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基于ＡＲＭ的嵌入式系统在电力系统中的应用 杨柳春 基于ARM的嵌入式系统在电力系统中的应用* 杨柳春

（兰州石化职业技术学院 甘肃兰州，730060）

摘 要：为了满足变电力系统对现场交流信号采集的实时性与准确性要求，提出并设计了一种基于ＡＲＭ的嵌

入式高速数据采集系统。该系统以ＬＰＣ２１３８微处理器为核心，利用硬件同步与软件纠错相结合的方法实现电力现场模拟量信号的采集与处理；该系统可通过ＲＳ－４２２总线与主ＣＰＵ通信完成数据的存储、传输与处理；也可通过本地人机交互接口对系统进行维护和升级。 关键词：嵌入式技术；ＡＲＭ；数据采集

Abstract: In order to meet the real-time and reliability requirement of AC signal

collection in power system, this paper introduces thedesign and realization of embedded data substation system which based on LPC2138 ARM microcontrollers. It uses hardware synchro-nization and software error correction to gather and process the

analogue data of power grid, and it can also be connected to the computercontrol system implementing data storage, transmission and exceptional event monitoring. Key words: Embedded technology ; ARM ; Data acquisition

中图分类号：ＴＰ３１１．１２ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１００１－９２２７（２０１１）０２－００８４－０４ ０ 引 言

随着我国电网综合自动化的不断发展，对电力系统的运行提出了更高的要求：不仅要满足电网调度自动化的功能要求；还要保证远动数据的实时性、可靠性、正确性和准确性，这对电力系统中的数据采集与处理提出了新的要求。

本文设计的嵌入式系统主要用于电力系统领域的实时数据采集，实现交流量信号的采集与处理。传统的数据信号采集系统多采用单片机实现，由于单片机的硬件资源不够丰富，在采集信号量比较大的场合应用单片机来处理显得有些吃力，并且由于它本身运算速度不够快而造成海量数据的处理速度较慢、控制实时性较差，无法适应电力系统现场对数据采集与处理的实时性与准确性的要求；而ＡＲＭ微处理器因其片内资源丰富、功能强大、功耗低、性价比高而成为工业控制的主流和趋势。

为了满足数据采集的精度和实时性要求，本文设计了以ＬＰＣ２１３８微处理为核心的实时采样系统，减小了交流量采样中Ｕ、Ｉ不能同时采样带来的计算误差；并采用锁相环技术实时跟踪信号基波频率的变化，实时调整采样频率，减小

了交流采样中不能在一个完整周期内等分采样而引入的计算误差，很好地满足了系统的实时性、可靠性与准确性的要求。 １ 系统的总体设计

由于本系统是一个面向工业级别的高速采集分析平台，因此速度、性能和可靠性是较为重要的。根据系统的主要技术参数和功能要求，经过比较，作者选用了 收稿日期:2010-11-22

作者简介:杨柳春(1956-),男,工学学士,副教授,技师,主要从事工业电气自动化专业理论实践教学研究工作。

*基金项目:甘肃省高等学校研究生导师科研项目1015-03

Ｐｈｉｌｉｐｓ公司出品的３２位嵌入式处理器ＬＰＣ２１３８作为系统的中央处理器，ＬＰＣ２１３８是基于一个支持实时仿真和嵌入式跟踪的３２位ＡＲＭ７ＴＤＭＩ－ＳＴＭＣＰＵ的微控制器，具有非常丰富的外围模块，强大的处理和控制功能，非常易于构建嵌入式系统。

为了满足交流采样的精度要求，本文设计了六通道硬同步交流采样法，减少了交流采样中电压、电流不能同时采样导致的有功功率和无功功率出现计算误差；并采用锁相环技术实时跟踪信号基波频率的变化，实时调整采样频率，严格保证一个周波内等间隔采样，减小了交流采样中不能在一个周期内等分采样而引入的计算误差，克服了软件同步和传统多通道硬同步采样中所存在的种种问题。具体实现方法为：智能数据采集系统设计了一个跟随电网周波信号的锁相环电路，用于自动跟随电网周波信号，并产生跟随电网周波的３２等分的方波信号；ＬＰＣ２１３８根据采样调度算法，控制３２等分方波信号送给Ａ／Ｄ转换器，驱动Ａ／Ｄ转换器同步采样现场的交流信号。此外，在失去电网周波信号之后，周波跟随器将自动产生５０Ｈｚ的方波信号，继续驱动模板进行采样工作。

智能数据采集系统设计有两路异步串行通信接口，一路是ＲＳ４２２接口，用来和主机通信，将采集和计算生成的数据上报给主ＣＰＵ；一路是ＲＳ２３２接口，用于模板的检测与调试以及ＬＰＣ２１３８的软件下载。正常情况下ＲＳ２３２调试接口是一个标准的ＶＴ１００超级终端接口，使用Ｗｉｎｄｏｗｓ超级终端仿真软件可以十分方便地对模板进行调试和检测。同时该串口也是ＬＰＣ２１３８的软件下载口，通过跳线跳接可以将编译连接生成的软件下载到ＬＰＣ２１３８的ＦＬＡＳＨ存储器中。本系统的硬件组成图如图１所示。

在系统的软件功能设计上，本设计采用μＣＯＳ－Ⅱ嵌入式实时操作系统。首先，μＣ／ＯＳ－ＩＩ是一个源码公开、可

《自动化与仪器仪表》２０１１年第２期（总第１５４期）移植、可固化、可剪裁的占先式的实时操作系统，其绝大部分源代码可供不同构架的微处理使用；其次，应用μＣ／ＯＳ－ＩＩ进行应用软件开发，除了可以有效地提高数据采集模块的可靠性之外，也使程序的设计和扩展变得容易，不需大的改动就能增加新的

功能，使应用程序的设计过程大为简化；而且对实时性要求苛刻的事件都得到了快速、可靠地处理，可提高系统的整体性能及抗干扰能力，使系统资源得到更好的利用。

图１ 智能数据采集系统的硬件组成图 ２ 系统的硬件设计

本系统的硬件设计以基于ＡＤＳ８３６５的六通道实时采样系统、同步锁相环电路和ＬＰＣ２１３８微处理器为核心，整个系统由模拟量输入通道和高速信号处理两部分组成。模拟量输入通道主要完成模拟量信号的信号调理和实时采样：信号调理是对模拟通道送来的信号进行压缩调整以满足ＡＤＳ８３６５的采样电平；信号采样是完成模拟信号的数字化。模拟量通过信号调理之后进入ＡＤＣ（ＡＤＳ８３６５）高速信号处理电路，并在ＬＰＣ２１３８内完成特定的数字信号处理算法。系统提供６路模拟量输入通道，实时采样电路完成数据采集后向ＬＰＣ２１３８提出中断，由ＬＰＣ２１３８来进行数据处理，每采集完６路数据后就产生一次中断。

数模转换器是模拟量输入通道的核心部件，虽然ＬＰＣ２１３８自带Ａ／Ｄ转换器，但其转换精度只有１０位，为了实现更高的精度和速度，外接数模转换器ＡＤＳ８３６５。ＡＤＳ８３６５是ＴＩ公司推出的专为高速同步数据采集系统设计的高速、低能耗、６通道（分成Ａ、Ｂ、Ｃ三组）同步采样的１６位高性能数模转换芯片，适用于噪声比较大的环境。每片ＡＤＳ８３６５由３个转换速率最大为２５０Ｋｂｉｔｓ／ｓ的ＡＤＣ构成，每个ＡＤＣ有２个模拟量输入通道，每个通道都带有采样保持器，３个ＡＤＣ可组成３对模拟输入，可对其中的输入信号采样保持。另外引脚内部还带有２．５Ｖ电压接口，可用以提供基准电压。由于６个通道可以同时采样，很适用于需同时采集多种信号的场合。本系统便设计了以ＡＤＳ８３６５为核心的六通道交流同步采样系统，可实现６路三相三线交流信号（Ua、Ia、Ub、Ib、Uc、Ic）的同步采样，或者４路三相四线交流信号（Uab、Ia、Ucb、Ic）的采样。具体硬件电路如图２