嵌入式电力能耗检测系统的开发与调试

胡 琥，李亚莉，田 昕*

(1.云南农业大学 建筑工程学院，云南 昆明 650201;2.云南农业大学 节能减排检测与研究工程中心，云南 昆明 650201;3.云南师范大学 物理与电子信息学院，云南 昆明 650092)

随着嵌入式系统技术的发展近年来ARM9作为一种嵌入式系统处理器，以其高性能、低功耗、低价格等优点得到了广泛的应用。同时Linux嵌入式操作系统，是一个免费的、具有良好可伸缩性与扩充性的操作系统，支持完整的硬件驱动程序、网络通信协议与多处理器的架构，其源码的公开更有利于操作系统嵌入式应用的开发和部署[1]，使得两个系统能完美的结合。

本系统采用三星S3C2410A作为检测装置的处理器，内部的AD直接用于数据的采集。系统实现了使用传感器对用电设备进行检测，将模拟开关4051作为多种电能指标数据通道的选择，接入AD进行采集，最后利用以太网进行数据的在线传送。该系统以低成本实现了高端电力检测设备的主要功能，满足了电力能耗参数检测的实际需求。

1 系统总体设计

本系统由硬件和软件两部分组成，均采用模块化、标准化设计并充分考虑系统的扩展能力。

其中硬件部分包括传感器模块、通道选择模块、AD模块、ARM核心模块、以太网模块(见图1)。

软件部分包括通道选择模块、AD模块、以太网传输模块。

图1 系统原理框图

系统工作原理:先由CPU选择要采集数据的通道，由传感器把测量数据通过模拟开关4051传送到精度为10bitAD模块，并由其进行模拟信号到数字信号的转换，转换完成后，送到CPU处理，然后进入系统缓存存储，最后通过以太网传输到服务器进行分析及处理。

1.1 硬件系统分析、设计

1.1.1 硬件系统概述

硬件主系统:采用基于ARM 920T内核的SAMSUNG S3C2410处理器，主频202 MHz，配置64MB RAM，8寸640×480LCD。它不仅可以满足目前功能的需要，而且丰富的硬件资源可以实现网络检测以及未来功能扩展需要。

传感器:采用0.2级精度钳形电流传感器，根据系统硬件的需求在传感器输出端加入电压放大器，直接输出电压信号方便数据的采集。

1.1.2 硬件电路

(1)通道选择模块电路设计

使用S3C2410内部的AD。4051是模拟开关，有8个通道可以选择输入，传感器采集的数据由CPU通过P2输出信号选择有任一通道，由X端口输出数据，由于内部AD转换的模拟信号范围是0～3.3 V，所以串入 1.7 K 和 3.3 K 电阻，把 3.3 K 电阻的电压引入AD模块内进行转换。

(2)以太网传输数据模块设计

以太网模块:芯片采用 DM9000AE。DM9000AE是16Bit总线宽度，接在 S3C2410的Bank2上，使用中断EINT2。DM9000AE的第32脚CMD用来指示当前数据总线是Index端口还是Data端口，开发板则将1根地址线A1接到第32脚，以此区分读写的是命令/地址还是数据(这点不同于其他具有多位地址线的芯片)。所以DM9000AE的Index端口的地址是0x10000000，Data端口的地址是0x10000002，驱动程序中只以这两个物理地址访问DM9000AE。

1.2 系统模块设计

(1)通道选择模块设计

负责进行通道选择。根据4051的资料，AB端口输入的信号不同，所选择的通道不同。本模块由CPU控制IO(VD2、VD0)端口输出高低电平，通过插针P2直接输入到4051的AB端口，选择不同通道来检测电能参数，数据直接由X端口传送出去。(对应关系见表1)

表1通道选择真值表

(2)数据采集模块

主要负责把传送的模拟信号转换为数字信号并进行储存。10bitAD把0～3.3 V的模拟信号等分为1 024份，然后进行数据采样把模拟信号转换成对应的数字信号后，由CPU控制进入系统缓存存储。

(3)数据传输模块设计

主要负责把存储的数据通过以太网传送服务器。

命令传送:本系统通过使用socket与服务器建立TCP/IP连接，来实现命令的传送[6]。

数据传输:数据采集存储后，可以直接采用命令传送的方式，把数据传输到客户机进行实时数据分析情况。如果数据不需进行实时分析，也可以存入SD卡中。

2 系统调试

由X端口输出的模拟信号经过串联电阻进入AD模块的模拟信号存在一个线性关系。接入的是1.7 K和3.3 K的电阻，如设由X端口输出的模拟信号为y，进入AD模拟信号的为x，理论上应该存在以下的线性关系:y=1.52x。但在实际调试过程中，3.3 K电阻引入的电压并未达到3.3 V，略调电阻使其达到3.3 V。原有线性关系被破坏，通过调整电阻值找到新的线性关系。

方法如下:用一台稳压电源把具有一定规律的电压信号输入通道选择模块，并由X端口通过串联电阻输入到AD模块中，分别测出X端口输出电压值，以及AD端的电压值，并用最小二乘法将对应关系y=1.23x计算出来，并根据该结果重新设置软件参数(见图2)。

图2 y与x的线性关系图

3 结论

本文介绍了基于ARM9的电力能耗检测设备的开发与调试，旨在通过该设备的开发，为构建能耗检测平台提供硬件支持。在开发过程中，笔者完成了如下的工作。

(1)传感器的改造、系统硬件配置及外围电路的设计制造;

(2)数据采集及数据传输软件的程序编制及调试;

(3)在硬件设计开发的基础上，开发了电能监测信息系统。该系统能够通过以太网向嵌入式设备发送通信请求，获取电能数据，并以曲线图表形式显示监测设备的状态。

通过实际应用测试发现，系统采集数据及时、准确、完整，系统运行稳定可靠。

运用该设备建立用电监测的数据平台，能够实时获取监控设备的能耗状态，掌握用电过程的数据资源，为能耗检测提供丰富的数据资料，为节能降耗提供有力的数据支持。

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