基于ARM9电能质量监测仪的数据采集

摘要: 介绍了基于ARM9电能质量监测仪数据采集系统设计，讨论了由MAX1324构成的8通道14位同步采样，及其与核心板ARM9-S3C2410的接口，实现了8路差动模入的瞬时采样。该数据采集系统较好地满足了电能质量监测仪对数据采集的特殊要求。
关键词: MAX1324；ARM9；同步采样；数据采集

    为了保证电力系统安全、可靠、高效地运行，高质量的电能供给是一项重要的工作。为此，利用便携式电能质量监测仪对电网电能质量参数进行准确地测量。ARM9的主频高、速度快、内存容易扩展，可以运行嵌入式Linux操作系统，为应用程序的设计提供了方便的条件，其开发板所用的处理器是ARM9-S3C2410。基于ARM9-S3C2410的电能质量监测仪的整体结构框图，如图1所示。

    由图1可知，该系统的硬件除了已经扩充了存储器的ARM9-S3C2410A核心板外，还包括外围信号调理、键盘及显示等电路，以MAX1324组成的A／D和信号调理电路，是该数据采集的重要内容，文中主要介绍这一部分的硬件和相关软件设计。

1 数据采集的硬件设计
    开发板ST2410的硬件资源丰富，提供了40脚外部扩展接口，通过该接口，可以方便地扩展信号采集等外围电路。信号调理部分电路的具体结构，如图2所示。

1．1 信号调理电路
    模拟信号输入前端电路，是利用电压互感器(PT)和电流互感器(CT)，对被采样电压和电流进行隔离和电平转换。一次互感先将电力电网的高压、大电流转换成标准的交流100 V和5 A，二次互感器再将其转换成A／D芯片MAX1324输入所要求的-10～+10 V电平，从而得到电力系统公共连接点的全部原始数据。
    抗混叠滤波器的作用，是将输入信号中的高频分量滤除，以防止被测信号的高频干扰与有用的低频信号发生混叠，影响测量精度。抗混叠滤波采用压控电压源二阶低通滤波器，如图3所示。考虑到本装置需要监测1～50次谐波，要求在50～50×50 Hz频率范围内的幅频特性曲线越平坦越好。

1．2 A／D转换
    因为在测量电网的三相不平衡参数时，要用到中性线的电压和电流，虽然从理论上，可以通过相电压和相电流算出中性线的电压和电流值，但是，测量值应该更加接近物理现实。所以，最好同时测量电网中用户公共连接点的三相电压、三相电流和中性线的电压与电流，共计8路模入信号。多路信号的同步采样可以有效克服因通道转换而产生的相差问题，所以A／D应该选用8路同步采样芯片。美信公司的MAX1320和MAX1324都是适合上述设计要求的专用芯片，MAX1324的模入电压范围为±10 V，比MAX1320芯片的输入电压范围宽。在同样干扰和噪声条件下，A／D转换的相对精度会高一些，所以采用MAX1324，它内部集成了8个独立的采样保持器和8通道的多路开关，容易实现8路模拟量的瞬时采集，其转换结果以补码的形式按顺序输出。
    对于一个已经给定转换位数的ADC，它对信号所能离散数据位的电平值是确知的，14位MAX125提供214级的离散电平为2×10 V／214≈1．22 mV，相对分辨率可达±0．025％。在国家谐波测量标准中，对于规定的畸变率，电流的测量精度要求相对高一些，考虑到各种情况，实践亦证明采用14位的ADC是完全可以满足谐波测量的设计要求的。
    电能质量监测仪的ARM处理器芯片S3C2410A内部还带有8通道1O位的A／Dc。根据上述分析可知，10位A／D难以满足谐波监测仪对数据采集的要求，而且该A／DC也不具备同步采样功能。然而在测量电网基波的频率时，国家标准要求对工频的测量精度是50±0．01 Hz，这意味着在一个周期内，要采集50÷0．0l=5 000个点以上，所以A／D转换时间在20 ms／5 000=4μs以下。频率测量对幅值的精度要求并不高，只要能够正常判断正负值即可。ARM芯片内10位A／D的转换速度最高可达500 ksps(2μs)，所以，用以测量电网的基波频率正合适。这样，MAX1324和ARM内的A／DC分别用作谐波和频率测量就各尽所能了。
1．3 MAX1324与处理器S3C2410的硬件接口
    MAX1l324与处理器S3C2410的接口如图4所示，MAX1324的模拟供电电压是5 V，而MAX1324允许的数字供电电压范围为2．7～5．25 V，图中是3．3 V。这样，可以不用电平转换而直接与S3C2410的数字I/O接口相连。

    在进行数据采集时，操作过程分为以下3步：(1)首先要将MAX1324的工作方式设置为8个通道的瞬时采样，引脚ALLON接高电平，拉低和时，向数据线D0～D7写入全“1”，这样8个通道就能都被选中，实现同步ADC；(2)拉低ARM的GPAl2端子，使CONVST引脚为低电平，输入信号在采样保持器达到稳定的电平后，再由CONVST的上升沿开始启动A／D，这里的多通道转换是按通道号由低到高的顺序进行，当最后一个通道的转换结束后，所有通道转换结束信号跳变为低电平，转换结果先储存于片内对应的14位×8的SRAM中；(3)读取模数转换结果数据，其方式有两种：一种是查询方式，MAX1324的引脚接到S3C2410的一个I／0引脚上，S3C2410启动A／D转换后，不断地查询这个I／0引脚是否为低电平，以判断转换是否结束，然后再依次读取转换后的数字信号；另一种是中断方式，MAX1324的引脚直接接到S3C2410的一个外部中断引脚上，一旦转换结束，则向S3C2410申请中断，S3C2410就会进入中断服务程序，依次读取MAX1324转换后的数据。为了提高CPU的使用效率，采用中断方式，图4中MAX1324的引脚接到S3C2410的外部中断EINT3的引脚上。当A／D数据转换结束后，就会向S3C2410的EINT3发出低电平，当EINT3引脚为低电平时，就会先后向MAX1324的引脚发出8个读脉冲，控制选通引脚分时读取MAX1324转换后的8个通道ADC数据。

2 接口驱动
    设备驱动程序的任务包括自动配置和初始化子程序，负责检测所要驱动的硬件设备是否能正常工作。如果该设备正常，则对这个设备及其相关的设备驱动程序需要的软件状态进行初始化。
Linux下的设备驱动程序被组织为一组完全不同任务的函数的集合。编写A／D驱动，主要完成对A／D器件控制寄存器和数据寄存器的open0，closeO，read0，writeO等的操作，并在file_operations中注册。
static struct file_operations adcmax1324_fops={
open：ademaxl324_open，
ioctl：adcmaxl324_ioctl，
read：adcmaxl324_read，
write：ademaxl324_write，
release：adcmaxl324_release，
}
下面介绍其中几个重要的函数：
(1)adcmaxl324_write函数：调用该函数，通过双向数据线DATAO～DATA7向MAX1324写人数据OxOOFF，把MAX1324设置成8通道同时转换的模式；(2)ademax1324_ioctl函数：Ioctl函数跟踪信号，启动A／D转换；(3)adcmax1324_read函数：read函数把中断处理函数中读到的数据发到用户程序。
    最后在init()中完成初始化工作。包括注册设备驱动程序和申请系统资源。在编写驱动程序时通常编写成模块的形式，在模块加载时调用初始化函数module_init()，在卸载时调用卸载模块函数module_exit()。

3 结束语

    文中实现了基于ARM9的电能质量监测仪数据采集的设计。介绍了硬件电路及其相关软件，经实验测试，基于MAX1324ECM的上述数据采集电路，实测准确度可以达到±0．5％，实验结果如表1所示，因此MAX1324ECM完全适用于电能质量监测中的数据采集。