基于ARM的电能表接口电路实验指导书

基于ARM的电能表接口电路实验指导书

一、实验目的

1.学习硬件电路板的设计与制作方法，能独立完成ARM系统的硬件开发；

2.学习Linux驱动的编写方法；

3.学习和掌握ARM嵌入式系统软件和硬件的开发过程。

二、实验内容

在PXA270实验箱的基础上，完成电子式电能表系统的开发，包括电能表系统的硬件和软件。该电能表系统应具备如下功能：

✧可以完成电力线电压有效值、电流有效值、功率和电能等电力数据的计量，

并应具备一定的精确度；

✧各个电力数据的存储，保证电能表系统断电的情况下，所测量的各项历史数

据（主要是电能累计值数据）不丢失，以便电能的统计计算；

✧通过键盘控制，可实现各个电力参数值的显示和对电能表系统进行操作功能

选择；

三、实验设备

1.万能表、数字信号发生器、示波器等。

2.一套PXA270EP嵌入式实验箱。

3.安装Redhat9的宿主PC机，并且配置好ARM Linux的开发环境。

四、预备知识

熟悉电能计量的原理，学习pcb电路板的绘制，熟悉Linux各部分的作用，熟悉Linux操作系统基本操作，学习ARM体系结构，熟悉PXA270处理器的管

脚功能及相关寄存器的功能定义，熟悉Linux 基本驱动编写的步骤和方法，熟练C 语言运用。

五、实验原理及说明

1. 电能计量原理

电能计量主要是把输入的瞬时电压和电流相乘，得到瞬时功率p=ui ，其中u 代表瞬时电压，i 代表瞬时电流。由于瞬时功率在实际中不便于应用，所以常把瞬时功率转化为平均功率，即瞬时功率在一个周期T 内的平均值，平均功率又称作有功功率。单位时间内的有功功率在数值上就等于测得的电能量，把单位时间的有功功率累加就得到电能量值。在正弦稳态情况下设：

()cos()u t t ω= （5.1）

()cos()i t t ωφ=+ （5.2）

其中φ是电压与电流之间的相位差，于是瞬时功率可以表示为：

()()()p t u t i t =⨯ （5.3）

将式（5.1）和式（5.2）带入式（5.3）可得：

()cos()cos()p t t t ωωφ=+

cos cos(2)UI UI t φωφ=++ （5.4）

由瞬时功率可以得到有功功率：

01()T P p t dt T =

⎰ 01[cos cos(2)]T UI UI t dt T φωφ=

++⎰ 001cos cos(2)T T UI dt UI t dt T

φωφ=++⎰⎰ cos UI φ=

（5.5）

从式（5.5）可以看出，有功功率与相位角中相关，式中的cos 就是电路的功率因数。把有功功率在时间上累加就能得到电能量的值。

2.Linux设备驱动

Linux下的字符设备的驱动程序，包含三个部分：初始化函数、清除函数和保存设备信息的结构体，结构体存储了字符设备的操作方法，下面简单介绍了结构体file_operations成员的意义。open（）方法，打开设备准备I/O操作；Close（）方法，关闭一个设备，当最后一次使用设备终结后,调用close 子程序；Read（）方法，从设备上读数据；Write（）方法，往设备上写数据；ioctl（）方法，执行读,写之外的操作,实现对设备的控制；select（）方法，检查设备,看数据是否可读或设备是否可用于写数据。

3.电能表系统的组成及工作原理

设计的电子式电能表系统应具有以下几个功能模块：核心处理器模块、电能计量模块、存储模块、显示模块、键盘控制模块和无线通讯模块等。系统原理框图，如图5.1。

图5.1 电能表系统整体框图

由电能表系统整体框图可以看出，系统分为几个部分，其中PXA270是整个系统的核心部分，负责综合处理整个系统的正常工作，除此之外，电能计量模块包括CS5460A芯片和电压电流采样电路，负责进行电能的测量，是整个系统的关键部分，没有此模块，“电能表”无从谈起，因此，这部分工作性能的好坏，直接

关系到整个系统的工作性能。

具体的工作过程如下：首先从系统从电力线上采样到交流电压和电流的大信号，由于CS5460芯片不能直接对大信号进行测量，因此需经过电压、电流采样电路的转换，将大电压和大电流信号转换为成比例的交流小信号，再送入电能计量芯片CS5460A，经CS5460A芯片处理得到Irms、Vrms、功率值及累计电能值等参数，并存储在CS5460A芯片内部的寄存器当中，CS5460A芯片具有简单的SPI通讯接口，PXA270处理器可以通过SPI接口读取CS5460A计算得到的所有电能参数进行处理，并存储到外插的SD卡FLASH芯片中，

（由于核心板的FLASH 的存储空间已所剩无几，无法存储更多的数据，因此，存储模块需用外扩的SD 卡FLASH）。同时将数据输出到显示器进行显示，并可根据按键的键值显示不同的数据。

六、系统开发流程

1.根据系统整体框图进行硬件电路设计。

硬件电路的设计在PXA270实验箱的基础上进行，主要进行电能计量模块的设计，电能计量模块电路电压、电流采样电路、CS5460A的电源电路、CS5460A 通过光耦转换电路与ARM的SPI通讯接口连接电路。

设计时应注意：

✧CS5460A芯片不能直接测量电力线上的大电压和大电流，必须经过采样电路

转换成小电压、小电流信号；

✧CS5460A的电源由PXA270实验箱扩展接口中的5V电源提供；

✧CS5460A芯片的工作电压为5V，而PXA270处理器的工作电压为3.3V，因

此，在两者连接之间需进行电平转换；

✧为防止实验箱受到电力线上的大信号的损害，在电能计量模块与实验箱连接

线路上应加上隔离装置。

本电能表系统还包括核心处理器模块、存储模块、显示模块、键盘模块等。设计如下：

存储模块用于数据的存储，保证掉电不丢失。SD卡Flash除了保存所测得的电能数据之外，还要保存电能表系统用到的硬件驱动程序和用户应用程序。