基于S3C2410供电测控系统的设计.doc

基于S3C2410供电测控系统的设计摘 要：随着学生公寓安全、管理问题的出现，集体宿舍安装使用供电测控系统势在必行。本文详细介绍了基于S3C2410供电测控系统的工作原理、硬件的设计以及软件的结构与功能。该系统用于实现负载识别、实时监控、电量配额和电费计量。系统已在实践中得到应用，达到了设计标准。关键词：测控系统；负载识别；FFT（快速傅立叶变换）；数据采集Design of supplied power for measurement and control system based on S3C2410Abstract: With the emergence of students flat safety and administrative problems, it is high time to apply the supplied power for measurement and control system in collective dormitory. The paper introduces the operation principle of this system, the design of hardware , the structure and function of software in detail. We can accomplish the load identification, the control of real-time , the electricity ration and the measurement of charge through the system, The system has been applied in practice. Moreover, the accuracy of the parameters is improved significantlyKey word: Measurement and control system; Load identification ; FFT; Data collection 引言 近年来学生公寓安全、管理问题的频繁出现，不仅对学生和学校造成极大的危害，而且对社会也造成了极坏的影响，这引起了相关部门和社会的高度重视，因此学生公寓用电安全必须做到万无一失；随着公寓用电逐步商业化，一刀切的送配电制度也渐渐显出其自身的不合理性，所以公寓配电应该做到科学化；市场上用电管理系统由于价格比较昂贵或者体积大等原因，限制了其在学生公寓的广泛使用。因此大学生公寓急需安装一套合理的供电测控系统，在保证绝对安全的前提下满足配电、价格和体积的相应要求。该系统基于快速傅立叶变换的负载识别方法来保障公寓供电安全，采用“量体裁衣”的配电制度，选取芯片S3C2410为控制核心满足某些特殊场合对测控系统体积和功耗的要求1，同时上下位机间利用局域网通讯实现了远端实时控制。基于S3C2410的供电测控系统集供电、配电与控电于一体，具有较高的经济价值和社会意义，应用前景广泛。1 系统原理1.1 负载识别原理利用采集到的常见负载类型电压-电流数据，通过Matlab7.0软件仿真，得到时域u、i波形和频域频谱图。经过分析可得下表：表 1负载类型1次谐波3次谐波高次谐波U1I1U3I3备注阻性(恶性)负载有无无00感性负载有有无1.041.04I感1/I感3=5.53仪器仪表类负载有有有0-2.4I仪1=1.576I仪3+2.636混合性负载同类负载相加，符合线性加法规律；异类负载相加，符合矢量加法规律。注：类阻性(恶性)负载包括：热得快、电热杯、电饭锅、电磁炉、电炉子、电热毯、白炽灯等。 感性负载包括：日光灯、充电器、日光台灯、电子台历等。 仪器仪表类负载包括：电视机、电脑等一般都由开关电源组成用电器。首先通过FFT得到电压的1次谐波相位角U1，电流的1次谐波相位角I1和幅值U1、I1以及3次谐波幅值U3、I3。然后对以上数据分析处理得到电压和电流的1次谐波相位差U1-I1，进而得到1次电流谐波幅值的无功分量I1sinU1-I1(感性负载产生的)。由I感1/ I感3=5.53和I感1 + I感3 = I1sinU1I1可算出：I感1=5.53 I1sinU1-I1/6.53、I感1有功=5.53 I1sinU1I1sin1.04/6.53、I感3=I1sinU1I1/6.53。然后又可算出：I仪3 = I3I感3 = I3I1sinU1I1/6.53，I仪1=1.576(I3I1sinU1I1/6.53)+2.636。最后可得出由类阻性负载产生的1次电流谐波幅值及其功率：I阻1 = I1I感1I仪1，P阻=220I阻由此功率值依据最大负载有功功率限制值，达到负载识别的目的。1.2 电费计量原理实际采集的电压信号u和电流信号i不一定是正弦周期函数，经傅立叶级数展开，由瞬时功率和平均功率的概念可得：，；瞬时功率：； 平均功率：，其中为n次谐波电压电流相位差。对于某些负载，虽然电流信号存在3次以上的谐波分量，但电压信号只有1, 3次谐波分量，高于3次的电压谐波分量可以忽略不计。因此根据采样得到的电压和电流的1、3次谐波的幅值及其相位差，在恶性负载识别同时即可计算出有功功率，从而达到电费计量。2 系统硬件设计本系统考虑芯片的性能、功耗、专业水平等多方面的因素，选用ARM920T的S3C2410作为控制模块的核心2。S3C2410具有多种接口方式与外界进行通讯，USB，SPI，RJ45等。处理器附带两片DRAM(动态随机存储器)，一片Flash memory。该芯片具有较高的处理速度，内部集成了转换速率可达500kbps的8路10位ADC，最高可在200MHz的系统时钟下运行的内部锁相环，完全满足本系统的需要。还具有4个16位PWM控制器，拥有良好的人机界面，带有液晶显示器。图1 系统结构框图、局域或公共网公寓用电单元核心控制模块(S3C2410+Linux)数据采集模块控制子模块远程服务器(PC)RJ45RJ45、LCD以太网接口ADC接口LCD接口PWM控制器局域网控制器存储器和基于S3C2410的供电测控系统由远程服务器、核心控制模块、数据采集模块和控制子系统模块组成。整体结构如图1所示。2.1 模块设计本系统以PC机作为远程服务器，服务器可以通过局域网控制器与核心控制模块建立通讯。局域网控制器选用CIRRUS公司的CS8900A，它是一个真正的单芯片、全双工局域网解决方案。本设计为了在降低成本的基础上提高访问速度，把CS8900A的电路设计为I/O，Memory兼容的连接方式。核心控制模块由S3C2410及其附属芯片组成，与数据采集模块和控制子系统模块以配电柜的形式统一安装在每栋公寓的配电室内。每个核心控制模块控制45路数据采集模块和控制子系统模块，即控制45个宿舍单元，一台远程服务器控制所有的核心控制模块。数据采集模块由400:1的电压和电流互感器、多路选择器以及调理电路组成，采样时每16路为一组，每组采取1路电压信号和15路电流信号。由于S3C2410的ADC接口输入电压是0 到3.3V，因此采集的信号需经调理电路抬高到0V以上。数据采集部分电路如图2所示。控制子模块包括多路选择器和继电器，控制信号由PWM控制器以脉冲形式发出。核心控制模块控制多路选择器关断哪一用电单元，打开指令则由远程服务器发出。控制继电器电路图3所示。图2 数据采集部分电路 图3 控制继电器电路2.2 工作流程通过数据采集模块从公寓用电单元采取对应房间的电压和电流信号，电流信号被转换为电压信号，经过信号调理之后通过S3C2410的ADC接口送到核心控制模块。S3C2410在接到数据后首先进行存储，然后通过FFT进行用户负载识别，其同时计算相应用户的用电功率。负载识别过程中一旦发现用户使用违章电器，及时对该单元采取措施。核心控制模块选择与之对应的通道，由PWM控制器发出脉冲控制信号，通过关断继电器予以断电，并把违章信息打包上报给远程服务器。在违章记录、相应处理之后远程服务器通过局域网给核心控制模块发送指令，再对这一单元送电。核心控制模块计算并存储各用电单元的用电量，定期上传给远程服务器，远程服务器也可以随时提取这些数据。当用电单元使用完配额电量时，同样对该用电单元断电，只有等上交电费之后，才能由远程服务器发出指令再行送电。电量数据存储在附带存储器内，液晶显示器用来滚屏显示相应用电单元的用电量和所剩电量。3 软件模块的设计ARM9系列处理器支持32位ARM指令集和16位Thumb指令集，MMU支持Window CE、Palm OS、Linux等，MPU支持实时操作系统，包括 Vxworks、C Linux及Linux等3。该系统选用Linux操作系统管理硬件资源。采用自制嵌入式Linux操作系统，它是在Linux-2.6.12内核基础上，经过适当的内核优化、系统裁剪，根据系统的软硬件环境而量身定做的2。系统软件的主要模块包括：数据采集模块、数据处理模块、网络通讯模块和设备驱动模块。测控系统主程序流程如图4所示。1. 数据采集模块考虑到系统的安全问题，其实时性尤为重要，数据采集也需要实时的。首先设置A/D采样的时钟频率，由公式PRSCVL=PCLK/freq1算得。该系统采样频率为6400Hz，每周期采取128个样本。测控系统启动后，首先接受与数据采集设备建立连接的命令，同时开启数据采集模块，主要利用串口建立数据采集模块相应连接。该模块包括串口初始化、串口读写和串口关闭。2. 数据处理模块当测控系统接受到数据采集设备传送来的数据之后，首先会将其存储在flash ROM和DRAM中，然后将接收的数据进行FFT，来完成负载识别和功率计算。最后把分析结果打包，再次存储，等待接受远程服务器的上传数据命令。3. 网络通讯模块该模块负责接受远程服务器的开关用电单元以及上交电费的命令，并且向上位机发送采集数据的分析结果。为了使网络管理方便，数据采集设备的通讯线程采用TCP/IP协议。该模块流程如图5所示。4. 设备驱动模块设备驱动程序是操作系统内核及硬件之间的接口，该模块为应用程序屏蔽了硬件细节4。在Linux操作系统中，硬件设备被认为是一种设备文件，应用程序可以像操作普通文件一样操作硬件设备。设备驱动程序是内核的一部分，用来对设备初始化和释放；把数据从内核传送到硬件和从硬件读取数据；读取应用程序传送给设备文件的数据和回送应用程序请求的数据；检测和处理设备出现的错误。设备驱动程序包括存储器驱动、I/O驱动、网络驱动和LCD驱动。初始化(TCP/IP)端口将服务器所需数据打包接受数据命令打开继电器送电交费或记录违章信息送电命令发送数据到远程服务器无有有服务器命令?系统初始化flag=1?功率计算结束跳闸FFT转换A/D转换恶性负载?count =count+1保存结果count=10?count=0,flag=1flag=0YNYNYN图4 程序流程图图5网络通讯流程图4 结束语 基于S3C2410供电测控系统的设计，利用了ARM9 32位微处理器，移植的Linux操作系统，具有良好的人机交互界面，增强了整个系统的实时性和可靠性，操作简捷；同时可以利用局域网或公共网络进行远程监测、控制和数据传输。目前该系统已经在石家庄铁道学院连