引言

隨著社會經濟和科學技術的飛速發展，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均采用雙向變流設備來實現節能運行。因此，電力參數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展的重要方向之一。

傳統的電力參數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據能力的限制，越來越難以滿足目前電力參數檢測裝置的需要;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操作系統的電力參數檢測裝置。

1、系統硬件設計 電力參數檢測裝置的硬件部分采用嵌入式Linux操作系統和ARM結合的開發平臺，不僅具有較強的數字信號處理能力，而且系統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

本系統采用深圳優龍公司的ST2410為核心開發板，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位模數轉換結果寄存器，模數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。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。最重要的是Linux是全面的多任務和真正的32位操作系統，其內核十分穩定、小巧靈活、易于剪裁，這些都為系統的高效穩定運行提供了基礎。

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，通常可采用二階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。由于數據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%，足以滿足系統要求。

2、系統軟件設計

系統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。

應用程序主要實現的功能，一是數據采集，即定時采樣電壓與電流信號的瞬時值;二是數據的處理和計算，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，主要用來完成參數的設定和數據的顯示。

3、電力參數的采樣與計算

為了計算電壓和電流的有效值，有功功率、無功功率等電力參數，需要對電壓和電流的瞬時值進行采樣。目前主要有硬件同步采樣、軟件同步采樣和異步采樣三種采樣方式。這三種采樣方法各有所長。其中，軟件同步采樣由定時器中斷實現，不需要專門的鎖相環和同步電路，與硬件同步采樣相比，該方法的結構相對簡單。因此，本系統采用軟件同步采樣方法。其原理首先是以電網周期T為基礎，來設置定時器中斷時間常數△T，使每周期等間隔采樣點N=256作為實際的采樣數據。

3.1 電壓電流有效值的計算

周期為T的電壓u、電流i的有效值定義為瞬時值的平方在一個周期內的方均根值，即：

將交流電壓u在一個周期T內分為間隔為△T的N個子區間，則有△T=T/N，這樣，當△T足夠小時，在每個子區間上的電壓值變化很小(可視為常數近似用其離散值代表)。因此，電壓與電流的有效值可近似表示為：

其中，uk為第k個電壓采樣的瞬時值，ik為第k個電流采樣的瞬時值。

3.2相位角的測量

電壓u與電流i的相位角檢測原理如圖4所示。將u、i經整形電路變為相應的矩形脈沖u'和i'，然后將u'和i'送入與門，即可得到圖4-c所示的矩形脈沖ui，其脈寬T2反比于被測信號u和i之間的相位角。T1可視為常數(10ms)，這樣，將ui送入微機，便可可測出相應的脈寬T2，此時的相位角可由下式求出：

式(5)不僅能計算出相位角的大小，而且能反映能量的流向，其判定方法是當OφO90°時，能量流入;而90°OφO180°當時，能量流出。

4、電能的雙向計量方法

能量的雙向流動指的是用電設備電能的流入與流出。根據式(5)可判斷能量的流動方向，從而分別計量流人與流出能量的多少。

4.1功率的計算

由式(3)、(4)、(5)可以得出一個周期內的視在功率Sj、有功功率Pj和無功功率Qj，其具體公式分別如下：

4.2電能的計量

一個用電設備在M個周期內所需的電能E可表示為：

式中，Pj表示第j個周期的有功功率;M表示以周期量表示的設備運行時間。這樣，由式(9)可知：

當Pj>0時，用電設備吸收能量，其值可用E1表示，同時在Pj0時，用電設備輸出能量，其值可用E2表示。

這樣，分別計量吸收與釋放的能量E1和E2，就能實現電能的雙向計量。

5、結束語

本文設計的電力參數檢測裝置充分利用了32位ARM處理器的運算速度快、處理數據能力強及片上資源豐富等優點，而配以多任務操作系統Linux，則較大程度地解決了測量精度與實時性之間的矛盾。同時，系統的雙向計量功能，使得此系統在雙向變流裝置中對電力參數的檢測和能量的雙向計量具有重要意義。