一种基于双核处理技术的厂站式电能质量监测装置的设计

蒋鑫伟 李峻 陈圆 刘志勇 陈岗

（威胜信息技术股份有限公司 湖南省长沙市 410205）

目前，随着国家经济技术的发展和人们生活水平的提高，电能已经成为了人们生产和生活中必不可少的二次能源。而电能质量的优劣则直接关系到用电户的用电体验。

电能质量监测装置是用于实时记录、分析和监测电网电能质量的装置。现使用的电能质量监测装置大多采用DSP+传统的工控机方案，DSP芯片负责电压电流的采样数据处理、分析，工控机负责对DSP处理输出的数据进行统计、对外部进行数据交换、对装置进行人机界面控制，DSP和工控机之间采用总线方式进行传输。目前这种方案成熟、稳定、成本低，得到了业界广泛的使用。但这种方案也有一定局限性：首先，DSP芯片处理任务单一，难以满足最新的电能质量标准IEC61000中提出的对谐波、闪变、不平衡的监测分析要求；其次，总线传输的速度慢，易受干扰，难以实现多通道、大容量的数据传输，再者，DSP+传统的工控机方案成本高、体积大，已不适合现阶段新型电能质量监测装置的发展要求。因此，市场迫切需要一款一种体积小、成本低、精度高、性能稳定的新型电能质量监测装置。

本文专门探讨了一种新型电能质量监测装置的硬软件设计方法，该装置采用双核架构组成监测管理系统， DSP数字处理器负责前端的电能质量数据处理，算法分析， ARM9高端芯片则负责对数据进行统计与整个装置人机界面管理，通信，输入输出的控制；主控模块和测量模块之间通过高速USB总线进行通信，该装置具有比以前的产品功能更强大、准确度更高、性能更稳定的优势与特点。

1 装置的硬件设计

新型电能质量监测仪采用按照功能划分具体板件模块的设计思想，对于实现相同或者类似功能的电路则根据具体结构约束分配到同一块印制板上。具体来说，本设计按照功能划分有以下功能电路：模拟测量板单元（模拟电路AD采样接口、OMAPL138系统、输入输出口、网络接口）、主控板单元（含AT91SAM9G45控制系统、网络接口、人机交互单元：液晶、LED指示灯、矩阵键盘、外接鼠标、键盘等）、背板单元（USB HUB电路、USB总线、485总线、板件通讯、支撑插座等）、电源板单元（+5V、+12V输出），共计五大功能单元电路。

1.1 硬件结构框图的设计

图1为装置的硬件结构框图。

图1：硬件结构框图

如图1所示，整体系统的功能实现及数据传输方案是；

模拟测量板单元通过板载电压PT、电流CT、运放电路完成外部的电压、电流信号采样，AD芯片完成模数信号转换传给板载的双核处理器，双核处理器内置FFT算法，完成对基本电参量、谐波、闪变等的测量与分析工作。ARM核完成基于IEC61850库的数据统计、存储、与主控板通信、外部遥信输入、遥控输出等工作。板载网络接口完成实现单板与外部设备组网，高速数据交换的工作。通过USB2.0接口与主控板进行通信。

主控板单元核心处理器通过USB2.0总线与数字测量板、模拟测量板单元进行基于IEC61850库的数据交互、统计、存储。通过USB2.0总线对外设键盘、鼠标进行控制，通过总线对液晶进行控制，实现显示功能，通过扩展网卡芯片实现基于IEC61850库的数据上传功能，通过485、232口实现集采、维护功能。

背板单元的主要器件是2片的1扩7的USB HUB芯片，负责8块数字测量板、模拟测量板、外部USB键盘、鼠标与主控板单元核心处理器的数据交互。

电源板上的主要器件是电源模块：功率总和5w、+5V输出，交流滤波器NAC-04、散热风扇，以上器件组成的电源单元负责对整机系统的数字测量板、模拟测量板、背板、液晶模块等供电。

1.2 模拟测量板单元电路设计方案

1.2.1 模拟板核心板最小系统设计

核心板具有双核片上系统DSP浮点处理器 和ARM ,运行速率均为400MHz，具有增强型直接内存访问控制器（EDMA3）、128MB的16位 的EMIFA控 制 器（NAND FLASH）、512MB地址空间的16位DDRII内存控制器、3个UART模块、1个LCD控制器、2个SPI口、2个I2C口、1个含32K振荡器的实时时钟、2个SD卡接口、1个USB1.1口 、1个USB2.0口、1个10M/100M的以太网

MAC、2个多通道串口、3个64位通用定时器、1个64位看门狗定时器。16个多通道可编程I/O口 。

本设计的最小系统中，采用1片1G的NAND FLASH通过总线 连接DSP的EMIFA控制器，提供启动、系统程序的存储空间，采用1片1G的DDRII内存通过总线 连接DSP的DDRII控制器，提供数据的运行、操作空间，采用1块4G的SD卡通过总线 连接DSP的SD接口，提供统计数据的存储空间。采用DSP内置实时时钟提供年月日时钟信号，采用ADM706S看门狗芯片给DSP提供硬件复位信号。采用1片铁电（1Mb）为DSP提供控制、采样参数的存储空间。实时时钟RTC引脚外界1颗32.768的无源晶振。系统晶振引脚外接1颗24M的贴片有源晶振。另外，还设计了还设计了1个串口+485芯片与主控板9G45组成485总线备用通讯系统、1个外接调试串口供串口调试用、1个JTAG口供DSP的仿真调试用。

1.2.2 模拟测量板板载电源方案

DSP的电压系统为双电压架构，即DSP系统本身、内部RTC、内部ROM、内部IO为一个电压架构，与外设有关的USB、SATA口为一个电压架构，需要的电压支持为；内核电压CVDD+1.2V（DSPC6748+ARM9）、内部ROM电 压 RVDD+1.2V、 I/O电 压 DVDD18+1.8V、I/O电 压DVDD3318+1.8V或+3.3V、USB0支撑电压USB0_VDDA33+3.3V、输入电压USB0_VDDA18+1.8V、输出电压USB0_VDDA12+1.2V、内核电压USB_CVDD+1.2V、SATA逻辑电压SATA_VDD +1.2V、DDR的逻辑电压DDR_DVDD18+1.8V。根据手册，DSP的标准功耗是(1.2V+1.8V)0.8W。DDRII（1.8V*0.3A）0.54W. NAND FLASH(3.3V*0.035) 0.12W,其他功耗（3.3V*0.03） 0.1W,所以，数字测量核心板上的功耗为1.56W。根据TI 的电源设计方案，我们选用1颗多电压等级输出的开关电源芯片TPS65070来解决整个数字测量板的电源需求。TPS65070具有5个电压输出端，3个是PWM电压输出，总电流输出最大可达2A,设计输出电压等级为+1.3V、+1.8V、+3.3V，2个是LDO电压输出，总电流输出200mA，设计输出电压等级为+1.2V、+1.8V、上电顺序可控。OMLAP138的上电顺序特点是先内核，再IO，再外设，本设计的电源分配方案是；3个是PWM电压输出+1.3V、+1.8V、+3.3V分别供内核、内存、IO电源，2个是LDO电压输出供USB、SATA外设接口电源使用。同时通过电路控制依次上电顺序，满足DSP的供电需求。

1.2.3 模拟采样电路

模拟板上的采样电路由6路电压、电流采样通道、1片AD采样芯片ADS7606组成。模拟采样电路的主要作用是采集线路上的3相电压、3相电流信号，信号的采样频率在0～5KHz之间，滤除采样频率之外的高频谐波，模拟通道对信号进行调理、AD芯片对信号进行模数转换，通过SPI口将6路数字采样信号传给DSP,供DSP进行FFT分析、处理。

每1路电压采样电路由电压互感器、一阶RC滤波器、INA143运放组成，信号通过电压互感器后，隔离变比成毫伏级电压信号信号，通过一阶RC滤波器滤除高频干扰信号，INA143再将信号放大，进入ADS7606；

每1路电流采样电路由电压互感器、采样电阻、一阶RC滤波器、INA143运放组成，信号通过电流互感器后，隔离变比成毫伏级电流信号，通过采样电阻转换成电压信号，信号通过一阶RC滤波器滤除高频干扰信号，INA143再将信号放大，进入ADS7606。

ADS7606是一款8通道、±5V差分输入、同时采样的16位AD转换器，所有通道的同步转换数率为200KSPS。SPI口传输方式，芯片接受DSP的12.8K的中断采样信号，每隔78uS 中断时间采样一次，将6路电压、电流信号差分信号进入AD7606后，转换成数字信号通过SPI口传给DSP。

1.2.4 USB2.0总线通信电路

模拟板上的DSP与主控板上的ARM32芯片是通过USB2.0总线来通讯的。由于最多有8块模拟板，而ARM32芯片的USB总线接口只有2个，因此需要通过背板上的USB HUB芯片来扩充USB总线接口，因此，DSP的USB总线是先和USB HUB的USB扩展口通讯，再通过2517和ARM32芯片的USB进行通讯。DSP的USB2.0口做USB客户端，信号USBDP、USBDM通过内置的USB2.0PHY 收发，直接与USB HUB的PHY下游扩展口USBDM、USBDP相连。

1.2.5 遥控遥信接口电路

模拟板上设计了2路遥信信号用来接收外部的开关量输入、2路遥控信号用来控制继电器对外部的输出开关量。遥信遥控信号均为DSP上的IO信号，在板上设计一个隔离开关电源WRF0512S-2W作为遥信外部电源，遥信信号通过光耦隔离后再输入，遥控信号则通过光耦隔离后控制5V继电器输出。

1.3 主控板单元电路设计方案

主控单元主要由ARM32芯片小板、主控板、面板三部分组成；

ARM32芯片小板构成：

主要由1片ARM32芯片、1片12M有源晶振、1片32.768K无源晶振、1片1Gb的NANDFLASH、1片1Gb的DDRII、2片电源芯片（分别输出+1.2V和+1.8V）。NANDFLASH、DDRII和ARM32芯片通过总线方式进行连接。

ARM32芯片的主频400M，支持DDRII,内置TFT液晶驱动器，2个USB2.0接口，1个以太网MAC控制器，2个SD卡接口，2个SPI接口，2个I2C接口，4个USART口,内置32K RC时钟。

ARM32芯片主要完成数据统计、显示、键盘输入、通信的功能，NANDFLASH完成控制程序存储、DDRII完成数据存储，LM3671完成最小系统的供电。

主控板构成：

主控板由2个总线插座、3个总线收发器、2个用于扩展的网卡芯片、1个光纤接头、1个网络收发器、1个看门狗电路、电源芯片MIC29152（+5V转3.3V）、实时时钟芯片RX-8025T、2个RS232接口、1个LVDS液晶驱动器DS90C385A、2个USB2.0驱动口组成。

面板构成：

面板是用来连接主控板和液晶模块、矩阵键盘、鼠标及外接键盘USB口的中间板，同时还起着固定以上外设的作用。面板和主控板之间的连接是通过背板转接来完成的，面板和背板通过软排线连接。

面板上的矩阵键盘采用5*4结构，可以输入0-9数字及字母；

面板上的2个USB接口可以外接鼠标、键盘。

面板上设计一路维护RS-232(PS/2)口。

1.4 系统软件结构

厂站式监测仪的测控单元结构由ARM核和DSP核组成。图2为测控单元双核软件结构图。

图2：测控单元双核软件结构图

DSP核针对模拟和数字采样绘制了两幅功能模块交互图，如图3，图4所示。

图3：传统化DSP核的功能模块交互图

图4：数字化DSP核的功能模块交互图

整体的软件运行流程如下：

S1. 监测装置上电初始化；

S2. 获取待监测线路的模拟量采样信号和数字量采样信号；

S3. 控制器电路根据获取的模拟量采样信号和数字量采样信号，对电能进行计量；

S4. 控制器电路根据获取的模拟量采样信号和数字量采样信号，对电能质量进行监测；

S5. 控制器电路将所述监测装置的工作参数存储到存储器电路。

2 装置的测试与分析

根据理论设计出样机后需要对样机的电压、电流采样准确性、谐波计算、不平衡计算的处理的功能进行测试分析。实验中，采用FLUKE公司的标准台式FLUKE电源作为信号发生器，用FLUKE公司的高精度数字电表作为标准检测表，其精确度可以达到小数点后第四位，即万分之一。检测项目中，电压、电流、频率和谐波能够直接给出待测目标的测量和计算结果数据，对于不平衡度的检测．设计一组三相电压，通过对称分量法计算得出不平衡度的真实值。

3 试验分析

经检验，本装置电压的测量精度可达0.1%，电流可达0.5%。频率、谐波和不平衡度也具有符合国标GB/T19862-2015 电能质量监测装置A级的测量精度，装置整体达到了设计的要求。

4 结论

本文介绍了一种新型电能质量监测装置的硬软件设计方法，该装置采用双核架构组成监测管理系统， DSP数字处理器负责前端的电能质量数据处理，算法分析， ARM9高端芯片则负责对数据进行统计与整个装置人机界面管理，通信，输入输出的控制；主控模块和测量模块之间通过高速USB总线进行通信，该装置具有比以前的产品功能更强大、准确度更高、性能更稳定的优势与特点。