基于嵌入式Win CE系统的电能质量监测仪

0 引言
    电能的应用程度是衡量一个国家电力发展水平的重要标志之一。近年来，用户对电能质量的要求越来越高，使得电能质量问题日益紧迫地摆在了大家的面前，电能质量的好坏直接关系到国民经济的总体效益。
    为了提高供电质量，保证电网和供电设备安全、经济及可靠运行，国内外许多研究机构和公司研制生产了各种功能的电力参数分析仪表、仪器，但传统的基于有效值理论的监测技术已经不能完整、准确地描述实际发生的动态电能质量问题。在此，设计了一种基于嵌入式系统的电能质量参数监测仪，改进了以往同类监测仪的缺点，能实时地显示出动态电能质量的参数变化，具有较高的实际应用价值。

1 电力参数的计算
    电能质量主要包括由公用电网供给用户端交流电能品质的一些参数。本文主要讨论国家标准涉及的各项稳态指标，如频率、电压(电流)、谐波、闪变、三相不平衡度等，以及功率、相位差、谐波畸变率等相关指标的分析测量，这也是一般的电能质量测量分析仪器所关心的电能质量指标。
    下面给出各项电能参数的计算方法：
    电压有效值的离散化计算公式：

式中：UA，UB，UC，IA，IB，IC分别为各相电压电流的有效值。
   
式中：fs为所选晶振频率(单位为Hz)；TCnt为一个整周期定时器计数值。
    谐波含量就是各次谐波的平方和开方。谐波电压含量与谐波电流含量分别表示为：

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2 系统整体结构
    基于ARM9和嵌入式Windows CE系统的整体结构图如图1所示。

    该系统采用DSP+ARM9的双CPU形式，其中，DSP采用TI公司的TMS320F2812；ARM9采用Samsung的S3C2410。该系统中ARM部分用购买的开发
板进行开发测试。
    TMS320F2812提供了足够的处理能力，使一些复杂实时控制算法的应用成为可能，它主要完成对三相交流电压、电流的数据采集，电压和电流经过信号调理电路，经互感器隔离降压，经低通滤波器滤除高频分量，使电压和电流进入TMS320F2812处理器，之后通过TMS320F2812对这些数据进行计算处理，再通过CAN总线通信将处理好的数据传送给ARM模块。
    S3C24lO是Samsung公司推出的16／32位RISC处理器，具有低成本、低功耗、小体积、高性能的特点，集成了丰富的片上资源。系统中，其主要作用是利用CAN总线通信来接收从DSP传过来的数据，并对其进行LCD显示，以实现实时监测，同时，还可通过USB接口将数据存储到U盘上。其中，TMS320F2812的CAN收发器型号为PCA82C250。TMS320F2812片上集成了CAN通信接口，可直接与PCA82C250上的TXD和RXD相连，并将信号转换成CANH，CAHL后，在CAN总线上传输。由于ARM开发板并没有提供CAN接口，所以此部分要进行外扩。S3C2410与CAN总线的接口采用SPI转CAN的方式，控制器采用Microchip公司的MCP2515。S3C24lO的SPI接口可直接与MCP2515控制器的SPI接口相连，控制器输出端的信号经PCA82C250转化为CANH，CANL后，在CAN总线上传输。

3 嵌入式操作系统Win CE的定制、移植及驱动程序的开发
3．1 CAN驱动程序的开发
    Platform Builder本身自带了很多驱动程序，如串口驱动、USB口驱动等，但由于系统中的CAN总线通信部分是外扩的，开发商提供的BSP开发包不包含这部分驱动，要自行编写驱动程序和注册表部分的文件，定制出CEC文件，并将生成的驱动与BSP进行绑定。CAN驱动开发流程为：
    编写CAN驱动时，首先要确保S3C24lO的SPI接口可以正常工作，再利用SPI接口对MCP2515寄存器进行相应的设置。
    CAN总线驱动的设计步骤为：
    (1)初始化S3C2410的SPI口。设置波特率、主从模式、通信方式等；
    (2)初始化MCP2515。设置相应的发送、接收缓冲器；
    (3)编写CAN控制器的收发程序；
    (4)编写CAN流接口的函数形式；
    (5)导出流接口，修改注册表和CEC文件。
3．2操作系统的移植
    对Windows CE操作系统进行移植，先进行WinCE Bootloader的开发，然后进行操作系统的特性配置和移植，再进行硬件平台上驱动程序的开发，最后对应用程序进行移植和开发。
    (1)Bootloader的开发。Bootloader的结构可以分为BL Common、OEM代码、Eboot、存储管理、EDBG驱动程序五个部分。这五部分中，除了OEM代码需要自己编写外，其他几个部分的代码都是由Windows CE本身提供的。
    (2)内核的配置和移植。Win CE内核的配置和移植是在Platform Builder的帮助下，根据系统的具体应用目标来进行各种功能裁减，然后由Sysgen即可编译生成所需的操作系统镜像NK．bin。当PlatformBuilder成功编译生成WinCE内核后，通过PlatformBuilder自带的TFPT网络传输工具或其他TFPT网络传输工具将内核下载至硬件平台中。
    (3)驱动程序开发。Windows CE提供了特定的驱动程序框架，以驱动内部或者外围的硬件设备。驱动程序位于操作系统与硬件的中间，是BSP包的一部分，将操作系统与设备链接起来，操作系统就能识别设备，并为应用程序提供相应的服务。在此主要介绍了CAN驱动程序的开发。
    (4)应用程序的开发和移植。完成以上内容后，就可以针对硬件平台和具体系统要求进行应用程序的开发。

4 结语
    设计了一种基于ARM9和Windows CE的数据采集系统，采用TMS320F2812处理器对数据进行采集，充分发挥了这款DSP芯片的数据处理能力；S3C24lO和Windows CE嵌入式系统的应用，使得系统能够实现数据的实时显示和监测。文中实现了对硬件平台的设计和对Windows CE操作系统的定制、移植及其驱动程序的开发。该系统具有实时性好，性价比高等特点，有很高的实用价值。