基于S3C2440的电力谐波数据采集系统设计

位宴宾，黄 祥，蔡乐才

(四川理工学院自动化与电子信息学院，四川自贡 643000)

基于S3C2440的电力谐波数据采集系统设计

位宴宾，黄 祥，蔡乐才

(四川理工学院自动化与电子信息学院，四川自贡 643000)

电力谐波的数据采集是通过基于嵌入式系统软硬件相结合来实现的.硬件核心是AR M9的S3C2440处理器，为主控制芯片；实时操作系统μ C/OS-II为软件操作平台.设计了信号调理电路等模块，编写了相关的驱动与应用程序.采集到的数据经过快速傅里叶变换分析处理，最后对处理后的谐波分量进行显示与存储.

电力谐波；数据采集；S3C2440；调理电路；快速傅里叶变换

0 引 言

目前，嵌入式技术因其体积小、可靠性高、功能强、灵活方便等诸多优点而被广泛应用到工业、农业、科研以及日常生活等各个领域.而在众多的嵌入式操作系统中，Linux操作系统拥有开放的源代码、丰富的软件资源、功能强大的内核和支持多种体系结构等优点而受到使用者的青睐[1].本设计针对电网上的谐波数据采集要求，提出了一种基于S3C2440的电力谐波数据采集系统，该系统在ARM 32位高性能嵌入式处理器S3C2440A中移植了μ C/OS-II实时操作系统，通过μ C/OS-II操作系统中的消息机制，使用信号调理电路、A/D转换电路，实现了对电压、电流信号的多通道的数据采集功能.

1 S3C2440处理器概述

S3C2440[2]是一款ARM920T核的32位集成了指令、数据分开的 14 K Cache、4通道 DMA、3通道UARTIIC总线、IIS总线、PWM 定时器、看门狗、LCD控制器、触摸屏控制器、USB、红外接口、SD存储卡接口、AC97数字音频接口等手持式产品必备的功能模块，其电源管理功能能对核心模块和各接口功能模块的供电电源分别管理，并具有系统休眠和唤醒功能，为应用系统最大限度地降低功耗提供了完备的硬件条件.同时，S3C2440是一个高度集成的片上系统微低功耗嵌入式处理器，是主频为400 MHz的并行处理器，非常适合于工业控制和过程控制.

2 硬件设计

2.1 系统总体设计

电力谐波数据采集系统采用模块化的结构设计思想，主要分为主控模块、信号调理模块、A/D转换模块等.系统总体结构框图如图1所示.

图1 系统总体框图

系统完成的功能包括:首先由电压(电流)互感器采集3路被测量的电压、电流信号；然后对实测的电压、电流信号进行滤波放大；再经过A/D转换器转换为数字信号后送微处理器处理.微处理器通过快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform，FFT)计算出各路电压谐波含有率、电流谐波含有率、电压畸变率等各种参数，各参数可经液晶屏显示[3]，最终存储在存储器中.

2.2 信号调理电路

信号调理电路设计是数据采集系统的重要部分，它直接影响到系统的性能，只有合理设计才能提高采集速度、模数转换精度与简化电路.信号调理电路的结构框图如图2所示.

图2 信号调理电路示意图

通常传感器的模拟信号在变换为数字信号之前必须进行调理.调理的具体要求是放大、缓冲或定标模拟信号等，使其适合于模/数转换器(ADC)的输入，然后，ADC对模拟信号进行数字化，并把数字信号送到微处理器(Micro-Control Unit，MCU)或其他数字器件，以便用于系统的数据处理.此外，由于电力谐波中包含无限次大的谐波分量，在数据采集时会发生频谱混叠现象，所以还要将信号送入抗混叠滤波器.本设计所选用的A/D转换器模拟信号输入值范围为0～3.3 V，所以还必须将采集的信号经过一个电平偏移电路，然后将偏移后得到的电压信号送给A/D转换器，把连续的模拟量转换成离散的数字量，最后由微处理器对数据进行处理、存储和显示.

2.3 模数转换电路

按照系统设计的技术要求及芯片的性能、性价比，本设计中模数转换器采用S3C2440处理器内部集成的10位COMS ADC(模数转换器)，是一个8通道模拟输入的再循环类型设备，支持片上采样—保持功能和掉电模式的操作.由于所选用处理器自带的A/D转换器满足采样需求，同时简化了硬件设计，提高了系统稳定性，也降低了成本.

2.4 数据存储电路

S3C2440芯片外接了2片32 MB的SDROM内存芯片，它们并接在一起形成32-bit的总线数据宽度，这样可以增加访问的速度.因为是并接，故它们都使用了nGCS6作为片选，这就决定了它们的物理起始地址为0x30000000.S3C2440芯片还外接了2种Flash:一种是 NOR Flash，型号为 SST39VF1601，大小为2 MB；另一种是NAND Flash，型号为 K9F1G08，大小为128 MB.S3C2440支持这两种Flash启动系统，通过拨动开关S2，就可以选择从NOR还是NAND启动系统.

3 软件设计

在系统的软件设计上，本设计采用模块化、结构化设计思想，以便于程序及各功能模块的移植与扩展.按照本系统的功能，把系统软件分成2部分:其一为Linux驱动程序；另一为应用程序.

3.1 Linux驱动程序

Linux驱动程序主要为A/D驱动程序.ADC设备在Linux中可以看作是简单的字符型设备，也可以看作是一混杂设备(misc设备).本软件用misc设备实现ADC的驱动，其中断的方式为，当AD转换完成后产生AD中断，在中断服务程序中读取ADC DAT0的第0～9位的值(即AD转换后的值).

ADC设备的驱动程序开发分为4个步骤:

①编写驱动程序文件my2440 adc .c，实现驱动的初始化和退出；

②定义adc miscdev 结构体并实现内部各接口函数；

③编写用户应用程序测试my2440 _adc 驱动，并建立应用程序adc test .c；

④驱动程序的编译与加载.

编写完驱动程序形成my2440 adc .c 文件 ，采用makefile文件进行编译生成.ko可执行文件，然后使用insmod命令加载驱动程序.

3.2 应用程序

应用程序在Linux系统下用C语言编程来实现.由于ADC设备已加载到内核中，可以如同普通文件一样操作.对电力谐波数据进行采集时，首先打开ADC驱动的设备文件，然后读取电压值(该电力谐波数据采集系统也支持对电流值的操作，在此仅以电压值为主)，紧接着进行快速傅里叶处理，最后进行数据存储和显示.应用程序的流程如图3所示.

图3 应用程序流程图

需说明的是，本设计在完成谐波电压的数据采集后，还要对其进行快速傅里叶变换(FFT)分析.根据奈奎斯特采样定理，一个周期采样点个数是128个.在一个周期波128个数据采集结束后，进入FFT算法程序.本设计采用按时间抽取(Decimation In Time，DIT)的基-2 FFT算法.

4 结 语

本设计以S3C2440处理器为控制核心，构建了数据采集系统的信号调理、模数转换和数据存储等功能模块的硬件电路，并编写了相关硬件设备的驱动和应用程序.系统实现了多路通道的电力谐波数据采集功能，并对数据进行了快速傅里叶变换分析，能简单明了地观察到所提取信号的谐波含量.将该谐波采集系统应用于电网中，可以方便地检测电网中的谐波分量，然后对谐波进行处理可达到改善电网质量的目的.系统可以脱离主机运行，在使用过程中便于携带，且功耗低、成本低，具有较高的实际应用价值.同时，由于S3C2440和Linux操作系统的强大功能及丰富的外设接口，对系统还可以做进一步扩展开发，如结合RS485通讯进行远程监测，结合数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)对电力谐波处理算法进行优化，以进一步提高处理精度等.

:

[1]陈璞，刘文波.基于AR M和嵌入式Linux的远程数据采集系统的软件设计[J].测控技术，2007，26(9):54-56.

[2]三星公司.S3C2440全套中文手册.[2011-04-02].http://ishare.iask.sina.com.cn/f/14358689.html.

[3]翟红叶，符影杰.基于ARM的电网电压谐波检测仪的研制[J].中国仪器仪表，2006，26(10):33-35.

[4]巢丽娟，鞠勇.基于嵌入式的电力谐波数据采集设计[J].机械与电子，2010 ，28(S1):215-217.

[5]程佩青.数字信号处理教程[M].北京:清华大学出版社，2008.

Design of Data Acquisition System for Power Harmonic Based on S3C2440

WEI Yanbin，HUANGXiang，CAI Lecai

(School of Automation and Electronic Information，Sichuan University of Science&Engineering，Zigong 643000，China)

Data acquisition for harmonic power is realized by combination of embedded system's hardware and software.The core of hardware isS3C2440 of ARM9 as the main control chip and the software takes real-time embedded operating system(μ C/OS-II)as operation platform.Signal conditioning circuit module and others were designed and the driver and application programs were written.Acquitted data were analyzed and processed after Fast Fourier Transform and processed harmonic component was shown and saved to realize the function of this system.

power harmonic；data acquisition ；S3C2440 ；conditioning circuit；Fast Fourier Transform(FFT)

TP274+.2

A

1004-5422(2012)04-0375-03

2012-09-12.

位宴宾(1985—)，男，硕士研究生，从事计算机嵌入式系统研究.