基于DSP+ARM构架的嵌入式电能质量监测装置的解决方案

ADS8364是一种高速、低功耗、六通道同步采样和转换的十六位模数转换器，采用+5V 工作电压。80dB共模抑制的全差分输入通道。还包括六个4μs连续近似的模数转换器，六个差分采样放大器， 带REFIN和REFOUT引脚的内部+2.5V 参考电压，以及高速并行接口。六个模拟输入分为三组（A，B和C），每个输入端有一个ADCs 和保持信号用来保证几个通道能同时进行采样和转换。差分输入范围可从-VREF 到+VREF 之间变化[6]。本文采用ADS8364主要是对风电场的三相电压电流以及风速风向进行采样，并将采样数据送给DSP进行实时分析处理，ADS8364的采样频率为*KHz，每周波采样256个点。

2.2.2 数字信号处理模块TMS320F2812

DSP具有程序和数据分开的哈佛结构，流水线操作功能，单周期完成乘法的硬件以及一套适合数字处理的指令集，由其组成的系统能够进行实时的频谱分析，提高了测量精度。本文采用的DSP芯片是TI公司最新推出的TMS320F2812。该芯片是目前国际市场上最先进、功能最强大的32位定点DSP芯片，是基于TMS320Cxx内核的定点数字信号处理器。与F24系列数字处理器相比，F2812数字信号处理器提高了运算的精度（32位）和系统的处理能力(150MIPS) 。该数字信号处理器还集成了128KB的FLASH存储器，4KB引导ROM，数字运算表以及2KB的OTP ROM，从而大大改善了应用的灵活性。16通道高性能 12位ADC单元提供了两个采样保持电路，可以实现双通道信号同步采样。本文中的TMS320F2812主要完成启动ADS8364工作，完成系统采样，对采样数据进行实时分析处理，进行各电能质量指标计算，并将计算结果送与ARM系统显示，便于用户操作管理。

2.2.3 显示管理模块ARM系统s3c2410

S3C2410是Samsung公司推出的16/32位RISC处理器，CPU 主频206MHz ，标准配置为夏普256K色240x320/3.5英寸TFT液晶屏，带触摸屏，支持Linux，WINCE和EPOC32。提供Linux 内核下的符合ISO7816 和EMV2000 的智能卡驱动模块和符合ISO14443 A/B 和Mifare 系列非接触智能卡驱动模块。其小体积、低功耗、高性能的特点为风电场便携式电能质量监测装置的设计提供了方便。本文中ARM系统s3c2410主要实现基本控制单元的调度与控制，将数据进行统计、存储、通讯及人机对话等功能。

3 算法实现

DSP子系统主要完成实时数据的采集和计算，同时响应ARM子系统的通信请求，把各种计算结果和信息报告给ARM，而ARM子系统执行整个系统的控制和管理，在需要数据的时候，向DSP子系统发出通信请求，获取各种数据和信息。这样一来大量的实时采样和计算与系统的管理和控制就可以并行执行，通过通信使双方在任务执行上同步。软件设计主要包括DSP芯片的软件设计和ARM芯片的软件设计两部分。

图2 DSP软件程序流程图 图3 各指标运算流程

3.1 DSP软件设计

DSP软件采用C语言和汇编语言混合编程方式，其软件设计主要包括完成数据采集、

电能质量算法和数据分析程序。F2182通过定时器中断启动Ａ/Ｄ转换过程，中断周期被设置为每周波256点，通过双缓冲池来管理实时数据。数据分析主要包括谐波分析和实时检测信号的峰值、有效值等信息，以判断过欠压、振荡等电能质量问题。本系统采用深圳市风标数码科技有限公司提供的XDS510USB2.0仿真器，它可以通过USB接口直接与PC机相连接，在CCS集成开发环境下通过JTAG接口，调试烧写程序，其程序流程如图2所示。

本设计中需要监测和计算的量有：电压有效值、电流有效值、有功功率、无功功率、功率因数、电压波动、谐波分析、闪变计算等，运算流程如图3所示。

其中计算谐波时目前根据要求只计算到19次谐波，截止频率分别选择为1kHz和40Hz。闪变计算所需的数据为所存储的10分钟中的数据中进行抽样获得，10分钟的数据需实时更新。对得出瞬时闪变视感度S(t)恒速采样，得出累积概率函数，最后计算出短时间闪变值Pst。

3.2 ARM芯片软件设计

ARM软件采用C语言编程方式，其软件设计主要包括完成与DSP的通信，给DSP索要数据的命令，并接收传来的数据，将电能质量参数值以波形曲线、柱状图等形式实时显示出来，便于用户操作与控制。ARM主线程程序流程图如图4所示，与DSP的通讯子线程流程图如图5所示。

图4 ARM主线程程序流程图 图5通讯子线程

其中，ARM向DSP索要数据传输时，DSP采用中断的工作方式，将处理的数据送与ARM统计、存储与显示。

4 结论

在借鉴已有设备的功能和特性的基础上，利用DSP+ARM的新型嵌入式系统结构实现实时信号处理能力，完全满足风电场的电能质量监测和谐波闪变分析的需要。其次，为了符合电能质量监测网络的建设要求，运用当前先进的嵌入式网络接