基于138平台的电能质量检测系统设计*

陈晓娟,巩永稳

(东北电力大学信息工程学院,吉林 吉林 132012)



基于138平台的电能质量检测系统设计*

陈晓娟*,巩永稳

(东北电力大学信息工程学院,吉林 吉林 132012)

摘要:现有的电能质量检测系统具有数据采集量和处理量大,实时性要求高等特点,并根据电力行业的发展现状,结合生产实际需求,提出了基于138平台+FPGA的分布式控制结构。以138平台为核心,充分发挥OMAPL-138平台DSP+ARM双核的优势,实现数据的高速率处理,通过FPGA实现通信协议的拓展,完成不同通信协议之间的转换,整体设计提高了系统的实时性和数据处理能力。该平台具有质量良好,稳定性好,具有一定的推广前景。

关键词:电能质量检测;OMAPL-138平台;KSZ8041;linux

近几十年来,我国的现代电力系统得到了迅速的发展,规模不断扩大,用电紧张的情况得到了根本性解决,因此人们把电能质量检测的相关问题提上了日程。随着工业与科学技术的发展,整流器、变频调速器、电弧炉等电力电子设备的广泛应用,各种冲击性、非线性、波动性负载也大量增加,使电网受到不同成度的冲击,出现诸如电压闪变、波形畸变和凹陷等问题。并且一些工业用户,特别是自动化程度较高的,对电能质量问题特别敏感,任何电能质量问题都将导致产品的质量下降,甚至是工业作业的停止,给用户造成不可估量的损失[1-2]。在以上背景下,提出了基于OMAPL138平台+FPGA分布式结构的软件系统和硬件平台监测系统。通过人机交互界面实现对监测点的电能质量的实时监测、处理、分析和存储。并且通过以太网将监测的电能质量数据上传到上位机,进行集中分析和处理。使工作人员全面了解电网运行状况。

1　电能质量检测系统整体设计

将一定数量的数据采集点合理布设于监测环境,使用光缆传输数据采集信号,经过光电转换模块,转换为电信号。整个系统以OMAPL138为核心处理器,依靠138平台强大的高速运算能力实现电网电能质量的在线监测,具有成本低、集成度高、实时性好等特点。且具有高性价比及市场竞争力,适合实际工业产品的开发。

整个系统有主处理器模块、数据采集模块、数据存储模块、液晶显示、触摸模块、通讯接口模块和电源模块组成,如图1所示。

图1　系统框图

图2　AD7658_1电路连接图

各个模块的功能实现:

(1)主处理器模块:主处理器模块是整个系统的中心,负责整个系统的各个模块的控制、管理等工作,并完成电能质量检测算法程序的运行;

(2)数据采集模块:负责采集电网的频率、三相基波电压、电流有效值、基波无功功率、有功功率、相位、功率因数、三相电压不平衡度、频率偏差、电压偏差、负序电压电流、三相电流不平衡度、电压、电流的总谐波畸变率、各次谐波含有率、相位、幅值等电能质量参数的测量,是电能质量分析的数据源;

(3)数据存储模块:存放文件系统、引导程序、linux内核,同时也是系统工作时数据存储单元;

(4)液晶显示触摸屏:经过运算得出的实时电能质量监测结果通过液晶显示屏显示,完成人机交互,并把操作指令转换为电信号传输给主处理器;

(5)通讯接口模块:实现与上位机的通讯的常用接口,如:网络接口、USB、串行接口等,本设计也连接了SD卡、SATA,完成数据的静态存储,通过EMIFA与FPGA的连接实现双口RAM,使用SPI、UPP、MCBSP与FPGA相连,通过FPGA完成的通信协议之间的转换;

(6)电源模块,为整个系统供电。

2　部分硬件电路图

2.1数据采集模块

三相电流电压经过电流互感器和电压互感器,对采集的电压和电流进行变换,并传送给A/D转换模块。A/D芯片的选择就显得至关重要,本设计中选用AD7658-1芯片[3]。AD7658-1芯片内置了6个16 bit/14 bit/12 bit、快速、低功耗逐次逼近型ADC,并集成到一个封装里,吞吐速率为250 ksample/s,内置低噪声、宽带宽采样保持放大器,可以处理4.5 MHz的输入频率。转换过程与数据采集利用CONVST信号和内部振荡器进行控制。3个CONVST引脚(CONVST A、CONVST B、CONVST C)3对ADC独立地同步采样。AD7658-1电路原理图如图2所示。

2.2网口和串口模块

本设计的网络接口采用光口和电口两种形式,光口采用AVAGO公司的AFBR 5803 AQZ光电模块,电口使用RJ45,PHY芯片均采用KSZ8041FTL物理层芯片,把AFBR 5803 AQZ光电模块的传输方式设置成RMII格式,连接到FPGA上。电口RJ45直接连接到138平台上,使用MII传输方式。串口的连接方式使用DB9,物理层芯片使用MAX3232。通过这种接口,可以实现数据处理模块与上位机的互联[4-5]。光口和串口电路原理图如图3所示,电口电路原理图如图4所示。

2.3电源模块

由于FPGA的电源需求为1.8 V和3.3 V,各个模块电压供应设置为5 V。138平台的需求电压为1.2 V、1.8 V和3.3 V。所以本设计电源模块选择了TPS65251RHAT[6]。全局供电为5 V,电源原理图如图5所示。

138内核上电顺序的要求,使得本设计控制电源的上电顺序成为本电源设计的关键,由图可知,本模块的上电顺序为首先上电为5 V,且依次经过电压变换芯片启动3 V、+1.2 V、+1.8 V、3.3 V,启动顺序不能更换。3 V对U57供电,+1.2 V对U20供电。

图3　光口和串口电路原理图

图4　电口电路图

图5　电源电路图

3　软件系统平台

软件平台是开发各种应用程序和驱动程序的基础,包括嵌入式linux系统软件和主机软件两大部分。本设计的嵌入式linux系统软件需要完成Uboot移植、UBL移植、文件系统的建立、linux内核移植等4个部分[7-8]。

3.1138平台的启动过程

138平台的启动过程与其他的单DSP或ARM核芯片不同,它采用了多级Uboot[9]。采用了常用的启动途径,即从板载的NANDFLASH启动,其启动过程如图6所示。

图6　138平台的启动框图

OMAPL-138启动时默认的ARM核休眠,DSP核工作。所以DSP首先启动,从片内L2 ROM处读取TI已经固化好的仅DSP核可以访问的RBL。RBL初始化之后,通过PSC模块使能ARM核,休眠DSP核。

3.2操作系统的搭建和移植

板级支持包是主板硬件和操作系统连接的桥梁,主要工作是支持操作系统,使能够很好地运行于硬件主板。设备驱动的设计和开发,包括数据采集模块、触摸屏显示模块、通信模块等设备的驱动。面向应用程序和驱动提供友好的灵活的接口,方便使用。

3.3数据采集模块设计

数据采集模块是整个系统的数据来源,是系统比较重要的部分,其驱动的稳定性和高效性是整个系统的重要因素,其工作流程如图7所示。

图7　工作流程图

图8　layout电路图

4　电路图和实物图

图8为使用layout绘制的电路图,图9为已经调试完成的实物图,电路调试完毕,能正常完成理论设计所需求的工作。

图9　实物图

5　测试数据

频率(输入电压为57.74V,选择装备B相数据),误差值在0.002 V～0.009 V之间,测量数据如表1所示。

表1　频率分析

基波电压(频率为50Hz,选取A、B、C三相数据)测量数据如表2所示,测得值与所加的电压误差值较小。

表2　基波电压测量数据

基波电流(频率为50Hz,选取A、B、C三相数据)测量数据如表3所示,测得值与所加的电流误差值较小。

表3　基波电流测量数据

6　结束语

基于138平台的双核处理器,完成了电能质量检控系统的设计与实现,相比于以往的采用DSP、ARM和FPGA或单片机单纯的结合,性能要好的多,充分发挥了DSP的强大运算能力和ARM核的控制能力,使系统的功能更加强大,分工更加明细。实现的监控系统的良好运行。本设计的核心模块也可应用于其他监测领域,具有广阔的应用前景。

参考文献:

[1]汶瑞建.基于ARM的电能质量检测装置硬件系统的设计与实现[D].电子科技大学,2012.

[2]张云,王艳君.基于DSP和ARM的嵌入式电能质量监测系统[J].微计算机信息,2008,24(2):170-172.

[3]朱维钧,周有庆,王优优.AD7656及其在电力系统测控中的应用[J].电工材料,2007(2):47-50.

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[5]孙智涛,王振臣,焦敏.基于ARM的汽车防盗系统的设计[J].电子器件,2009,32(1):122-125.

[6]王拾亦,闰学文.基于ARM与SD卡的嵌入式存储系统研究与设计[J].信息化研究,2009,35(4):61-64.

[7]马秀娟,考丽,赵国良.基于FPGA和DSP的高速数据采集实时处理系统的设计[J].电子器件,2007,30(3):2009-2013.

[8]查婧,刘波,曹剑中.Linux内核在S3C2440上移植的方法[J].电子器件,2009,32(4):843-845.

[9]吴萌,刘波.U-Boot分析与移植到YLP2410开发平台的方法[J].电子器件,2009,32(4):836-839.

陈晓娟(1970-),女,汉族,吉林省吉林市人,东北电力大学信息工程学院教授,博士学位,主要研究方向为模拟电路故障诊断以及电力线通信cxj_neiep@126.com;

巩永稳(1985-),男,汉族,吉林省吉林市人,东北电力大学信息工程学院硕士生,研究方向为电能质量检测,ggyyww1986@163.com。

TheDesignaboutthePowerQualityDetectionSystemBasedon138Platform*

CHENXiaojuan*,GONGYongwen

(Information Engineering College Northeast Dianli University;Jilin Jilin 132012,China)

Abstract:Power quality detection system has the features about the characteristics of huge data acquisition and processing,and the high real-time requirement and so on,and according to the status of power industry development,combined with the actual production requirements,made the distributed control structure based on 138 platform+FPGA,the 138 platform as a core,full played the advantage of OMAPL-138 platform DSP+ARM double nuclear,achieved the data of high-speed rate processing,through FPGA achieved expansion about communications agreement,completed the conversion between different communications agreement,Integrated design system improved the real-time and the capabilities of data processing.The platform has a good quality,good stability,and has a certain promotion prospects.

Key words:Power Quality Detection;OMAPL-138 platform;KSZ8041;linux

doi:EEACC:814010.3969/j.issn.1005-9490.2014.05.041

中图分类号:TM933.4

文献标识码:A

文章编号:1005-9490(2014)05-0991-05

收稿日期:2013-10-09修改日期:2013-10-29

项目来源:国家自然科学基金(61271115)