嵌入式Web服务器在远程电能质量监控系统中的实现毕业论文.doc

嵌嵌入入式式 Web 服服务务器器在在远远程程电能质量监电能质量监 控系统中的实现毕业论文控系统中的实现毕业论文 目目 录录 摘摘 要要 I Abstract II 1 绪论绪论 1 1 1 课题研究背景及意义 1 1 2 国内外研究现状及发展趋势 1 1 2 1 远程监控技术 1 1 2 2 嵌入式 Web 服务器 3 1 2 3 电能质量的研究 3 1 3 主要研究内容及文章结构 4 2 电能质量指标及其检测方法电能质量指标及其检测方法 5 2 1 电能质量指标 5 2 1 1 频率偏差 5 2 1 2 电压偏差 5 2 1 3 电压波动与闪变 6 2 1 4 三相不平衡 6 2 1 5 谐波 6 2 2 电能质量检测方法 7 2 2 1 频率偏差 7 2 2 2 电压偏差 9 2 2 3 电压波动和闪变 9 2 2 4 三相不平衡 10 2 2 5 谐波 12 3 系统硬件设计系统硬件设计 15 3 1 系统硬件总体结构设计 15 3 2 系统各部分电路的设计 15 3 2 1 ARM9 系列处理器简介 15 3 2 2 S3C2410 芯片简介 16 3 2 3 外围电路设计 17 3 2 4 数据采集电路设计 24 4 系统层软件设计系统层软件设计 29 4 1 Linux 操作系统简介 29 4 2 Linux 操作系统的移植 29 4 2 1 宿主机开发环境的建立 29 4 2 2 BootLoader 向开发板的移植 30 4 2 3 内核向开发板的移植 33 4 2 4 根文件系统的建立 36 5 嵌入式嵌入式 Web 服务器的设计与实现服务器的设计与实现 39 5 1 系统应用软件总体结构设计 39 5 2 嵌入式 Web 服务器的设计 39 5 2 1 嵌入式系统网络管理 39 5 2 2 套接字 socket 编程原理 40 5 2 3 Boa 服务器 42 5 2 4 公共网关接口技术 CGI 及 CGIC 44 5 2 5 网页设计及实现 49 5 3 MiniGUI 的设计 54 5 3 1 GUI 系统的选择 55 5 3 2 MiniGUI 的概述 55 5 3 3 MiniGUI 的移植 56 5 3 4 MiniGUI 的程序设计 59 6 结论结论 63 致致 谢谢 65 参考文献参考文献 67 附录附录 A 攻读硕士学位期间发表的论文和参加的科研课题攻读硕士学位期间发表的论文和参加的科研课题 71 附录附录 B 系统实物图系统实物图 72 1 绪论绪论 1 1 课题研究背景及意义课题研究背景及意义 随着人们对电力需求的加大 电力系统也日渐发展壮大 但是 由于电力系统中 各种非线性负荷的加入 电能质量问题日益突出 如谐波污染 三相不平衡 波动和 闪变等 所以 实时地对远程电能质量进行监测和控制 来确保电能高效 安全地使 用已是势在必行 电能质量远程监测技术是集计算机技术 网络技术和监控技术于一体的一门技术 实现了对电网的主动监视 测量 自动控制 保护 以及通信等综合性的自动化功能 由于能够实现不同地域的数据共享 所以基于 Internet 的网络通信得到迅速发展 1 2 为了安全方便地实时监测和控制现场 提高生产效率 Web 技术和嵌入式技术结 合地越来越紧密 嵌入式 Web 服务器 Embedded Web Server EWS 是指在现场监控 设备中引入 Web 服务器 以相应的硬件平台和软件系统为支持 以 Web 技术为核心 TCP IP 协议为底层通信协议的基于 Internet 的网络监控设备 随着 Internet 技术 3 4 5 的兴起 在嵌入式设备的管理与交互过程中 基于 Web 方式的应用已经成为目前的主 流 这种程序结构是 B S 结构 即在嵌入式设备上运行一个支持 CGI 功能的 Web 服务 器 能够生成动态页面 在用户端只需要通过 Web 浏览器就可以对嵌入式设备进行管 理和监控 非常方便和实用 本文采用的是 Linux 操作系统和三星公司的 ARM9 核微处理器 S3C2410 来构建嵌 入式 Web 服务器 以实现对电能质量的监控 由于嵌入式 Web 服务器具有稳定性高 成本低 实时性强等优点 而且在生产领域能够实现生产的自动化和管理的网络化 提高生产效率 所以嵌入式 Web 服务器应用于电能质量监控系统具有重要意义 1 2 国内外研究现状及发展趋势国内外研究现状及发展趋势 1 2 1 远程监控技术远程监控技术 随着人们对远程监控技术的不断研究和应用 远程监控技术已经由最早的单机监 控系统 这种系统是封闭的 主要是对单一设备进行监控 经过集中式监控系统 这 种系统实现了由一台计算机控制多台计算机进行监控 发展到基于网络技术的远程监 控系统 这种系统已经将 Internet 引入到监控系统 便于生产人员远距离和大范围安排 和管理现场 远程监控系统所具备的优点主要有 6 DOCUMENT TITLE 1 通过远程监控系统可以将企业内部的信息网 Intranet 有效地连接到控制网上 这样可以随时掌握企业的生产和运营情况 并能根据生产和运营进程以及出现的状况 及时调整企业经营和管理策略 从而使企业实现综合自动化和利润的增加 2 通过远程监控系统能够及时 快速地获取现场设备运行的第一手数据 并根据 这些数据分析判断现场设备有无故障 哪部或哪些设备出现了故障以及出现了什么故 障 甚至可以远程处理这些故障 为远程故障诊断技术提供了物质基础 也减少了生 产安全事故的发生 3 通过远程监控设备 工作人员不再需要工作在现场 特别是环境恶劣和场地危 险等场合 这样 工人只需要利用本地丰富的软件和硬件资源 便能轻松方便地对远 程的现场设备进行监测和控制 保证设备的正常运行 同时 也能减少值班的工作人 员 为企业减少开支 增加利润 远程监控技术引起了国内外研究者的兴趣 他们对此展开了不懈地研究 1997 年 1 月 斯坦福大学和麻省理工学院联合主办了首届基于 Internet 的远程监控诊断工作会 议 这次会议讨论了有关远程监控系统开放式体系 诊断信息规程 传输协议及对用 户的合法限制等 并对未来技术的发展作出了展望 由斯坦福大学和麻省理工学院 7 合作开发了基于 Internet 的下一代远程监控诊断示范系统 这项工作同时也得到了制造 业 计算机业和仪器仪表业的 Sun HP Intel Ford 等 12 家大公司的支持 许多大公 司也在他们的产品中加入了 Internet 功能 如 Bentley 公司的计算机在线设备运行监测 系统 DataManager200 可以通过网络动态数据交换的方式向远程终端发送设备运行状态 信息 National Instruments 公司将网络通讯处理模块加在了它的产品 LabWindows CVI 以及 LabVIEW 中 因而可以通过 WWW E mail 等方式在网络范围内进行监控数据的 传送 8 同样 远程监控技术也受到了国内研究人员的关注 许多高校如西安交通大学 华中科技大学等已取得了较为先进的研究成果 如西安交通大学研制的大型旋转机械 计算机状态监测系统及故障诊断系统 RMMD 华中科技大学开发的汽轮机工况监测和 诊断系统 KBGMD 哈尔滨工业大学的微计算机化机组状态监视与故障诊断专家系统 MMMDES 等 9 随着计算机技术和网络技术的日渐成熟 远程监控系统向着网络化 开放性的方 向发展 对于一些工业现场 有些被控对象 测控装置等设备分布在不同场地 或者 对控制任务有实时性的要求 以及要求保证工作人员的人身安全等 而基于 Internet 的 远程监控技术解决了这些问题 伴随着嵌入式系统不断发展且趋于成熟 嵌入式系统 和基于 Internet 的远程监控系统结合起来 使信息能够实现不同地域的共享 便于工作 人员随时掌握现场情况 进行设备的管理 这在很大程度上提高了监控的质量和范围 为了能够满足人们对远程监控提出的更高要求 必须不断地发现目前监控系统中 存在的问题 并努力掌握与之相关的先进技术 通过不懈努力 使得远程监控技术不 断向前发展 为人类带来更多的方便 1 2 2 嵌入式嵌入式 Web 服务器服务器 随着嵌入式技术的发展 嵌入式 Web 服务器受到越来越多的关注 所以嵌入式 web 服务器也成为了国内外研究的热门课题 而且现在已经被应用到各种各样的场合 如智能家电 监控系统 工业现场的管理与控制等 用户和操作人员可以通过设备的 以太网口或者其他网络端口来远程访问内置 web 服务器的专用网页 并通过 Web 浏览 器进行显示 从而实现对远程设备运行状况的监测 控制及运行参数的配置等 10 基于嵌入式 Web 服务器的诸多优点和迅速发展 在国外 对嵌入式 Web 技术的研 究已从理论阶段过渡到开发和应用阶段 如惠普公司应用 IEEE1451 2 智能传感器标准 研制的嵌入式以太网控制器具有 10BaseT 以太网接口 能够运行 FTP HTTP UDP 协议 已应用于传感器 驱动器等现场设备 在国内也进行了这方面的研究 如武汉大学 11 黄天戌等人利用 SX 52 微控制器开发的嵌入式 Web 服务器 南京大学王健等人利用 ARM 处理器开发的网络视频监控系统等 12 由于嵌入式 Web 服务器简化了系统结构 将采集和发布信息等工作都集成到现场 的监控设备中 提高了监控能力 所以这项技术有着更大的发展空间和更多的应用领 域 1 2 3 电能质量电能质量的研究的研究 国外对电能质量的研究较早 1992 年 7 月 欧洲电工标准化委员会发布 公用配 电系统 草案 该草案全面规定了中 低压配电系统用户供电端的电能质量 包括频 率 电压 电压偏差 电压波动及闪变 短时和长期停电 暂态工频过电压 瞬态过电 压 电压不平衡 电压波形以及电源的信号电压等 1993 1995 年 美国 EPRI 在 13 全国范围内进行了大规模的电能质量普查 得到了大量的电能质量数据 国外的电 14 能质量监测仪器功能较齐全 不仅可以检测电能质量指标 还能检测到功率谐波 暂 态电量等 国内对电能质量的研究较国外要晚一些 但随着用户对电能质量的要求不断提高 我国电力部门对此也重视了起来 1993 年国家技术监督局正式颁发了 电能质量公用 电网谐波 GB T 14549 1993 国家标准 自九十年代以来国家质量技术监督局陆续 颁布了电能质量系列标准 电能质量供电电压允许偏差 GB T12325 1990 电能 质量系统频率允许偏差 GB T15945 1995 电能质量电压波动和闪变 GB12326 2000 电能质量三相电压允许不平衡度 GB T15543 1995 和 电能质量暂时过电 压和瞬态过电压 GB T18481 2001 共六项国家标准 在电能质量监测装置方面 15 国内也取得了一定的成果 如北京航天华辉公司生产的电能质量分析仪就能实现功能 较为复杂的冲击电流滤波和暂态干扰滤波等 随着软硬件技术及网络技术的发展 电能质量监测技术也越来越成熟 主要体现 在 1 谐波分析中应用了加窗傅里叶变换 人工神经网络 暂态扰动信号的监测中应 用了小波变换技术 提高了监测的精度 2 采用 DSP 芯片作为 CPU 有利于展开复杂分析算法 提高监测实时性 3 电能质量监测装置中应用了虚拟仪器技术 4 远程监控技术应用到电能质量监测系统 使监控者能够方便 及时地处理所得 数据 控制运行设备 电能质量监测系统必然向着网络化 智能化和信息化的方向发展 1 3 主要研究主要研究内容及文章结构内容及文章结构 论文是基于 Linux 环境下嵌入式 Web 服务器在远程电能质量监控系统中的实现 所以主要完成以下的工作 1 根据要监测的电能质量指标设计硬件电路 本文以 S3C2410 微处理器为硬件平 台 设计此处理器的外围接口电路及数据采集电路 2 在 Linux 环境下建立嵌入式开发平台 3 设计嵌入式 Web 服务器 论文中采用的是 Boa 服务器 在完成 Boa 服务器在 Linux 下的移植后 利用 CGI 技术及 CGIC 编程设计实现此系统的动态页面 并通过 远程的 PC 机实现对电能质量的实时监测和控制 4 在 ARM Linux 环境下进行 MiniGUI 的移植和图形用户界面的开发 为了在液 晶屏上显示被控设备的信息并对现场设备进行方便有效地控制 论文中先创建 MiniGUI 的开发环境 包括 PC 主机和目标系统 然后在 MiniGUI 系统中进行图形用 户界面的设计与开发 论文结构 第一章 绪论 主要叙述课题研究背景及意义 国内外研究现状及发展趋势以及 论文的主要研究内容 第二章 电能质量指标及其检测方法 本章主要介绍电能质量的指标 以及电能 质量各项指标的检测原理与方法 第三章 系统硬件设计 此系统的硬件设计主要包括系统硬件的总体设计 S3C2410 微处理器相应电路及外围扩展电路的设计和数据采集部分电路的设计 第四章 系统层软件设计 介绍 Linux 操作系统及其软件平台的搭建 包括建立 交叉编译环境 BootLoader 和内核向开发板的移植 以及建立根文件系统 第五章 嵌入式 Web 服务器的设计与实现 首先进行了系统应用层软件的总体设 计 然后进行了 Boa 服务器在 Linux 下的移植 CGIC 的移植 并根据 Web 服务器和 CGI 技术设计了动态网页 实现对电能质量相关参数的远程查询和设备的远程控制 在这一章的最后部分 考虑到为了方便现场的操作和控制 又设计了图形用户界面 选用了适用于嵌入式系统的 MiniGUI 并进行了 MiniGUI 的移植和程序的设计 第六章 结论 对论文进行总结 2 电能质量指标及其电能质量指标及其检测方法检测方法 电能质量 Power Quality 从普遍意义上讲是指优质供电 包括电压质量 电流质 量 供电质量和用电质量 电能质量可以定义为 使得用电设备产生故障或异常工作 的电压 电流或频率的偏差 其内容包括频率偏差 电压偏差 电压波动与闪变 三 相不平衡 暂时或瞬态过电压 波形畸变 谐波 电压暂降 中断 暂升以及供电连 续性等 16 供电质量能否得到保证关系着国家的工农业生产和社会经济发展 至 2000 年底 我国结合了国内外的研究成果 并根据我国的实际情况制定了五个国家电能质量系列 标准 GB1232590 GB123262000 供电电压允许偏差 电压允许波动和闪变 GB T1454993 GB T1554395 公用电网谐波 三相电压允许不平衡度 GB T1594595 电力系统频率允许偏差 2 1 电能质量指标电能质量指标 2 1 1 频率偏差频率偏差 频率偏差一般是由发电机转速的变化导致的 它能够使电机转速产生偏差 使通 信设备的误码率上升 为了控制并减少频率偏差对电力系统的影响 GB T1594595 中规定 电力系统正常频率偏差允许值为 0 2Hz 当系统容电力系统频率允许偏差 量较小时 偏差值可以放宽到 0 5Hz 用户冲击负荷引起的系统频率变动一般要小于 等于 0 2Hz 根据系统的条件和冲击负荷的性质及大小也可以适当变动限值 但应保 证近区电力网 发电机组和用户的安全 稳定运行以及正常供电 2 1 2 电压偏差电压偏差 电压偏差是一项评价电能质量的重要指标 是由过负荷 无功过剩 电源电压偏 高等原因引起的 电压偏差引起的危害较多 设备运行的性能受到影响 降低了效率 减少设备寿命 使得电压不稳 甚至使电压崩溃 增加了有功损耗等多种损耗 GB1232590 中规定 35KV 及以上为正负偏差绝对值之和不超 供电电压允许偏差 过 10 10KV 及以下三相供电为 220V 单相供电为 7 7 10 在工业企业中 要减少电压偏差对电力系统的影响 通常可以采用如下措施 1 就地进行无功功率补偿 及时调整无功功率补偿量 无功负荷的变化在电网各 级系统中都能够产生电压偏差 它是产生电压偏差的源头 因此 就地进行无功功率 补偿 及时调整无功功率补偿量 可以从源头上解决问题 是最有效的措施 2 调整同步电动机的励磁电流 在铭牌规定值的范围内适当调整同步电动机的励 磁电流 使其超前或滞后运行 便能产生超前或滞后的无功功率 这样就可以改善网 络负荷的功率因数和调整电压偏差 3 采用有载调压变压器 由于从总体上考虑无功负荷只能补偿到功率因数为 0 90 0 95 仍然有一些需要电网供给的变化无功负荷会产生电压偏差 而采用有载调 压变压器就能够有效地解决这个问题 2 1 3 电压波动与闪变电压波动与闪变 电压闪变是人眼对灯闪的一种主观感觉 说明由于不同频率的电压波动导致的灯 闪敏感程度和闪变刺激性程度的电压波动值 17 GB123262000 对电压波动与闪变的规定 在公共供电 电压允许波动和闪变 点的电压波动允许值 10kV 及以下为 2 5 35 110kV 为 2 220kV 及以上为 1 6 当出现电压波动与闪变时将有可能导致伺服电机不能正常运行 计算机不能正常工作 电机出现反转 如果出现大的波动 则可能引起设备谐振 损害比较严重 为了能够 有效治理电压波动和电压闪变 需要降低由冲击性负荷引起的电网电压波动及闪变 这时宜采取的措施有 采用专线供电 当和其它负荷共享配电线路时 降低配电线路 的阻抗 如果存在功率较大的冲击性负荷 则与对电压波动和电压闪变敏感的负荷使 用不同的变压器供电 为大功率电弧炉的炉用变压器供电时要使用短路容量较大的电 网 2 1 4 三相不平衡三相不平衡 GB T1554395 中规定 三相供电电压允许不平衡度 三相电压允许不平衡度 正常允许 2 短时不超过 4 每个用户一般不得超过 1 3 三相不平衡可能会损坏 设备 引起装置的误动作 也会增加用户的用电量 为了尽量避免这些不良影响的产 生 可以采取以下措施 18 1 从公用变出线至进户电源侧的低压干线和分支线最好采用三相四线制 这样能 够减少迂回 避免交叉跨越 2 相线和零线应该按照一定顺序排列 3 统一规划配变下的单相负荷用电户 使其均衡地分配到低压线路的三相上 4 调整 使得低压电网实际运行的三相负载在平衡度范围之内 2 1 5 谐波谐波 波形畸变是由电力系统中的非线性设备引起的 使得流过非线性设备的电流和加 在其上的电压不成比例关系 任何一个波形畸变的周期性非正弦波电压 电流 对其 进行傅里叶级数分解 除了得到与基波频率相同的分量外 还得到一系列基波频率整 数倍的分量 这部分分量称为谐波 谐波含有率 HR 及总谐波畸变率 THR 常被用来反映谐波的含量情况 它们是反映 电能质量的重要指标 次谐波电压和电流的含有率可分别表示为 h 2 1 100 h h h U HRU I 2 2 1 100 h h I HRI I 电压和电流的总谐波畸变率可分别表示为 2 3 2 2 1 100 M h h U U THD U 2 4 2 2 1 100 M h h I I THD I GB T1454993 中规定的各级电网谐波的电压限值见表 2 1 公用电网谐波 表 2 1 各级电网谐波电压限值 电压 kV THD奇次偶次 0 3854 02 0 6 1043 21 6 35 6632 41 2 110 22021 60 8 谐波的产生主要是由于非线性负荷和固态开关负荷的加入 谐波产生的主要危害 有 导致电气设备发热 增加损耗 产生电网谐振 使得自动装置和继电保护产生误 动作 仪表计量结果不准确 除此之外 还会在一定程度上干扰附近的通信系统等 为了控制并减小这些危害 可以采取以下措施 19 1 改善装置的功率因数 进行无功功率补偿 2 合理使用有源和无源滤波 3 尽量避免发生或注入谐波电流 4 消除电磁干扰 5 采用多种功能补偿 2 2 电能质量电能质量检测方法检测方法 2 2 1 频率偏频率偏差差 频率偏差检测的常用方法有 周期法 解析法 傅里叶变换算法等 其中 傅里 叶算法又主要包括连续和离散傅里叶算法 快速傅里叶算法 加窗傅里叶算法等 20 1 傅里叶变换 正变换 2 5 2 j t Xx t edtx tdt 逆变换 2 6 1 2 j t x tXed 其中 为任意连续信号 x t 2 快速傅里叶变换 快速傅里叶算法的基本思想是利用式 2 7 1 0 0 1 1 N nk N n X kx n WkN 中的周期性 对称性和可约性 合并重复出现的运算来减少运算量 nk N W 3 加窗傅里叶变换 设为任意连续信号 如果满足 则加窗傅 x t 2 x tdt 2 g tdt 里叶正变换为 2 8 j t g xx t g tedt 如果能继续满足时 或时 则加窗 g t 12 ttt 0g t 1 tt 2 tt 0g t 傅里叶逆变换为 2 9 11 2 j t g x tXed g t 幅值法和相位差法是用傅里叶变换算法检测频率偏差的方法 这两种检测方法的 原理是 21 1 幅值法是先进行被测信号的采样和数字化 然后进行傅里叶变换 根据结果计 算信号的幅频特性 2 10 xs fMfN 式中 是被测信号频率 是信号频谱幅值最大点的位置 是信号采样速率 x fM s f 是傅里叶变换长度 N 此方法的优点是硬件简单 软件灵活 抗干扰能力较强 缺点是如果干扰信号比 被测信号大 则检测不出被测信号 2 相位差法 设是输入信号 对其进行傅里叶变换 求得基波分量相位变化 x t 其中 和分别是基波分量的实部和虚部 1 arctan R XX 1 X R X 首先求出和 又 得 1 2 21 2ft 2 11 2121 2 2 ftN t 其中 是采样间隔 是基准频率 是每周期采样次数 t b fN 即可利用公式计算出频率 b fff 此方法的优点是抗干扰能力强 检测精度高 容易实现 缺点是实时性较差 2 2 2 电压偏电压偏差差 在电压偏差检测中 平均值法和真有效值法是比较常用的两种检测算法 1 平均值法是利用平均值 AC DC 转换器得到电压或电流 然后根据正弦波有效 值与平均值之间的确定关系 得出被测信号的有效值 由于不同波形的有效值 RMS X 22 与平均值之间的关系可能是不同的 所以对于工程中大多数不标准的被测信号来说 用平均值法则存在着显著的误差 2 真有效值法是根据有效值的定义来检测的 其定义为 2 12 1 1 N TRMS k Xx k N 其中 N 是一个周期的采样数 是采样序列中第 k 个采样值 x k 一般还要满足 LU 原理以保证检测精度 即 2 13 s s nTT T N T 其中 是预置的采样数 n 是 A D 转换一次软 硬件操作的时间 s T 是取整符号 是实际采样总次数 N 2 2 3 电压电压波动和闪变波动和闪变 电压波动和闪变的监测方法有经典方法和现代方法 经典方法中有平方解调法 有效值法 半波有效值法和全波有效值法等 现代方法中有小波变换法 希尔伯特变 换法 傅里叶变换法和神经网络法等 23 1 小波变换 为了分离出调制信号 要进行的第一步是对信号进行预处理 即让信号与其载波 的单位幅值同步信号相乘得到一个新信号 然后对新的信号进行小波变换 就能很方 便的得到调制信号 另外 为了防止闪变信号受到基波的干扰 将同步电压与采样 24 信号相乘即可 图 2 1 和图 2 2 分别为小波变换检测电压波动和小波变换检测电压闪变 的原理图 乘 法 器 PLLcos 小波变 换运算 幅值 频率 采样 x t r u t 图 2 1 小波变换法检测电压波动的原理图 平方采样 PLL cos u t S t x t 乘 法 器 小波 变换 运算 平滑 加权 滤波 统 计 处 理 闪变 评价 r u t 图 2 2 小波变换法检测电压闪变的原理图 小波变换检测电压变动的步骤是 25 1 对电压同步跟踪检波 得到同步电压 u t r ut 2 将电压信号与同步电压相乘 取样 获得相乘积信号序列 u t r ut x n 3 利用连续小波变换 多分辨率分解及小波包处理信号序列 x n 4 再次利用小波变换 将调制信号的更多子频带信号从包络信号序列中分解出来 也可以使用傅里叶变换来测量包络信号序列各频率点的幅值 2 傅里叶变换 由于电压波动实际上是幅值时变正弦波 所以可以采用傅里叶变换方法进行电压 波动检测 采用傅里叶变换检测电压波动需要对电压信号的平方进行傅里叶变换 而 且还需要注意低频信号的提取 应该采取措施保证提取的低频信号在内 0 05 50 Hz 以提取尽量多的离散傅里叶变换值 26 2 2 4 三相不平衡三相不平衡 三相不平衡的计算方法主要有对称分量法 三相电量法和负荷容量法 其中 对 称分量法是计算三相不平衡度的基本方法 对称分量法检测三相不平衡度的基本原 27 理是 任一三相电压都可以分解为正序 逆序和零序三种三相对称电压 而三相不对称 电压可以分解为正序 逆序和零序三种三相对称电压的线性组合 对称分量法就是利 用线性叠加原理把三组不对称分量分解成三组对称序分量 正序 逆序 零序 再根 据三相对称电路的特点进行三相不对称电路的计算 28 此处设和为三相电压和三相电流 T tabc UUUU T tabc IIII 和为 a 相电压对称序分量和电流对称序分量 120 T saaa UUUU 120 T saaa IIII 则有如下关系 2 14 1 st UT U 1 st IT I 其中 2 15 00 00 120240 1240120 1 1 1 3 111 jj jj ee Tee 要利用对称分量法检测三相不平衡度 第一步要检测出三相电压和三相电流的有 效值及相位差 如果存在比较严重的波形畸变 就要先检测出基波分量 然后 利用 式 2 14 和 2 15 计算出各个分量 有效值检测可以使用有效值法等等 基波检测的方 法主要有相位法和相位差法 相位和相位差的检测方法有很多 锁相环法和傅里叶变换法是常用的两种方法 1 锁相环法 锁相环的基本原理图如图 2 3 所示 29 低通滤波器 低通滤波器 乘法器 乘法器 S t R t X t Y t 图 2 3 锁相环的基本原理图 由原理图可以看出 锁相环其实是一个相位误差控制系统 它是由乘法器和低通 滤波器构成的 乘法器主要是用于调制信号 低通滤波器是用于减少噪声干扰 为输入信号 为参考信号 输出电压 所以 可以 S t R t cosX tA sinYA 求得 信号幅值 2 22 1 2 AXY 16 信号相位差 2 1 tan YX 17 用软件法实现锁相环的框图如图 2 4 所示 信号1 信号2 信号调制滤波器参数计算信号参数获取 图 2 4 软件法实现锁相环的框图 使用信号调制是为了得到信号 2 的频率和初相位 使用滤波器参数计算是为了计 算滤波器的参数 使用信号参数获取是为了得到信号 1 的频率 幅值和信号 1 与信号 2 的相位差 2 傅里叶变换法 用傅里叶变换法求出两个输入信号的实部 虚部 进行相位的计算 两者之差即 相位差 使用此方法时 要使信号频率和采用频率同步 为了实现 通常要使用数字 式锁相器 频率同步数字锁相的原理图如图 2 5 所示 30 低通滤波器环路滤波器压控振荡器 可编程分频器 数字式相位比较器 同步频 率输出 图 2 5 同步数字锁相的原理图 2 2 5 谐波谐波 对谐波的检测方法主要有傅里叶变换法 小波变换法及日趋成熟的人工智能检测 方法 1 离散傅里叶变换法 离散傅里叶变换法是如今检测谐波和间谐波的最常用的方法之一 利用离散傅里 叶变换法检测谐波 间谐波的原理图如图 2 6 所示 A D 转换器DFT或FFT运算谐波幅值和相位计算 k C k X t x n em RX kIX k 图 2 6 离散傅里叶变换法检测谐波 间谐波原理图 利用离散傅里叶变换法检测谐波和间谐波会存在一些问题 如混叠现象 栅栏 效应 泄漏现象等 要得到比较精确的检测结果就必须解决这些问题 解决混叠现象 可以提高采样的频率 并使用高通滤波器对信号进行预处理 要解决 栅栏 效应可 以让抽样点更加接近实际点或者增加抽样的点数 要解决泄漏现象可以使用加窗的方 法 如果要让结果更加精确 还可以采用插值法来修正离散傅里叶变换所得的结果 31 2 小波变换法 小波变换法采用的是尺度不同的分析方法 在信号的不同部位得到最好的时域和 频域分辨率 为解决非平稳信号的分析提供了一种新的方法 小波空间的分解应用于 信号处理领域能够实现信号在各频带上的分离 因此 在电网检测信号的分析中应用 小波变换技术 可以将谐波 间谐波分量有效地分离 32 使用小波变换检测谐波和间谐波的原理图如图 2 7 所示 A D转换器小波变换算法运算 谐波 间谐波幅值 有效值及频率的计算 x t x n n W a b W k j max X f X 图 2 7 小波变换法检测谐波与间谐波的原理图 图中 是检测到的谐波或间谐波的幅值 是检测到的谐波或间谐波的有效 max XX 值 是检测到的谐波或间谐波的频率 f 使用小波变换法检测谐波和间谐波的步骤为 33 1 进行母小波选择或构建 或构建正交小波滤波器 2 求出或 为尺度 为分解级数 aNaN 3 利用小波变换算法进行运算 得到第级小波分解的各部分信号 j 4 计算出频率 并对小波变换进行幅值和有效值计算 该频率段的信号幅值即为 小波变换的模的最大值 该频率段信号的频率即为该频率段的中心频率 本章小结本章小结 本章首先介绍了电能质量的五大指标 及其对这五大指标的规定和改善这些指标 的措施 然后介绍了五大指标的检测方法 硕士论文 嵌入式 Web 服务器在远程电能质量监控系统中的实现 3 系统硬件设计系统硬件设计 硬件的设计是计算机系统设计的基础部分 此章主要是进行嵌入式电能质量监控 系统的硬件设计 本系统的硬件设计包括两部分 以 S3C2410 微处理器为核心的外围 接口电路的设计和针对系统功能的数据采集电路的设计 3 1 系统硬件总体结构设计系统硬件总体结构设计 系统中的硬件主要包括 S3C2410 系统存储模块 人机交互模块 数据采集模块 和通信模块 系统的硬件结构框图如图 3 1 所示 电源 NAND Flash 显示屏 SDRAM 信 号 调 理 电 路 三相电流 键盘 嵌入式微处理器 S3C2410 JTAG 网络 芯片 三相电压 多 路 数 据 同 步 采 集 A D 转 换 锁相 环电 路 RS232 电压互感器 电流互感器 互联网 图3 1 硬件结构框图 3 2 系统各部分电路的设计系统各部分电路的设计 3 2 1 ARM9 系列处理器简介系列处理器简介 34 35 ARM 微处理器目前包括 ARM7 ARM9 ARM9E ARM10E SecurCore Inter 的 Xscale 和 Inter 的 StrongARM 系列等几大系列 另外 还有一些是某些厂商基于 ARM 体系结构生产的处理器 这些 ARM 处理器除了具有 ARM 的共同特点外 还有 它们不同的特点和针对这些不同特点的不同应用领域 其中 对于有较高安全性要求的场合 可以使用 SecurCore 系列 而通用处理器系 列包括 ARM7 ARM9 ARM9E 和 ARM10E 又由于这四个系列各自具有特殊的性能 因而有不同的特殊应用领域 在高性能和低功耗特性等方面 ARM9 系列的微处理器具有明显的优势 这一系 3 系统硬件设计 硕士论文 列的特点主要有 支持 32 位 ARM 指令集和 16 位 Thumb 指令集 5 级整数流水线 指令执行效率更高 MPU 支持实时操作系统 全性能的 MMU 支持多种嵌入式操作系统 支持 32 位高速 AMBA 总线接口 支持数据 Cache 和指令 Cache 具有更高的指令和数据处理能力 ARM9 系列微处理器包含 ARM920T ARM922T 和 ARM940T 三种类型 S3C2410 采用的是 ARM920T 内核 3 2 2 S3C2410 芯片简介芯片简介 36 S3C2410 是一种 16 32 位的 RISC 处理器 它是由韩国 Samsung 公司生产的 主频 可以高达 203MHz 并能支持 WinCE Linux VxWorks 和 uC OS II 等操作系统 S3C2410 具有独立的 16KB 指令 cache 和 16KB 数据 cache 及 MMU 虚拟内存管理单元 从而能够进行高效的程序运行以及数据存储 S3C2410 的最大特点是功耗较低 并且 具有全静态设计 此外 S3C2410 还集成了以下片上外设 1 LCD 控制器 支持 STN 和 TFT 2 外部存储控制器 3 3 通道 UART 2 通道 SPI 4 4 通道 DMA 5 4 通道具有 PWM 功能的定时器和 1 通道内部定时器 6 117 个通用 I O 口 7 USB 主机 USB 设备 8 1 8V 2 0V 内核供电 3 3V 存储器供电 3 3V 外部 I O 供电 9 独立的 16KB 指令 cache 和 16KB 数据 cache 10 24 通道外部中断源 11 具有 PLL 片上时钟发生器 12 看门狗定时器 13 具有普通 慢速 空闲和掉电四种功耗控制模块 图 3 2 是 S3C2410 的结构图 图 3 2 S3C2410 结构图 3 2 3 外围电路设计外围电路设计 从图 3 1 看出 本设计的外围电路主要有电源电路 存储器及接口电路 通信模 块电路和人机交互接口电路 3 2 3 1 电源电路 在 ARM 中 需要的直流电压只有 5V 3 3V 和 1 8V 5V 直流电压为 ARM 供电 1 8V 直流电压为内核供电 其余的外围电路由 3 3V 直流电压供电 本文选用 DC DC 变换器将 5V 直流电压降为 3 3V 和 1 8V 直流电压 采用的电压变换芯片的型号为 LM1117 3 3 和 LM1117 1 8 LM1117是低压差电压调节器系列 其压差在 1 2V 输出 负载电流在 800mA 时 37 为 1 2V LM1117 有可调电压的版本 通过 2 个外部电阻可实现 1 25 13 8V 输出电压 范围 另外还有 5 个固定电压输出 1 8V 2 5V 2 85V 3 3V 和 5V 的型号 LM1117 提供电流限制和热保护 电路包含 1 个齐纳调节的带隙参考电压以确保输出电 压的精度在 1 以内 LM1117 系列具有 LLP SOT 223 和 TO 252 D PAK 等多种封装 3 系统硬件设计 硕士论文 输出端需要一个至少 10uF 的钽电容来改善瞬态响应和稳定性 LM1117 有如下特性 1 提供 1 8V 2 5V 2 85V 3 3V 5V 和可调电压的型号 2 节省空间的 SOT 223 和 LLP 封装 3 电流限制和热保护功能 4 输出电流可达 800mA 5 线性调整率 0 2 Max 负载调整率 0 4 Max 其主要应用有 1 开关 DC DC 转换器的主调压器 2 高效线性调整器 3 电池充电器 4 电池供电装置 图 3 3 为系统的电源电路 VinVout NC GND 3 4 1 2 LM1117DT 3 3 C3 C2C1 0 1uF C4 VinVout NC GND 3 4 1 2 LM1117DT 1 8 C8 C7 C6C9 C5 VDD50 10uF 10uF 0 1uF 220uF 16V0 1uF10uF10uF0 1uF VDD33V VDD18V U1 U2 图 3 3 系统电源电路 3 2 3 2 存储器及接口电路 由 S3C2410 的存储控制器提供的外部存储器存取的控制信号的特征有 支持大 38 小端模式存储字数据 寻址能够达到 1GB 8 个存储器 bank 的大小均为 128M 字节 可以通过 nGCS 7 0 8 个通用片选线信号进行 8 个 bank 区的选择 且每个 bank 区都具 有可编程的操作周期 bank0 到 bank5 是用于 ROM 或 SRAM 的 它们的开始地址是固 定的 bank6 和 bank7 是用于 ROM SRAM 或 SDRAM 的 其中 bank6 的地址是固 定的 bank6 的结束地址即 bank7 的开始地址 而且它们的起始地址和大小可以通过 编程设置 各个内存块的访问周期也都可以通过编程来设置 外部 Wait 扩展了访问周 期 此外 还支持 SDRAM 的自动刷新和电源关模式等 SDRAM 同步动态存储器 的存储速度较快 具有读 写功能 本系统中 SDRAM 的主要作用是作为程序的运行空间和堆栈区 除此之外 也存放了系统和用 户堆栈及运行的数据 本系统为了提高访问速度 采用了 2 片 HYNIX 公司生产的 HY57V561620 芯片形成 64MB 存储空间 HY57V561620为 32M 存储容量 16 位数据宽度的芯片 其工作电压是 3 3V 39 支持自动刷新和自刷新 并兼容 LVTTL 接口 这种芯片的常见封装是 54 脚 TSOP 表 3 1 列出了 HY57V561620 引脚的描述 表 3 1 HY57V561620 引脚描述 引脚名称描述 CLK时钟芯片时钟输入 CKE时钟使能片内时钟信号控制 CS片选 禁止或使能 CLK CKE 和 DQM 外的所以输入信号 BA0 BA1组地址选择用于片内 4 个组的选择 A12 A0地址总线 行地址 A12 A0 列地址 A8 A0 自动预充电标志 A10 RAS CAS WE 行地址锁存 列地址锁存 写时能 行 列地址锁存和写使能信号引脚 LDQM UDQM数据 I O 屏蔽 在读模式下控制输出缓冲 在写模 式下屏蔽输入数据 DQ15 DQ0数据总线数据输入输出引脚 VDD VSS电源 地内部电路及输入缓冲电源 地 VDDQ VSSQ电源 地输出缓冲电源 地 NC未连接未连接 S3C2410 中关于 SDRAM 的控制信号的引脚可以与 HY57V561620 芯片直接相连 这些信号包括 nSRAS nSCAS DQM 3 0 SCKE SCLK 1 0 和 nWE 实现片选功 能的是 nGCS6 而且要将地址线的 ADDR 1 0 设为低电平 HY57V561620 芯片的 BA0 和 BA1 是 bank 地址的输入信号 由 S3C2410 的 ADDR24 和 ADDR25 完成 SCKE 是 时钟使能信号 与 CKE 相连 S3C2410 的 nWE 与 HY57V561620 的 nWE 相连 S3C2410 的 nSRAS 和 nSCAS 分别与 HY57V561620 的 nRAS 和 nCAS 相连 另外 屏 蔽输入 输出功能由 DQM 完成 S3C2410 的数据总线与 2 片 HY57V561620 的数据线分 别相连 S3C2410 与 SDRAM 的电路图如图 3 4 所示 3 系统硬件设计 硕士论文 A0 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9 A10 A11 A12 BA0 BA1 nCS CLK CKE nWE nCAS LDQM nRAS UDQM D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 D9 D10 D11 D12 D13 D14 D15 VDD VDD VDDQ VDDQ VSS VSS HY57V561620 LA2 LA3 LA4 LA5 LA6 LA7 LA8 LA9 LA10 LA11 LA12 LA13 LA14 LA24 LA25 nSCS0 nSCLK0 nSCKE LnWE nSCAS nSRAS LnWBE0 LnWBE1 LDATA0 LDATA1 LDATA2 LDATA3 LDATA4 LDATA5 LDATA6 LDATA7 LDATA8 LDATA9 LDATA10 LDATA11 LDATA12 LDATA13 LDATA14 LDATA15 VDD VDD VDDQ VDDQ VSSQ VSS VSS A0 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9 A10 A11 A12 BA0 BA1 nCS CLK CKE nWE nCAS LDQM nRAS UDQM D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 D9 D10 D11 D12 D13 D14 D15 VDD VDD VDDQ VDDQ VSS VSS HY57V561620 LA2 LA3 LA4 LA5 LA6 LA7 LA8 LA9 LA10 LA11 LA12 LA13 LA14 LA24 LA25 nSCS0 nSCLK1 nSCKE LnWE nSCAS nSRAS LnWBE2 LnWBE3 LDATA16 LDATA17 LDATA18 LDATA19 LDATA20 LDATA21 LDATA22 LDATA23 LDATA24 LDATA25 LDATA26 LDATA27 LDATA28 LDATA29 LDATA30 LDATA31 VDD VDD VDDQ VDDQ VSSQ VSS VSS LA2 25 nSCS0 nSCLK1 LnWE nSRAS LnWBE0 nSCKE nSCLK0 nSCAS LnWBE1 LnWBE2 LnWBE3 LDATA0 31 3 3V3 3V U17U18 图 3 4 SDRAM 的接口电路 Flash 存储器具有可在系统 In system 进行电擦写 掉电后信息不丢失的特点 它 的功耗低 容量大 擦写速度快 并能够整片或分扇区在系统编程 烧写 擦除 在对 芯片进行操作时 还可由内部嵌入的算法来实现 因而能够广泛应用于各种嵌入式系 统中 Flash 存储器用来保存程序代码 常量表以及一些在系统掉电后需要保护的用户 数据 鉴于 NOR Flash 和 NAND Flash 在接口 性能及容量和成本等多方面的比较 40 认为 NAND Flash 更适合于此系统 所以选用 NAND Flash 中的 K9F1208UDM 芯片作 为存储器 用来存放包括内核 根文件系统和 BootLoader 在内的整个系统程序 K9F1208UDM芯片是由 Samsung 公司生产的一种 64M 存储容量 8 位数据总线 41 的 NAND Flash 仅需 3 3V 电压便能完成工作 表 3 2 为 K9F1208UDM 芯片引脚功能 表 3 2 K9F1208UDM 芯片的引脚功能 名称功能 I O 7 0 数据输入输出 控制命令和地址的输入 CLE命令锁存信号 CE芯片使能信号 RE读有效信号 WE写有效信号 WP写保护信号 R nB就绪 忙 VCC电源 VSS接地 K9F1208UDM 芯片的 I O 除了可以接收和发送数据外 还可接收控制命令和地址 信息 若 RE 或 WE 有效 锁存的是数据 若 CLE 有效 锁存的是控制命令字 若 ALE 有效 锁存的是地址 K9F1208UDM 芯片的一口多用的特点 减少了接线数目 但造成了控制复杂 而 S3C2410 处理器具有的 Nand 控制器解决了这个问题 42 图 3 5 为 K9F1208UDM 和 S3C2410 的接口电路 CLE 16 ALE 17 CE 9 RE 8 WE 18 WP 1