基于Cortex-A8的电能质量监测系统的设计

康迪，荆婷婷

(石家庄信息工程职业学院，河北石家庄050035)

基于Cortex-A8的电能质量监测系统的设计

康迪，荆婷婷

(石家庄信息工程职业学院，河北石家庄050035)

严格按照IEC和电能质量国家标准，针对现在国家电力行业面临的现实性问题提出了一套基于Cortex_A8的嵌入式电能质量检测系统，对电网质量实现精准高效的检测分析。经过实验验证，本设计可以完成对电流质量、电压质量、供电和用电质量的检测，具有一定的推广价值。

电能质量；嵌入式；Cortex_A8

电能产业是衡量一个国家工业化水平的标准之一。我国是一个电能大国，拥有丰富的电力资源。但是一方面我国的电能种类繁多，随着以风能发电和太阳能发电等分布式能源的并网发电，使得电能的种类更加繁复，严重降低了电网电能的质量。同时大量半导体、非线性设备的使用，也使得电能质量进一步恶化。另一方面人们逐渐追求高水平的生活方式，对电能的质量要求越来越高。

改善提高电能质量的前提是实现对电能质量的精准高效的检测。传统的电能质量检测系统主要有以下三种：

(1)基于采集卡和工控机：这是最早的电能检测系统的模型，该模型虽然具有检测精度高、采集能力强并且具有较好的人机交互功能，但是该模型成本高、体积较大，不适合现场的应用。

(2)基于单片机：基于单片机的电能质量检测系统克服了最初的体积大、成本高的缺点，但是单片机处理能力比较差，不能应用于运算量大的系统之中。

(3)基于数字信号处理DSP：DSP发展已经成熟，具有较好的运算能力，解决了单片机处理能力差的缺点，但是DSP难于控制，不能满足高控制需求的系统。通过综合的考虑，本设计采用基于控制能力更强的Cortex-A8超标量处理器结合DSP处理的电能质量检测系统。

1 系统的整体设计

电能质量检测系统是以计算机应用技术、数据库技术、网络通信技术等技术为依托的，结合电网实际工作中各个监测点所构成的一个检测系统，该系统可以实现对电网各项电能质量的技术指标(主要包括：供电压偏差、公用电网谐波、三相电压不平衡度等)的实时在线检测，从而获得最新最精确的信息，为改善电网质量提供可靠的信息来源。

本设计采用Cortex_A8处理器作为控制的核心[1]，并且借用DSP的处理能力实现处理与控制的完美结合。本设计的整体框架如图1所示。

图1 系统整体硬件设计

2 硬件系统电路设计

系统的主要设计部分为硬件系统模块的设计。本设计的硬件系统模块主要可以分为前端信号调理模块、数据采集模块和Cortex-A8核心控制模块三部分组成，下面将要对着三部分进行详细介绍。

2.1 前端信号调理

由于本设计是基于家庭电压设计，最高峰值电压能够达到320 V，所以需要添加电压调理电路使得电压达到AD能够采集的范围。本设计采用电压互感器把电压降到5 V范围内，使得六通道同步采集AD可以正常工作。该电路采用ACS758LCB-100B型霍尔电流传感器，并且在电路的前端添加瞬间电压抑制二极管以保护传感器。具体的电路实现如图2所示。

图2 电压调理电路

对于电流仍旧需要调理电路，对于该调理电路采用征能ES008钳形电流互感器，该互感器精度小于0.5级，在220，380 V供电线路均可以使用，该互感器匝比为2500∶1，可以放大电流达到2 500倍，符合设定标准。此外，在电路中还设定了起滤波作用的电容C，以净化电路环境。具体电路图如3所示。

2.2 数据采集与处理电路

图3 电流调理电路

数据采集与处理是检测系统的重要信息来源。数字信号处理DSP用于计算各种电能质量参数，本设计采用TMS320F2812作为主芯片的32位DSP处理器。加快了处理的速度，能够满足处理的实时性需要。

DSP在系统中主要的功能是进行采集电信号、检测各种物理量并进行计算。同时还要完成与Cortex-A8实现计算的结果以及实时数据信息的同步传输。结合AD之后DSP的主要数据采集电路图如图4所示。

图4 数据采集电路

3 Cortex-A8核心控制电路

3.1 Cortex-A8简要选择说明

Cortex-A8是第一款基于ARMv7结构的处理器，是有史以来关于ARM开发性能最高的、最具有效率的处理器。该芯片能够满足工作在300mW以下的所有移动设备的控制需求，是一类超标量处理器。Cortex-A8能够有效的提高代码密度和性能，符合多媒体和信号控制的应用要求。现在被广泛应用于工业控制、节能环保、智能交通、电力系统以及通讯系统等，并且具有良好的抗干扰性和适应恶劣环境的优点。

3.2 存储电路设计

由于Cortex-A8本身不带有ROM存储，所以需要采用外部的ROM存储。本设计采用两片23M的SDRAM连接形成32位SDRAM的存储结构。SDRAM与传统的FLASH存储相比运行速度快很多，一般的系统设计通常使用SDRAM作为程序的运行空间、堆栈和数据存储。总容量为64M的SDRAM完全能够实现系统程序和数据的存储运行需求。

3.3 调整电路设计

由于Cortex-A8核心板的供电电压要求严格，需要在3.3 V，而由开发板所提供的电源为5 V，所以需要利用一个调理电路来对电路电压进行调整控制。具体的稳压调整电路实现如图5所示。

图5 稳压调整电路

3.4 SPI接口与串口的设计

芯片共有三个串口分别是[2]：调试串口，主要用于程序的调试工作；通信串口，主要完成无线电的通信；最后一个是备用串口，用以当其他两个串口出现故障的时候备用。SPI口的电路通过4个管脚与模拟板相连接，分别是主入从出、主出从入、片选与时钟。系统中还有三个通道的UART，他们都可基于终端模式或者DAM模式进行工作。并且支持5/6/7/8位的串行数据接收/发送。

4 Cortex-A8模块的软件设计

系统完成初始化之后就开始按照任务的优先级从高到低进行处理。具体的软件流程如图6所示。

图6 Cortex-A8软件流程图

5 结语

本设计是一套基于Cortex-A8的电能质量检测系统，主要从电网电能质量信息采集、电能质量信息处理分析以及对分析结果进行相应的控制等三个方面着手，充分发挥Cortex-A8核心控制处理器的优点，实现了普通家用情况下的电能质量检测任务。同时本系统还能与PC上位机相连接，可以进一步拓展系统的智能化控制功能。

[1]全国电压电流等级和频率标准化技术委员会.电压电流频率与电能质量国家标准应用手册[S].北京：中国电力出版社，2001.

[2]周立功.深入浅出ARM 7-LPC213X/214X[M].北京：北京航天大学出版，2005.

Design of powerqualitymonitoring system based on Cortex-A8

KANG Di，JING Ting-ting
(Shijiazhuang Information Engineering VocationalCollege，Shijiazhuang Hebei050035，China)

In accordance w ith the IEC and national standard of power quality，the embedded power quality detection system was designed based on Cortex_A8 according to the reality problem of the nationalelectric industry.The exact and efficient detection and analysis for power quality was achieved.Through the experiment，this system can comp lete the detection of the current quality，voltage quality，power and supp ly quality，and italso has the value of popularization.

power quality;embedded;Cortex_A8

TM 206

A

1002-087 X(2016)07-1513-02

2016-05-10

康迪(1981—)，女，河北省人，讲师，本科，主要研究方向为电子信息技术。