基于DSP+ARM构架的嵌入式电能质量监测装置的解决方案

摘要：根据电能质量监测对于系统支持复杂算法和实时性的特殊要求，并在综合分析了目前风电场电能质量监测技术现状的基础上，本文提出了一种基于DSP+ARM构架的嵌入式电能质量监测装置的解决方案，该装置可完成风电场电能质量指标的测量，并有数据显示、存储、通信等功能，能更加快捷地对电能质量数据进行分析和处理。

1 引言

随着风力发电的快速发展，电能质量监测技术是风电场的研究热点，应用DSP芯片已成为电能质量监测装置研究的发展趋势。用于风电场电能质量监测的方法有多种多样，其中分布式系统PC机+工控机的结构风靡一时，工控机（下位机）处理实时任务，PC机（上位机）用于和用户交互，一定程度上解决了电能质量监测的实时性问题，但没有达到智能化和网络化的程度，而且这种分布式系统加大了设备的成本，不适于作为永久性在线监测设备大量安装于现场。另外，由于风电场多位于野外山地，地形复杂，自然环境恶劣，系统受干扰的情况也相当严重。目前流行的设计模式是采用DSP+MCU的双CPU结构[1-3]，通过双口RAM实现数据交换和协同工作。这样，在满足处理大运算量实时任务要求的同时，极大地降低了系统的设计成本。单片机用来分担部分实时性要求不高的系统任务，如系统配置管理、人机交互、通信等。但是，为了实现实时任务的调度，软件上必须结合嵌入式实时多任务操作系统[4][5]，才能设计成真正意义上的嵌入式实时系统。

比较上述两种设计模式的优缺点之后，选择以DSP+ARM为双处理器结构，开发出本文所要介绍的新型实时嵌入式电能质量网络监测装置。嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高等优点，同时，在该领域技术成熟、产品类型多、选择空间大，满足各种性能需求的处理器比较容易获得。本文对电能质量监测装置进行设计的同时，改变了电能质量监测装置在传统网络结构中的地位，嵌入以太网络接口，将电能质量监测仪作为网络中独立的节点，内置TCP/IP协议栈，实现电能质量网络监测装置有直接上网传输数据的功能，从而可以更加快捷地对电能质量数据进行分析和处理。

2 系统结构设计

2.1 系统功能结构

本文设计的基于DSP+ARM的嵌入式风电场电能质量监测装置主要实现了对风电场运行过程中各性能指标的实时监测，这些指标包括电压有效值、电流有效值、有功功率、无功功率、功率因数、电压波动、谐波分析以及闪变计算。同时建立了良好的操作界面，使用户一目了然地观察风电场运行的实时数据，并具有图标显示、数据打印、数据存储等功能。

本系统主要采用DSP+ ARM的双系统模式结构，数据采集芯片为ADS8364。由ADS8364完成采样，DSP对采样结果实时变换处理；ARM系统完成统计、存储、通讯及人机对话等功能。二者通过半双工通讯方式进行数据传输与交换。系统结构如图1所示。由于风电场风机分散，间距较远，环境恶劣，地理环境复杂，本系统的监测装置与中央控制机采用光纤通讯。中央控制机为高端服务器，对整个系统进行调度与控制，可以实时观察每个站点的情况。

图1 系统结构

本系统的设计主要针对风电厂电能质量实时监测，其主要特点如下：

(1) 拥有8个模拟信号通道，即三相电压电流、风速风向八个通道，2个脉冲信号通道；

(2) 电压信号测量端输入为690V和100V两个档，可根据现场需要进行设置，电流测量端输入为5A；

(3) 每个模拟信号通道的A/D转换的采样频率大于*kHZ，且所有模拟通道的采样时间点基本同步，精度为12位；总体测量精度需达到0.1级；

(4) 考虑1秒的数据存储量，128k字节的缓存空间，用于实时监测数据运算调用，有TFT屏，主要显示操作界面及各类曲线等；USB接口存储数据；板载NandFLASH为128M，存储实时监测历史数据；

(5) 以太网接口，通过光纤收发器完成RJ45与单模光纤的信号转换，实现光缆通信局域网的架构；

(6) 光纤通信传输频带宽，通信容量大，衰减小，传输距离远，串扰小，信号传输质量高，抗电磁干扰，保密性好，尺寸小，重量轻，便于传输和铺设，耐化学腐蚀；

(7) 系统有良好的触摸式操作界面，可对监测电量实时显示，可查看电能质量分析结果。

2.2 主要器件选择及其参数

2.2.1 模数转换模块ADS8364

ADS8364是一种高速、低功耗、六通道同步采样和转换的十六位模数转换器，采用+5V 工作电压。80dB共模抑制的全差分输入通道。还包括六个4μs连续近似的模数转换器，六个差分采样放大器， 带REFIN和REFOUT引脚的内部+2.5V 参考电压，以及高速并行接口。六个模拟输入分为三组（A，B和C），每个输入端有一个ADCs 和保持信号用来保证几个通道能同时进行采样和转换。差分输入范围可从-VREF 到+VREF 之间变化[6]。本文采用ADS8364主要是对风电场的三相电压电流以及风速风向进行采样，并将采样数据送给DSP进行实时分析处理，ADS8364的采样频率为*KHz，每周波采样256个点。

2.2.2 数字信号处理模块TMS320F2812

DSP具有程序和数据分开的哈佛结构，流水线操作功能，单周期完成乘法的硬件以及一套适合数字处理的指令集，由其组成的系统能够进行实时的频谱分析，提高了测量精度。本文采用的DSP芯片是TI公司最新推出的TMS320F2812。该芯片是目前国际市场上最先进、功能最强大的32位定点DSP芯片，是基于TMS320Cxx内核的定点数字信号处理器。与F24系列数字处理器相比，F2812数字信号处理器提高了运算的精度（32位）和系统的处理能力(150MIPS) 。该数字信号处理器还集成了128KB的FLASH存储器，4KB引导ROM，数字运算表以及2KB的OTP ROM，从而大大改善了应用的灵活性。16通道高性能 12位ADC单元提供了两个采样保持电路，可以实现双通道信号同步采样。本文中的TMS320F2812主要完成启动ADS8364工作，完成系统采样，对采样数据进行实时分析处理，进行各电能质量指标计算，并将计算结果送与ARM系统显示，便于用户操作管理。

2.2.3 显示管理模块ARM系统s3c2410

S3C2410是Samsung公司推出的16/32位RISC处理器，CPU 主频206MHz ，标准配置为夏普256K色240x320/3.5英寸TFT液晶屏，带触摸屏，支持Linux，WINCE和EPOC32。提供Linux 内核下的符合ISO7816 和EMV2000 的智能卡驱动模块和符合ISO14443 A/B 和Mifare 系列非接触智能卡驱动模块。其小体积、低功耗、高性能的特点为风电场便携式电能质量监测装置的设计提供了方便。本文中ARM系统s3c2410主要实现基本控制单元的调度与控制，将数据进行统计、存储、通讯及人机对话等功能。

3 算法实现

DSP子系统主要完成实时数据的采集和计算，同时响应ARM子系统的通信请求，把各种计算结果和信息报告给ARM，而ARM子系统执行整个系统的控制和管理，在需要数据的时候，向DSP子系统发出通信请求，获取各种数据和信息。这样一来大量的实时采样和计算与系统的管理和控制就可以并行执行，通过通信使双方在任务执行上同步。软件设计主要包括DSP芯片的软件设计和ARM芯片的软件设计两部分。

图2 DSP软件程序流程图                        图3 各指标运算流程

3.1 DSP软件设计

DSP软件采用C语言和汇编语言混合编程方式，其软件设计主要包括完成数据采集、

电能质量算法和数据分析程序。F2182通过定时器中断启动Ａ/Ｄ转换过程，中断周期被设置为每周波256点，通过双缓冲池来管理实时数据。数据分析主要包括谐波分析和实时检测信号的峰值、有效值等信息，以判断过欠压、振荡等电能质量问题。本系统采用深圳市风标数码科技有限公司提供的XDS510USB2.0仿真器，它可以通过USB接口直接与PC机相连接，在CCS集成开发环境下通过JTAG接口，调试烧写程序，其程序流程如图2所示。

本设计中需要监测和计算的量有：电压有效值、电流有效值、有功功率、无功功率、功率因数、电压波动、谐波分析、闪变计算等，运算流程如图3所示。

其中计算谐波时目前根据要求只计算到19次谐波，截止频率分别选择为1kHz和40Hz。闪变计算所需的数据为所存储的10分钟中的数据中进行抽样获得，10分钟的数据需实时更新。对得出瞬时闪变视感度S(t)恒速采样，得出累积概率函数，最后计算出短时间闪变值Pst。

3.2 ARM芯片软件设计

ARM软件采用C语言编程方式，其软件设计主要包括完成与DSP的通信，给DSP索要数据的命令，并接收传来的数据，将电能质量参数值以波形曲线、柱状图等形式实时显示出来，便于用户操作与控制。ARM主线程程序流程图如图4所示，与DSP的通讯子线程流程图如图5所示。
 

图4 ARM主线程程序流程图                 图5通讯子线程

其中，ARM向DSP索要数据传输时，DSP采用中断的工作方式，将处理的数据送与ARM统计、存储与显示。

4 结论

在借鉴已有设备的功能和特性的基础上，利用DSP+ARM的新型嵌入式系统结构实现实时信号处理能力，完全满足风电场的电能质量监测和谐波闪变分析的需要。其次，为了符合电能质量监测网络的建设要求，运用当前先进的嵌入式网络接口技术，将电能质量监测装置作为网络中独立的节点，内置TCP/IP协议栈，实现电能质量网络监测装置直接上网传输数据的功能，为实现高端分析服务器上的高级分析软件提供数据。同时还提供良好的人机界面，具有键盘和液晶显示的功能，可以提供实时数据信息的界面。本文所设计的电能质量监测装置已在实验室调试成功，下一步工作将于风电场现场调试。本设计既可作为基本的电能质量监测系统的检测单元，也可用作监测控制器，适用面广，具有实时性好、通用性强、可靠性高、系统容易实现等优点，有广阔的应用前景，为将来开发更完善的电能质量监测系统打下了坚实的基础。