系统实现 - 基于GPRS的电能质量在线监测系统设计

　　2 系统实现

　　2. 1 监测终端的硬件结构

　　监测终端主要测量系统电压波动、短时闪变和长时闪变;测量50 次以内谐波电压和谐波电流的含有率、电压和电流总谐波畸变率;测量三相电压、电流基波的幅值和相位，以及正序、负序、零序分量的幅值、相位和不平衡度;测量系统电压偏差和频率偏差。它具有友好的人机交互功能，用户可方便地得到相关的信息;具有远程传输功能，服务于更高层的信息管理和分析系统。

　　终端监控单元主要由中央处理单元(MCU)、数据采集电路和GPRS 模块构成，如图2 所示。

　　MCU 采用S3C2410 微处理器，基于ARM920T 内核的32 bit RISC CPU，采用5 级指令流水线，处理器运行时的时钟频率最高可达到203 MHz; 片内主要有SDRAM控制器、3 通道的UART、4 通道的DMA、4 个具有PWM 功能的计时器和1 个内部时钟、8 通道10 bit A/D、触摸屏接口和I2C 总线接口等，具有MMU 功能，适合移植Linux 操作系统;具有低功耗、高性能的特点。

　　S3C2410 芯片使用2 片容量为32 MB、16 bit 的HY57V561620B 芯片，构成容量为64 MB、32 bit的SDRAM 存储器，主要用作程序的运行空间及中间数据的保存，系统初始化后程序代码调入SDRAM 运行，可提高模块的处理速度; 容量为2 MB的NOR Flash 芯片SST39VF3601 用于存放引导程序;容量为64 MB 的NAND Flash 芯片K9F120810B 主要用于存放程序代码、常量表，以及一些在系统断电后需要保存的用户数据等。

 

图2 电能质量监测终端硬件结构图

　　三相电流经过电流互感器(CT)，三相电压经过电压互感器(PT)后转换到适合的范围，再经过滤波及信号调理。由于谐波分析的范围为2 ～ 50次谐波，设置了有源二阶低通滤波器，滤除信号中高于50 次的谐波，以免出现混叠现象，发生测量误差。ADS7864 是一种高速、低功耗、6 通道、同时采样保证无失码的双12 bit A/D 转换器。它包含2 个同时工作的12 bit A/D 转换器，可以将转换结果分别存放在6 个寄存器中，6 个通道转换完后，由MCU 顺序读出转换结果，然后再进行下一次采样、转换［4］。电信号由A/D 采样芯片ADS7864 进行同步采样、保持、A/D 转换成数字信号，送入主芯片S3C2410 进行计算、数据处理、存储数据和传输数据，再把实时计算结果送到LCD 显示，并把超标数据存储在NAND Flash 存储器里。

　　在MCU 中，对采集到的周期性非正弦电量进行傅里叶(FFT) 级数分解，可得到基波分量和大于基波频率的谐波分量，由FFT 运算得到基波的幅值和相位，以及各次谐波的幅值和相位，求出三相电压的正序、负序分量，确定三相不平衡度，得到电压有效值、电流有效值、有功功率、无功功率、功率因数、频率、电压波动和电压短时闪变等计算结果。

　　采用GPRS 模块的MC55 实现采集数据的远程传输，是一款内部带有TCP /IP 协议栈的模块，目前广泛运用于智能公交、无线数据传输和远程无线抄表等系统中，可在－ 20 ～ 70 ℃的环境下正常工作，功耗低、可靠性高、性价比高。由于MC55 模块内嵌TCP /IP 协议栈，对用户屏蔽了传输层、网络层及数据链路层，用户可直接对应用层进行软件开发，降低了设计的复杂度，同时提高了控制器处理其他数据的能力。MC55 与S3C2410可以通过标准的串口直接相连，如图3 所示。

 

图3 GPRS 模块与S3C2410 连接图

　　由于MC55 模块串口部分的逻辑电平为+ 2. 65 V，不能直接与S3C2410 的+ 3. 3 V 串口相连，需要加逻辑电平转换电路。该设计在其各引脚电路中都串接了一个100 Ω 的电阻，以实现两者串口电平的匹配。模块的RING0 口与S3C2410 的UCLK 引脚相连，当数据到来时用来通知控制器，作为数据传输的中断信号。