基于DSP和ARM的嵌入式电能质量监测系统_张云

技术创新中文核心期刊《微计算机信息》（嵌入式与ＳＯＣ）２００８年第２４卷第６－２期３６０元／年邮局订阅号：８２－９４６《现场总线技术应用２００例》ＡＲＭ开发与应用基于ＤＳＰ和ＡＲＭ的嵌入式电能质量监测系统ＥｍｂｅｄｄｅｄＰｏｗｅｒＱｕａｌｉｔｙＭｏｎｉｔｏｒｉｎｇＳｙｓｔｅｍＢａｓｅｄｏｎＤＳＰａｎｄＡＲＭ（河北农业大学）张云王艳君ＺＨＡＮＧＹｕｎＷＡＮＧＹａｎ－ｊｕｎ摘要：该嵌入式系统硬件设计采用ＡＲＭ＋ＤＳＰ双ＣＰＵ的基本架构，充分发挥ＡＲＭ的控制能力和ＤＳＰ的运算能力，使系统的内部分工更加明确，功能更加强大。

通过移植成熟的嵌入式实时操作系统Ｌｉｎｕｘ为设备提供高效、完善、稳定、可靠的软件平台，并采用Ｌｉｎｕｘ系统下最流行的图形界面开发工具ＱＴ进行智能化的人机界面开发，成功设计出了一种基于ＤＳＰ和ＡＲＭ的嵌入式电能质量监测系统。

该系统采用先进合理的上、下位机硬件架构，嵌入Ｌｉｎｕｘ操作系统以及智能化的人机界面。

关键词：ＡＲＭ；ＤＳＰ；电能质量；嵌入式；人机界面中图分类号：ＴＭ７６９；ＴＰ２７３文献标识码：ＡＡｂｓｔｒａｃｔ：ＤｅｓｉｇｎｏｆｔｈｉｓｅｍｂｅｄｄｅｄｓｙｓｔｅｍｕｓｅｓｔｈｅｓｙｓｔｅｍａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅｏｆｄｏｕｂｌｅＣＰＵ（ＡＲＭ＋ＤＳＰ），ｍａｋｉｎｇｆｕｌｌｕｓｅｏｆｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｃａｐａｂｉｌｉｔｙｏｆＡＲＭａｎｄｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｃａｐａｂｉｌｉｔｙｏｆＤＳＰ．Ｔｈｅａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅｍａｋｅｓｔｈｅｗｏｒｋｄｉｖｉｓｉｏｎｉｎｔｈｅｓｙｓｔｅｍｍｏｒｅｃｌｅａｒａｎｄｔｈｅｆｕｎｃｔｉｏｎｍｏｒｅｓｔｒｏｎｇ．ＢｙｔｒａｎｓｐｌａｎｔｉｎｇｅｘｃｅｌｌｅｎｔＲｅａｌＴｉｍｅＯｐｅｒａｔｉｎｇＳｙｓｔｅｍ一Ｌｉｎｕｘ，ｔｈｅｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓｉｓｐｒｏｖｉｄｅｄｗｉｔｈａｎｅｆｆｅｃｔｉｖｅ，ｐｅｒ－ｆｅｃｔ，ｓｔａｂｌｅ，ｒｅｌｉａｂｌｅｓｏｆｔｗａｒｅｐｌａｔｆｏｒｍ，ｕｓｉｎｇＱＴｗｈｉｃｈｉｓｔｈｅｍｏｓｔｐｏｐｕｌａｒｇｒａｐｈｉｃｓｄｅｓｉｇｎｔｏｏｌｉｎＬｉｎｕｘｏｐｅｒａｔｉｎｇｓｙｓｔｅｍｔｏｄｅｓｉｇｎａｎｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｉｚｅｄｍａｎ－ｍａｃｈｉｎｅｉｎｔｅｒｆａｃｅ．ＴｈｅｐａｐｅｒｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙｄｅｓｉｇｎｓａｅｍｂｅｄｄｅｄｐｏｗｅｒｑｕａｌｉｔｙｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎＡＲＭａｎｄＤＳＰ．Ｔｈｉｓｐｏｗｅｒｑｕａｌｉｔｙｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍａｄｏｐｔｓａｄｖａｎｃｅｄａｎｄｒｅａｓｏｎａｂｌｅｈａｒｄｗａｒｅｆｒａｍｅｗｏｒｋｏｆｓｕｐｅｒｓｔｒａｔｕｍｐｌｕｓｓｕｂｓｔｒａｔｅｍａ－ｃｈｉｎｅ，ｅｍｂｅｄｓＬｉｎｕｘｏｐｅｒａｔｉｎｇｓｙｓｔｅｍａｎｄａｎｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｉｚｅｄｍａｎ－ｍａｃｈｉｎｅｉｎｔｅｒｆａｃｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＡＲＭ；ＤＳＰ；Ｐｏｗｅｒｑｕａｌｉｔｙ；Ｅｍｂｅｄｄｅｄ；Ｍａｎ－ｍａｃｈｉｎｅｉｎｔｅｒｆａｃｅ文章编号：１００８－０５７０（２００８）０６－２－０１７０－０３１引言电能质量（ｐｏｗｅｒｑｕａｌｉｔｙ）是指公用电网供到用户受电端的交流电能质量。

电能质量监测是评估电能质量水平，发现电能质量问题的主要手段。

对电能质量做出精确的监测和分析，才有可能对影响电能质量的因素做出正确地分析和判断，为电能质量的改善提供依据。

位于电能质量综合监测管理系统终端的电能质量监测系统用于实现对现场的电能质量数据实时采集并传输至上位机系统。

该监测系统要处理的任务种类繁多，主要有：数据采样、各种计算、通信、人机交互等，同时还要保证系统的实时性。

这种情况下不仅要求处理设备具有很高的速度和处理能力，而且要具有实时任务调度能力。

综合考虑上述因素，本文采用ＤＳＰ＋ＡＲＭ的实现方式。

ＡＲＭ微处理器的优势在于速度快、低功耗、高性能、芯片集成度高、外围接口丰富。

在ＡＲＭ上可以移植嵌入式实时操作系统，容易实现多任务调度，而且简化了ＬＣＤ显示、硬盘存储、网络通信等功能的开发，大大减少了产品的开发周期。

同时运用ＤＳＰ的高速运算和多种片上外设的特点完成对输入信号的捕捉、采样、转换以及与ＡＲＭ的通讯等工作，兼顾了系统实时性和支持复杂算法的特殊要求。

此外本文还设计了智能化的人机界面，便于管理人员快速准确地查询监测结果，及时迅速的采取措施排除故障，保证电力系统安全优质运行。

２嵌入式电能质量监测系统的总体设计该系统采用ＡＲＭ＋ＤＳＰ的主从式并行处理系统，把人机交互和数据通讯的功能集中在ＡＲＭ的子系统中，由主机完成一切外设的控制。

而ＤＳＰ芯片主要完成对输入信号的捕捉、采样、转换，实现多种信号处理算法，然后将处理后的数字信号传给ＡＲＭ。

再由ＡＲＭ通过以太网控制器将数据传输到网络，实现了远程控制与监测。

本文的ＤＳＰ芯片选用ＴＭＳ３２０ＶＣ５４０２芯片，该芯片是ＴＩ公司为低功耗、高性能需要而专门设计的定点ＤＳＰ芯片；本文的ＡＲＭ芯片选择Ｓａｍｓｕｎｇ公司的ＡＲＭ９系列芯片Ｓ３Ｃ２４１０，核心处理器和外设配合构成一个完整的ＡＲＭ应用系统，具有体积小、耗电低、相对处理能力强等特点，能够装载和运行嵌入式Ｌｉｎｕｘ操作系统。

图１嵌入式电能质量监测系统的硬件结构框图２．１数据采集模块设计由于要求电能质量监测系统的测量谐波次数达到５０次，采样率为１２８００ｐｂｓ，因此采用ＴＩ公司专为高速同步数据采集系统设计的高速、低功耗、６通道（三相电压、三相电流）同步采样的１６位Ａ／Ｄ转换芯片ＡＤＳ８３６４。

ＡＤＳ８３６４的三根地址线（Ａ０，Ａ１，张云：硕士基金资助：河北省教育厅（２００５３２８）项目名称：基于电力市场环境的配电网络优化规划的研究１７０－－邮局订阅号：８２－９４６３６０元／年技术创新ＡＲＭ开发与应用《ＰＬＣ技术应用２００例》您的论文得到两院院士关注Ａ２）的接线方式为：Ａ１＝Ａ２＝１，Ａ０＝０，则Ａ／Ｄ转换结果的读取模式为循环方式。

ＡＤＳ８３６４的三个保持信号（ＨＯＬＤＡ、ＨＯＬＤＢ、ＨＯＬＤＣ）同时与ＴＭＳ３２０ＶＣ５４０２的ＴＯＵＴ０相连，这样每次同时启动六个通道的Ａ／Ｄ转换。

ＡＤＳ８３６４的片选ＣＳ线同ＴＭＳ３２０ＶＣ５４０２的Ｉ／Ｏ空间选择线ＡＤＣＳ相连。

当转换结束后，ＥＯＣ保持１／２时钟周期的低电平，因此将其同ＴＭＳ３２０ＶＣ５４０２的外部中断输入引脚连接，ＤＳＰ采用中断方式读取Ａ／Ｄ转换后的数据。

由于本系统对ＡＤＳ８３６４只有读操作，为了简化电路设计，将管脚ＷＲ直接接到ＢＶＤＤ（＋３．３Ｖ）上。

２．２ＡＲＭ与ＤＳＰ的接口设计主机接口ＨＰＩ（Ｈｏｓｔ－ＰｏｒｔＩｎｔｅｒｆａｃｅ），是ＴＭＳ３２０ＶＣ５４ｘ系列定点芯片内部具有的一种接口部件，主要用于ＤＳＰ与其它总线或ＣＰＵ进行通信。

图２为ＤＳＰ和ＡＲＭ的接口电路图。

Ｓ３Ｃ２４１０的两根地址线ＡＤＤＲ２、ＡＤＤＲ３分别接到ＤＳＰ的寄存器选择信号引脚ＨＣＮＴＬ０、ＨＣＮＴＬ１上，完成对不同寄存器的选择。

ＤＳＰ的ＨＢＩＬ信号用于表明ＨＤ［０…７］上传输的是１６位数据中的高８位还是低８位，Ｓ３Ｃ２４１０的地址线ＡＤＤＲ１与其相接。

由于Ｓ３Ｃ２４１０没有ＨＲ／Ｗ信号，所以选用ＡＤＤＲ４来代替该信号和ＨＰＩ口的ＨＲ／Ｗ相接。

Ｓ３Ｃ２４１０外部存储空间ＢＡＮＫ２的片选信号ｎＧＣＳ２与ＨＰＩ口的片选信号ＨＣＳ相接。

ＨＰＩ口的ＨＤＳ１和ＨＤＳ２是数据选通信号，用Ｓ３Ｃ２４１０的读／写信号ｎＯＥ和ｎＷＥ分别与它们相接。

ＨＩＮＴ信号是ＨＰＩ口的中断信号，将该中断信号接到Ｓ３Ｃ２４１０上的外部中断引脚ＥＩＮＴ８上，这样既可以由ＥＩＮＴ８产生信号中断ＤＳＰ，也可以在ＥＩＮＴ８侦听来自ＤＳＰ的中断信号。

图２ＡＲＭ与ＤＳＰ的接口电路图３ＲＴＬ８０１９ＡＳ与Ｓ３Ｃ２４１０接口电路２．３ＡＲＭ与以太网通信的接口设计以太网通信功能由１片ＲＴＬ８０１９ＡＳ实现，它对嵌入式处理器没有特殊要求，通用性强。

本设计中使用ＲＴＬ８０１９ＡＳ的默认配置和一些管脚作为网卡的初始化方法，这样可以节省配置存储器，减小嵌入式硬件平台的体积。

ＲＴＬ８０１９ＡＳ与Ｓ３Ｃ２４１０接口电路如图３所示。

３嵌入式电能质量监测系统软件设计本系统软件主要包括ＤＳＰ部分的软件、ＡＲＭ部分的软件、双ＣＰＵ间通信软件、人机交互部分的软件和上位机系统软件。

ＤＳＰ部分主要完成现场数据的采集和计算，实时响应ＡＲＭ的控制命令，并将采集数据和计算结果传回给ＡＲＭ，ＤＳＰ的主程序流程图如图５所示；ＡＲＭ部分执行整个系统的管理和控制，根据不同的现场要求，向ＤＳＰ发出控制命令，要求传回各种数据和信息。

这种基于双ＣＰＵ结构的嵌入式系统对保证监测数据的实时性起到了关键作用。

人机交互部分用于实现智能化的菜单式人机界面，方便管理人员查询监测数据，及时发现故障隐患。

上位机系统软件主要完成对ＡＲＭ上传的数据进一步分析处理。

ＤＳＰ和ＡＲＭ的通信协议如下：开始工作时，ＡＲＭ向ＤＳＰ发送一个命令（如数据采集），并通过ＨＰＩ口中断ＤＳＰ，使ＤＳＰ执行相应的功能子程序（如数据采集）；同时，ＤＳＰ将采集到的数据（未处理）和经过处理的数据分别存入２个缓冲区，长度为２５６字节（一帧），当ＡＲＭ向ＤＳＰ请求数据时，ＡＲＭ向ＤＳＰ发一个帧同步命令字，并中断ＤＳＰ，ＤＳＰ响应中断后，将处理后的数据存入ＨＰＩ口ＲＡＭ，当存完一帧数据后，ＤＳＰ向ＡＲＭ发中断，ＡＲＭ响应后，首先清除该中断，并将ＨＰＩ口ＲＡＭ中的数据取出。

需要指出的是，系统每次复位后，ＤＳＰ会使ＨＰＩ口的ＨＩＮＴ为低电平，所以在ＨＰＩ口初始化时，ＡＲＭ首先要通过ＨＰＩ口清除该中断，然后再开相应的中断。

ＡＲＭ和ＤＳＰ间的通信程序流程图如图４所示。

人机交互部分的界面设计采用菜单式设计，可以直观显示命令，管理人员不必记忆操作命令，提供了简单灵活的操作动作，降低了操作的复杂性，使管理人员能够实时操作系统，了解监测信息和电能质量监测系统的运行状态。

本文采用Ｌｉｎｕｘ系统下最好的图形开发工具ＱＴ来设计人机界面。

ＱＴ是Ｔｒｏｌｌｔｅｃｈ公司的一个产品，它提供了丰富的窗口部件集，具有面向对象、易于扩展、真正的组件编程等特点。

目前Ｌｉｎｕｘ上最为流行的ＫＤＥ（ＫＤｅｓｋｔｏｐＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ）桌面环境就是建立在ＱＴ库的基础之上。

本文设计出的智能化的菜单式人机界面如图６所示。

图４ＡＲＭ和ＤＳＰ间的通信程序流程图４结语如今电能质量监测系统正朝着在线监测、实时分析、网络化和智能化的方向发展。

这就要求电能质量监测系统在功能上１７１－－技术创新中文核心期刊《微计算机信息》（嵌入式与ＳＯＣ）２００８年第２４卷第６－２期３６０元／年邮局订阅号：８２－９４６《现场总线技术应用２００例》ＡＲＭ开发与应用更加强调智能化，除具备计算、显示功能外，还要有一定的判断、分析、决策等功能并能够实现远程通讯、数据传输的自动化、智能化。