0 引言

隨著社會經(jīng)濟和科學技術的飛速發(fā)展，電力機車、地鐵和電動汽車等將得到廣泛的應用。這些用電設備的電能變換與控制系統(tǒng)均采用雙向變流設備來實現(xiàn)節(jié)能運行。因此，電力參數(shù)檢測裝置對能量的雙向計量問題越來越受到人們的關注，并已成為電能檢測與計量技術發(fā)展的重要方向之一。

傳統(tǒng)的電力參數(shù)檢測裝置一般都是基于單片機或DSP設計的，前者受運算速度和處理數(shù)據(jù)能力的限制，越來越難以滿足目前電力參數(shù)檢測裝置的需要；而后者的輸出控制能力又較差。為此，本文介紹了一種以ARM920T為核心并嵌入Linux操作系統(tǒng)的電力參數(shù)檢測裝置。

1系統(tǒng)硬件設計 電力參數(shù)檢測裝置的硬件部分采用嵌入式Linux操作系統(tǒng)和ARM結合的開發(fā)平臺，不僅具有較強的數(shù)字信號處理能力，而且系統(tǒng)可靠性和實時性也較高，圖1所示是其硬件結構框圖。

1.1核心微處理器

本系統(tǒng)采用深圳優(yōu)龍公司的ST2410為核心開發(fā)板，該板是一款基于ARM920T內核的16／32位RISC嵌入式微處理器．該處理器的工作頻率高達203 MHz。

該系統(tǒng)充分利用ST2410豐富的外設接口go簡化了外圍接口電路的設計。通過UART或USB接口都可實現(xiàn)宿主機與目標機的通信，ST2410集成有一個含有采樣和保持功能的10位ADC模塊，其最大轉換速率為500 ksps，而且采樣通道數(shù)和通道的采樣順序可以通過編程來決定。該模塊還具有16位模數(shù)轉換結果寄存器，模數(shù)轉換的啟動和停止方式非常靈活，并可以通過軟件設置來啟動模數(shù)轉換功能，也可以通過查詢或中斷方式來判斷其自帶的8通道10位A／D轉換器是否可對外部的模擬信號進行采樣。另外，ST2410上還自帶117個GPIO口，通過這些接口可以進行LED和按鍵的擴展。

此外，還嵌入了功能強大的Linux操作系統(tǒng)。由于Linux是自由軟件，因此，用戶可以自行編譯內核，修改和擴充操作系統(tǒng)。最重要的是Linux是全面的多任務和真正的32位操作系統(tǒng)，其內核十分穩(wěn)定、小巧靈活、易于剪裁，這些都為系統(tǒng)的高效穩(wěn)定運行提供了基礎。

1.2信號采集單元的設計

信號采集單元的作用是采集交流電壓與電流信號，它將采集的信號調理成0～3.3 V后送到處理器進行處理，以滿足A／D輸入要求。

(1)傳感器的選擇

本設計選用的LTS25-NP多極電流傳感器和IN28-P電壓傳感器具有反應時間快、共模抑制比強、低溫漂與頻帶寬、抗外界干擾能力強、精度高、線形度好等優(yōu)點。

(2)前置放大

由于差動放大器的輸入阻抗很高，對信號源索取的電流很小，可以提高共模抑制能力和測量精度。因此，前置放大器一般采用差動輸入法對信號進行處理。

(3)濾波

經(jīng)檢測，感性負載上的電壓與電流波形都不是標準的正弦波(其基波是正弦波)，因此，為了得到平滑的正弦波，需要濾掉高次諧波。而要設計濾波電路，通?？刹捎枚A有源帶通濾波電路來取得較好的濾波效果，其波形如圖2所示。

(4)電平轉換

電流傳感器LTS25-NP的輸出帶有2.5 V直流分量，而S3C2410芯片上A／D的輸入范圍為0～3.3V，因此，要設計電平轉換電路，以使其消除電流傳感器輸出帶的2.5 V直流分量，并進行電平轉換，使其滿足A／D端口的電壓輸入范圍。

(5)隔離

為了保護芯片不受外界干擾而損壞，設計時在信號輸入通道上應采取隔離措施。由于數(shù)據(jù)采集所得到的是模擬信號，不能用普通的光電耦合器來進行隔離，所以，本系統(tǒng)選用ISO124線性光耦，該光耦具有1：1的傳輸比，線性度達0.1％，足以滿足系統(tǒng)要求。

2系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件設計主要是驅動程序的編寫和用戶應用程序的編寫兩部分。

操作系統(tǒng)一般提供設備驅動程序來完成對特定硬件的控制，從而建立應用程序和設備之間的抽象接口，而不是應用程序直接操作硬件。設備驅動程序實際是處理和操作硬件控制器的軟件，從本質上講，是內核中具有最高特權級的、駐留內存的、可共享的底層硬件處理例程。

用戶應用程序主要是針對系統(tǒng)要求來編寫的，用以完成特定的功能。其主程序流程圖如圖3所示。

應用程序主要實現(xiàn)的功能，一是數(shù)據(jù)采集，即定時采樣電壓與電流信號的瞬時值；二是數(shù)據(jù)的處理和計算，就是計算電壓和電流的有效值、有功功率、無功功率，電能等；三是鍵盤和LED人機接口功能，主要用來完成參數(shù)的設定和數(shù)據(jù)的顯示。