基于GPRS的電能質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

　　2. 1 監(jiān)測(cè)終端的硬件結(jié)構(gòu)

　　監(jiān)測(cè)終端主要測(cè)量系統(tǒng)電壓波動(dòng)、短時(shí)閃變和長(zhǎng)時(shí)閃變;測(cè)量50 次以內(nèi)諧波電壓和諧波電流的含有率、電壓和電流總諧波畸變率;測(cè)量三相電壓、電流基波的幅值和相位，以及正序、負(fù)序、零序分量的幅值、相位和不平衡度;測(cè)量系統(tǒng)電壓偏差和頻率偏差。它具有友好的人機(jī)交互功能，用戶可方便地得到相關(guān)的信息;具有遠(yuǎn)程傳輸功能，服務(wù)于更高層的信息管理和分析系統(tǒng)。

　　終端監(jiān)控單元主要由中央處理單元(MCU)、數(shù)據(jù)采集電路和GPRS 模塊構(gòu)成，如圖2 所示。

　　MCU 采用S3C2410 微處理器，基于ARM920T 內(nèi)核的32 bit RISC CPU，采用5 級(jí)指令流水線，處理器運(yùn)行時(shí)的時(shí)鐘頻率最高可達(dá)到203 MHz; 片內(nèi)主要有SDRAM控制器、3 通道的UART、4 通道的DMA、4 個(gè)具有PWM 功能的計(jì)時(shí)器和1 個(gè)內(nèi)部時(shí)鐘、8 通道10 bit A/D、觸摸屏接口和I2C 總線接口等，具有MMU 功能，適合移植Linux 操作系統(tǒng);具有低功耗、高性能的特點(diǎn)。

　　S3C2410 芯片使用2 片容量為32 MB、16 bit 的HY57V561620B 芯片，構(gòu)成容量為64 MB、32 bit的SDRAM 存儲(chǔ)器，主要用作程序的運(yùn)行空間及中間數(shù)據(jù)的保存，系統(tǒng)初始化后程序代碼調(diào)入SDRAM 運(yùn)行，可提高模塊的處理速度; 容量為2 MB的NOR Flash 芯片SST39VF3601 用于存放引導(dǎo)程序;容量為64 MB 的NAND Flash 芯片K9F120810B 主要用于存放程序代碼、常量表，以及一些在系統(tǒng)斷電后需要保存的用戶數(shù)據(jù)等。

圖2 電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)終端硬件結(jié)構(gòu)圖

　　三相電流經(jīng)過電流互感器(CT)，三相電壓經(jīng)過電壓互感器(PT)后轉(zhuǎn)換到適合的范圍，再經(jīng)過濾波及信號(hào)調(diào)理。由于諧波分析的范圍為2 ～ 50次諧波，設(shè)置了有源二階低通濾波器，濾除信號(hào)中高于50 次的諧波，以免出現(xiàn)混疊現(xiàn)象，發(fā)生測(cè)量誤差。ADS7864 是一種高速、低功耗、6 通道、同時(shí)采樣保證無失碼的雙12 bit A/D 轉(zhuǎn)換器。它包含2 個(gè)同時(shí)工作的12 bit A/D 轉(zhuǎn)換器，可以將轉(zhuǎn)換結(jié)果分別存放在6 個(gè)寄存器中，6 個(gè)通道轉(zhuǎn)換完后，由MCU 順序讀出轉(zhuǎn)換結(jié)果，然后再進(jìn)行下一次采樣、轉(zhuǎn)換［4］。電信號(hào)由A/D 采樣芯片ADS7864 進(jìn)行同步采樣、保持、A/D 轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，送入主芯片S3C2410 進(jìn)行計(jì)算、數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和傳輸數(shù)據(jù)，再把實(shí)時(shí)計(jì)算結(jié)果送到LCD 顯示，并把超標(biāo)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在NAND Flash 存儲(chǔ)器里。

　　在MCU 中，對(duì)采集到的周期性非正弦電量進(jìn)行傅里葉(FFT) 級(jí)數(shù)分解，可得到基波分量和大于基波頻率的諧波分量，由FFT 運(yùn)算得到基波的幅值和相位，以及各次諧波的幅值和相位，求出三相電壓的正序、負(fù)序分量，確定三相不平衡度，得到電壓有效值、電流有效值、有功功率、無功功率、功率因數(shù)、頻率、電壓波動(dòng)和電壓短時(shí)閃變等計(jì)算結(jié)果。

　　采用GPRS 模塊的MC55 實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸，是一款內(nèi)部帶有TCP /IP 協(xié)議棧的模塊，目前廣泛運(yùn)用于智能公交、無線數(shù)據(jù)傳輸和遠(yuǎn)程無線抄表等系統(tǒng)中，可在－ 20 ～ 70 ℃的環(huán)境下正常工作，功耗低、可靠性高、性價(jià)比高。由于MC55 模塊內(nèi)嵌TCP /IP 協(xié)議棧，對(duì)用戶屏蔽了傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層及數(shù)據(jù)鏈路層，用戶可直接對(duì)應(yīng)用層進(jìn)行軟件開發(fā)，降低了設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，同時(shí)提高了控制器處理其他數(shù)據(jù)的能力。MC55 與S3C2410可以通過標(biāo)準(zhǔn)的串口直接相連，如圖3 所示。

圖3 GPRS 模塊與S3C2410 連接圖

　　由于MC55 模塊串口部分的邏輯電平為+ 2. 65 V，不能直接與S3C2410 的+ 3. 3 V 串口相連，需要加邏輯電平轉(zhuǎn)換電路。該設(shè)計(jì)在其各引腳電路中都串接了一個(gè)100 Ω 的電阻，以實(shí)現(xiàn)兩者串口電平的匹配。模塊的RING0 口與S3C2410 的UCLK 引腳相連，當(dāng)數(shù)據(jù)到來時(shí)用來通知控制器，作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹袛嘈盘?hào)。