電氣嵌入式作業(yè)

1、中國(guó)地質(zhì)大學(xué)長(zhǎng)城學(xué)院 嵌入式操作系統(tǒng)及Linux結(jié) 課 作 業(yè)題目 嵌入式系統(tǒng)在電網(wǎng)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用 系 別 信息工程系 專 業(yè) 電氣工程及其自動(dòng)化 學(xué)生姓名 王森 學(xué) 號(hào) 04309220 2012年 11月 27日摘要 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展、生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化水平的提高，用戶對(duì)電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的要求越來(lái)越高，對(duì)供電系統(tǒng)的監(jiān)控和管理已成為保障企業(yè)生產(chǎn)、居民生活的重要因素。減少故障停電時(shí)間及次數(shù)，確保供電的可靠性、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電網(wǎng)參數(shù)、改善電網(wǎng)質(zhì)量，是供電系統(tǒng)自動(dòng)化的主要任務(wù)。但由于早期的電力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)特性差，在整個(gè)電力網(wǎng)絡(luò)中系統(tǒng)之間難以完成電力數(shù)據(jù)的通信，從而影響到整個(gè)電網(wǎng)的質(zhì)量檢測(cè)及優(yōu)化控制。針對(duì)以上問(wèn)

2、題，為了保證電網(wǎng)的安全運(yùn)行，了解電網(wǎng)運(yùn)行狀況，需要對(duì)電網(wǎng)的各種運(yùn)行參數(shù)(如三相電壓、電流、有功功率、無(wú)功功率等)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。嵌入式遠(yuǎn)程電網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將現(xiàn)代計(jì)算機(jī)、通信、網(wǎng)絡(luò)及自動(dòng)化技術(shù)融為一體，對(duì)配電網(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、協(xié)調(diào)和控制，從而優(yōu)化配電網(wǎng)絡(luò)。利用以太網(wǎng)的豐富資源及UBICOM公司高速單片機(jī)SX52BD構(gòu)建分布式以太網(wǎng)嵌入測(cè)控系統(tǒng)是一種低成本、高可靠且快捷的技術(shù)方案。1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。監(jiān)控中心工作人員可通過(guò)以太網(wǎng)直接訪問(wèn)分布在各監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)測(cè)儀，了解各電網(wǎng)的運(yùn)行狀況，從而采取相應(yīng)措施。電網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的核心部件是嵌入式電網(wǎng)監(jiān)測(cè)儀，與PC機(jī)+網(wǎng)卡+采集卡的以太網(wǎng)測(cè)控系統(tǒng)相比成本

3、大為降低，實(shí)現(xiàn)了嵌入式系統(tǒng)的大眾化、普及化。2嵌入式電網(wǎng)監(jiān)測(cè)儀的結(jié)構(gòu)功能 電網(wǎng)監(jiān)測(cè)儀對(duì)電網(wǎng)上的電壓、電流信號(hào)進(jìn)行采樣和數(shù)據(jù)處理，在一定時(shí)間里保存數(shù)據(jù)，具體功能如下： (1)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)三相電壓VA、VB、VC和四相電流IA、IB、IC和I0； (2)監(jiān)測(cè)A、B、C三相功率因素； (3)通過(guò)RJ45接口與以太網(wǎng)通信； (4)保存整點(diǎn)時(shí)刻的電壓、電流數(shù)據(jù)、功率因素，保存月統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)； (5)用數(shù)碼管顯示，使用戶可以在現(xiàn)場(chǎng)查看和設(shè)置儀表的運(yùn)行參數(shù)及歷史記錄。 該電網(wǎng)監(jiān)測(cè)儀結(jié)構(gòu)如圖2所示。主要由單片機(jī)、電壓電流采樣模塊、功率因素監(jiān)測(cè)模塊，、以太網(wǎng)接口模塊等組成。完成對(duì)電網(wǎng)參數(shù)的監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理、數(shù)據(jù)顯示及

4、電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)顯示等功能。2.1單片機(jī) 單片機(jī)模塊是整個(gè)電網(wǎng)監(jiān)測(cè)儀的核心。主要完成兩大功能：(1)數(shù)據(jù)采集和處理；(2)實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)的接入。將經(jīng)過(guò)電壓電流監(jiān)測(cè)模塊得到的三相實(shí)時(shí)電壓、三相實(shí)時(shí)電流和中線電流進(jìn)行處理；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可通過(guò)RJ45接口傳給以太網(wǎng)，使監(jiān)控中心及時(shí)得到電網(wǎng)的相關(guān)參數(shù)；同時(shí)電網(wǎng)監(jiān)控軟件根據(jù)測(cè)試參數(shù)判斷電網(wǎng)運(yùn)行狀況，電壓是否越限或過(guò)低等。 單片機(jī)選用UBICOM公司的8位超高速單片機(jī)SX52BD，每秒運(yùn)行數(shù)據(jù)能力達(dá)1億次。由于UBICOM單片機(jī)的速度極高，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)多任務(wù)操作，可以在MCU執(zhí)行數(shù)據(jù)采集和控制功能的同時(shí)把數(shù)據(jù)打包并傳送到互聯(lián)網(wǎng)上。用8位微控制器通過(guò)ISP接入互聯(lián)網(wǎng)

5、，外圍器件少，系統(tǒng)成本低。UBICOM單片機(jī)屬RISC結(jié)構(gòu)，芯片上有Flash程序存儲(chǔ)器，可以在安裝到系統(tǒng)后進(jìn)行編程和調(diào)試。由于CPU采用并行流水作業(yè)方式，執(zhí)行一條指令只需要一個(gè)時(shí)鐘周期，工作在100MHz時(shí)指令執(zhí)行速度可達(dá)100MIPS，所有IO可以通過(guò)編程靈活配置。 SX52BD單片機(jī)可以輕松地實(shí)現(xiàn)虛擬外設(shè)的功能。CPU通過(guò)執(zhí)行虛擬軟件模塊直接驅(qū)動(dòng)普通I0口實(shí)現(xiàn)硬件外設(shè)功能(如UART、I2C、SPI、Caller ID、FSK等)。即把許多需要硬件實(shí)現(xiàn)的功能接口，借助處理器的高速處理能力，通過(guò)編寫(xiě)相應(yīng)的軟件模塊實(shí)現(xiàn)。UBICOM公司用匯編語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)了以太網(wǎng)TCPIP協(xié)議棧。在外接一個(gè)以太網(wǎng)

6、控制芯片(RTL8019AS)的情況下還可以實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)(1EEE8023)協(xié)議處理，使該單片機(jī)系統(tǒng)可以直接通過(guò)RJ45連到以太網(wǎng)上。2.2電壓電流采樣模塊 根據(jù)采樣信號(hào)的不同，可分為直流采樣與交流采樣兩大類。直流采樣是把交流電壓、電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為O5V的直流電壓，再送到AD轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。即AD轉(zhuǎn)換器采樣的模擬量為直流信號(hào)。它的主要特點(diǎn)是：數(shù)據(jù)刷新速度快，隨著元器件技術(shù)的發(fā)展，穩(wěn)定度、精確度大為提高。 交流采樣是相對(duì)直流采樣而言，直接對(duì)交流電壓和電流波形進(jìn)行采樣，然后通過(guò)一定的算法計(jì)算出電壓、電流的有效值、有功功率、無(wú)功功率等。交流采樣對(duì)環(huán)境溫度有一定要求，同時(shí)對(duì)AD轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度和采樣保持器

7、要求較高；為了保證測(cè)量精度，一個(gè)周期內(nèi)，必須保證足夠的采樣點(diǎn)數(shù)，而且采樣計(jì)算程序相對(duì)復(fù)雜，對(duì)CPU要求較高，因此該儀器采用直流采樣。其工作原理如圖3所示。2.3功率因素檢測(cè)模塊 功率因素檢測(cè)模塊有兩大功能：(1)判別電壓是超前還是滯后電流；(2)判別功率因素大小。具體相關(guān)電路如圖4所示。當(dāng)電壓超前電流時(shí)，U15B輸出為“1”；反之輸出為“0”。電壓、電流的正弦波形分別經(jīng)過(guò)零比較器后(電路忽略)轉(zhuǎn)換為方波，輸入24譯碼電路。譯碼電路只有當(dāng)A、B信號(hào)為“01”或“10”時(shí)，X端口才輸出Vref，對(duì)積分電路充電；當(dāng)A、B信號(hào)為“00或“11”時(shí)，輸出端口為零。而A、B信號(hào)為“01”或“10的時(shí)間正是

8、電壓、電流相位差的時(shí)間。時(shí)間越長(zhǎng)，對(duì)電容C23充電的時(shí)間也越長(zhǎng)。因此，電容上的電壓反映了相位差的大小。CPU經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理可確定功率因素的大小。2.4以太網(wǎng)接口模塊 以太網(wǎng)接口模塊選用RealTek公司的RTL8019AS全雙工以太網(wǎng)控制器，主要功能是處理以太網(wǎng)協(xié)議。它自帶16KB的SRAM，并通過(guò)RJ45接口與以太網(wǎng)通信。數(shù)據(jù)的流向?yàn)椋赫?qǐng)求信息從以太網(wǎng)來(lái)，通過(guò)RJ45送到RTL8019AS，處理后的數(shù)據(jù)包送人SX52BD協(xié)議棧，由協(xié)議棧對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析，得到原始請(qǐng)求信息。請(qǐng)求信息再經(jīng)過(guò)SX52BD的處理，產(chǎn)生回復(fù)信息。回復(fù)信息到以太網(wǎng)的過(guò)程與上述過(guò)程正好相反。3、結(jié)論隨著現(xiàn)代化電網(wǎng)的高速發(fā)展，電網(wǎng)