用MAX1324，它內部集成了8個獨立的采樣保持器和8通道的多路開關，容易實現8路模擬量的瞬時采集，其轉換結果以補碼的形式按順序輸出。
??? 對于一個已經給定轉換位數的ADC，它對信號所能離散數據位的電平值是確知的，14位MAX125提供214級的離散電平為2×10 V／214≈1．22 mV，相對分辨率可達±0．025％。在國家諧波測量標準中，對于規定的畸變率，電流的測量精度要求相對高一些，考慮到各種情況，實踐亦證明采用14位的ADC是完全可以滿足諧波測量的設計要求的。
??? 電能質量監測儀的ARM處理器芯片S3C2410A內部還帶有8通道1O位的A／Dc。根據上述分析可知，10位A／D難以滿足諧波監測儀對數據采集的要求，而且該A／DC也不具備同步采樣功能。然而在測量電網基波的頻率時，國家標準要求對工頻的測量精度是50±0．01 Hz，這意味著在一個周期內，要采集50÷0．0l=5 000個點以上，所以A／D轉換時間在20 ms／5 000=4μs以下。頻率測量對幅值的精度要求并不高，只要能夠正常判斷正負值即可。ARM芯片內10位A／D的轉換速度最高可達500 ksps(2μs)，所以，用以測量電網的基波頻率正合適。這樣，MAX1324和ARM內的A／DC分別用作諧波和頻率測量就各盡所能了。
1．3 MAX1324與處理器S3C2410的硬件接口
??? MAX1l324與處理器S3C2410的接口如圖4所示，MAX1324的模擬供電電壓是5 V，而MAX1324允許的數字供電電壓范圍為2．7～5．25 V，圖中是3．3 V。這樣，可以不用電平轉換而直接與S3C2410的數字I/O接口相連。

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??? 在進行數據采集時，操作過程分為以下3步：(1)首先要將MAX1324的工作方式設置為8個通道的瞬時采樣，引腳ALLON接高電平，拉低和時，向數據線D0～D7寫入全“1”，這樣8個通道就能都被選中，實現同步ADC；(2)拉低ARM的GPAl2端子，使CONVST引腳為低電平，輸入信號在采樣保持器達到穩定的電平后，再由CONVST的上升沿開始啟動A／D，這里的多通道轉換是按通道號由低到高的順序進行，當最后一個通道的轉換結束后，所有通道轉換結束信號跳變為低電平，轉換結果先儲存于片內對應的14位×8的SRAM中；(3)讀取模數轉換結果數據，其方式有兩種：一種是查詢方式，MAX1324的引腳接到S3C2410的一個I／0引腳上，S3C2410啟動A／D轉換后，不斷地查詢這個I／0引腳是否為低電平，以判斷轉換是否結束，然后再依次讀取轉換后的數字信號；另一種是中斷方式，MAX1324的引腳直接接到S3C2410的一個外部中斷引腳上，一旦轉換結束，則向S3C2410申請中斷，S3C2410就會進入中斷服務程序，依次讀取MAX1324轉換后的數據。為了提高CPU的使用效率，采用中斷方式，圖4中MAX1324的引腳接到S3C2410的外部中斷EINT3的引腳上。當A／D數據轉換結束后，就會向S3C2410的EINT3發出低電平，當EINT3引腳為低電平時，就會先后向MAX1324的引腳發出8個讀脈沖，控制選通引腳分時讀取MAX1324轉換后的8個通道ADC數據。

2 接口驅動
??? 設備驅動程序的任務包括自動配置和初始化子程序，負責檢測所要驅動的硬件設備是否能正常工作。如果該設備正常，則對這個設備及其相關的設備驅動程序需要的軟件狀態進行初始化。
Linux下的設備驅動程序被組織為一組完全不同任務的函數的集合。編寫A／D驅動，主要完成對A／D器件控制寄存器和數據寄存器的open0，closeO，read0，writeO等的操作，并在file_operations中注冊。
static struct file_operations adcmax1324_fops={
open：ademaxl324_open，
ioctl：adcmaxl324_ioctl，
read：adcmaxl324_read，
write：ademaxl324_write，
release：adcmaxl324_release，
}
下面介紹其中幾個重要的函數：
(1)adcmaxl324_write函數：調用該函數，通過雙向數據線DATAO～DATA7向MAX1324寫人數據OxOOFF，把MAX1324設置成8通道同時轉換的模式；(2)ademax1324_ioctl函數：Ioctl函數跟蹤信號，啟動A／D轉換；(3)adcmax1324_read函數：read函數把中斷處理函數中讀到的數據發到用戶程序。
??? 最后在init()中完成初始化工作。包括注冊設備驅動程序和申請系統資源。在編寫驅動程序時通常編寫成模塊的形式，在模塊加載時調用初始化函數module_init()，在卸載時調用卸載模塊函數module_exit()。

3 結束語

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??? 文中實現了基于ARM9的電能質量監測儀數據采集的設計。介紹了硬件電路及其相關軟件，經實驗測試，基于MAX1324ECM的上述數據采集電路，實測準確度可以達到±0．5％，實驗結果如表1所示，因此MAX1324ECM完全適用于電能質量監測中的數據采集。