基于ARM和DSP的电网谐波实时监控系统的研究

闫　磊（淮南市人民政府金融工作办公室,安徽　淮南　232001）

基于ARM和DSP的电网谐波实时监控系统的研究

闫磊
（淮南市人民政府金融工作办公室,安徽淮南232001）

摘要：针对电网谐波实时监控系统在谐波分析算法上对处理器处理速度的要求，以及在控制上的实时性要求，在原有使用单核同时进行控制和数据处理的基础上，提出了模块化的双核设计方案，该优化方案使两个核心芯片各自在不同的电路板上独立运行，因此借以充分利用DSP的快速处理和ARM的实时性控制的优势，进而提高算法速度、改善实时性控制。

关键词：谐波检测； 数字信号处理；嵌入式系统；实时优化

1　引言

近年来，随着科技的发展，大量精密仪器以及敏感性原件广泛投入使用，对电能质量的要求也越来越高。同时，大量电力电子变流系统以及非线性设备的广泛应用也引起越来越严重的谐波污染,造成电能质量严重下降。因此，将谐波含量控制在允许范围内势在必行。早期的谐波检测大多使用的是数据采集卡，并配合工业计算机进行数据处理和分析，得到的数据主要针对的是电压、电流和频率等稳态指标。而忽略了瞬时扰动和暂态谐波等实时信息。本文在目前谐波检测设备研究的基础上，探索电网谐波检测的系统硬件布局和相应软件设计。

2　嵌入式谐波检测系统方案设计

本装置采用TMS320LF2407芯片负责数据采集，采用ARM920T内核的芯片S3C2410A负责控制。

系统有两个部分：数据采集分析部分和实时控制应用部分，分别采用DSP和ARM这两种芯片。

2.1DSP数据采集的硬件设计

信号采样模块包括两部分：信号处理电路和ADC电路。前者由交流电压互感器、交流电流互感器组成，它们的功能体现在根据ADC的要求，产生与之匹配的相应的模拟信号输入。

DSP的硬件电路中还包括过零检测部分，其作用是利用比较强，将被检的正弦波信号变换成与之对应的方波，进而送到DSP的CAP引脚。本文没有给出相应电路。

2.2基于ARM系统模块硬件的设计

ARM的主要功能是实现人机对话、数据通信以及利用HPI接口与DSP进行数据交换。ARM板配有2M*16bitFLASH，8M*16bit SDRAM，电源模块则为所有电路板提供电源，用总线连接各电路模块。

2.2.1电源系统设计

系统中需要使用+12VDC、+5VDC、+3.3VDC的直流稳压电源，这三种电源产生的方法是+12VDC从外部直接引入，作为系统总电源，利用稳压电源芯片LM7805产生+5V直流电压，供给相应+5V器件；采用ASI117稳压电源芯片输出端DC3.3V，还可以采用线性稳压电源LMl085将DC的5V转成2.5V。

2.2.2复位模块硬件设计

ARM的复位信号为RESET，如它有效，RESET挂起程序，ARM进复位状态。在电源打开且稳定时，RESET必须保持低电平4 个MCLK周期。

2.2.3串口模块的硬件设计

本设计的电路中提供了三个UART串口(两线)，也可组成Modem接口。MAX232是RS-232收发器，简单易用，+只需外接几个电容即可完成从TTL电平到RS-232电平的转换。

3　系统软件设计

系统的软件设计主要是ARM嵌入式操作系统的移植和应用控制程序设计。

3.1LINUX嵌入式系统平台的构建

Embedded开发环境通常包括宿主机（PC机）和目标系统。宿主机被用来执行编译内核系统、开发并调试应用软件。两者通过串行通信与Ethernet相连。具体包括：（1）构建交互编译环境；（2）内核移植和配置；（3）配置根文件系统；（4）设置bootloader。

3.2设计终端驱动

系统硬件需要相应驱动程序。系统操作最终通常都须映射到硬件终端，当然不包含内存、少数其他硬件。终端的驱动操作近乎均通过相关终端代码完成，终端代码的集成即为终端驱动程序，程序嵌入在内核中。

4　结论

本课题采用TMS320LF2407芯片负责数据采集，采用ARM920T内核的芯片S3C2410A负责控制，其中，DSP的主要用来实现采样和处理数据：ARM处理器则采用嵌入式实时操作系统(Linux)，负责实现LCD显示、以太网通讯和控制等功能。通过机理分析和软硬件策略实现可以看出，相当于以往的单核系统，本系统的运算速度和测控的实时性均有所提高。

参考文献：

[1]欧阳名三.DSP原理与技术[M].合肥:合肥工业大学出版社,2009.

[2]吕润馀.电力系统高次谐波[M].北京:中国电力出版社,1998.

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[5]孙天泽,袁文菊等．嵌入式设计及Linux驱动开发指南[M]．北京：电子工业出版社,2005.

[6]David Hart, Damir Novosel, Yi Hu, etal. A new frequency tracking and phasor estimation algorithm forgenerator protection[J], IEEETranson PowerDelivery,1997.

基金项目：安徽省自然基金项目（1208085ME69）；淮南市科技计划项目（2013A18）