基于嵌入式电网智能监控器
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【摘要】本文在介绍ADE7758多功能电能计量芯片特性的基础上，提出一个电网监测系统设计方案。该方案以计量芯片ADE7758进行电量传感信号处理及传输，以ARM9处理器S3C2440作为系统硬件平台，设计了电量检测系统软件。对ADE7758的校准进行了研究，并用三相精密测试电源对系统的测量精度进行了实验论证。实验结果表明：该仪表具有较高的测量精度，维护简便、通信实时、可靠性高等优点。可以满足电能测量的精度要求以及电力设备实时监控方面的要求。
1.方案设计
基于嵌入式电网智能监控器包括硬件和软件两个部分。系统以电能计量芯片ADE7758为核心作为测量传感器的信号处理及传输前端，以ARM9处理器S3C2440为TQ2240系统控制器平台。系统以嵌入式微处理器为核心的监控设备，实现实时采集用户的用电数据和监控计量设备运行情况，并及时向系统主站传送数据、接收执行主站的远程控制命令、拉合闸控制等功能。该系统具有远程控制、远程集中采集数据、防窃电以及强大的数据管理功能，整个系统是主要由计量模块、主控模块、显示模块、时钟模块、通信模块、计量回路选通模块组成，如图1所示。
图1 系统结构框图
2.S3C2440微处理器
本控制器的设计是采用Samsung公司生产的ARM9系列S3C2440芯片来作为保护装置的主CPU，让其承担实时数据的采集，完成保护算法和实现继电保护等主要功能，使装置的整体性能有了较大提高。S3C2440以其极低的功耗和丰富的片内资源在嵌入式系统领域获得了广泛的应用。S3C2440片内，主频400MHz（最高可达533MHz）板载64MB SDRAM（标准配置）可根据用户需要扩展到128MB。32bit数据总线SDRAM，100MHZ（支持稳定运行133MHz），板载256MB Nand Flash，掉电非易失，有容乃大。板载2MB Nor Flash（最高可升级到8MB）。板内集成S3C2440芯片，通过把SPI通信传输过来的数据，进行处理，再通过显示屏显示。本文采用搭载S3C2440的嵌入式开发板TQ2440进行系统设计。系统硬件结构框图如图2所示。
图2 硬件结构框图
3.ADE7758介绍
ADE7758是一种高精度的电能计量芯片，支持三相三线和三相四线制接法，在l000：1的动态范围内的误差小于0.1%，提供三相有功、无功、视在电能、电压、电流有效值等处理值。ADE7758计量单元完成A/D转换和数据处理，然后通过SPI接口将处理后的数据传送到S3C2440，将ADE7758获得的数据进一步分析处理，实时地将数据送到液晶屏显示。为了保证电网的安全运行和监测的实时性，系统采用无线通信技术将实时检测到的电网故障信息发送到上位机接收终端。可以通过232通信和无线通信2种途径将仪表中的历史故障记录导出。继电器输出用于故障发生时驱动功率大的扬声器进行报警。
ADE7758模块主要包括电压和电流的前置电路，驱动ADE7758芯片工作的硬件电路，SPI通信接口。芯片内置AD转换电路，把采集到的电压和电流通过AD转换后，再通过SPI通信传输到开发板的CPU进行处理。
4.软件设计
在系统各部分功能的实现过程中，软件设计是智能化测量仪器的关键部分，主要包括操作系统软件和应用程序两部分。软件设计的成功与否关系到整个系统能否具有使用灵活、操作简便、可靠性强等优点，而经过良好设计的软件能够做到在较少地改变硬件电路的情下，很方便地改变系统的功能，这就对软件的设计提出了较高的要求。本系统的软件部分采用模块化设计，可以提高单片机的效率，同时也增强了程序的可读性和查找错误的方便性。单片机上电后首先进行自身的初始化设置，然后再对ADE7758进行初始化。
图3 启动代码的流图
ADE7758的软件设计主要是CPU对它的初始化和数据读写操作等ADE7758的所有功能都是通过读写片内寄存器来实现的，即ADE7758的各种设定和操作主要是对其寄存器的读和写。在对ADE7758进行设置时，要注意OPMODE寄存器的SWRST位的操作，如果该位放置为l，则至少等到18us后才能对其他寄存器进行配置，否则将不能正确配置。在中断中实施对ADE7758的读操作，由于ADE7758内部有中断状态寄存器和中断屏蔽寄存器，所以可以灵活地设置需要的信息进行中断处理。在对数据进行读写操作之前，必须有一个ADE7758内部通信寄存器的操作，即所有的数据操作，无论是读数据还是写数据，必须以一个写通信寄存器的操作开始。芯片上电后，CS下降沿把ADE7758置为通信模式。在通信模式下，第一个数据在被写入通信寄存器后，它包括了下一个数据的操作性质（读/写）和地址。数据读写完成后，ADE7758再次进入通信模式。
4.1 系统启动代码的流图（如图3所示）
4.2 ADE7758软件流程图
MMU测量部分的主程序主要完成必要的初始化，判断采集ADE7758的测量数据，判断缺相情况对ADE7758的工作状态重新设定。ADE7758初始化完成对ADE7758的初始设置，实际上就是初始值都写入ADE7758相应的寄存器中，初始化在系统复位后被调用。
图4 ADE7758软件流程图
5.结束语
本系统的设计采用ADI公司电能计量芯片ADE7758和ARMTQ2440为核心处理器件，设计了电网监控系统的总体方案。本仪器在设计过程中，充分利用了ARM的硬件资源，并尽可能采用软件代替硬件，使仪器的硬件可靠性高、结构简单、成本低廉。详细介绍了硬件电路的设计和实现。围绕ADE7758电路设计，介绍了计量电路原理；然后介绍了ARM9显示、串行接口等电路的设计，并对相关硬件在PCB图完成后进行了调试。实验结果表明，该监控系统的应用，可大大减少窃电及用电设施被破坏事件的发生，同时也提高了用电管理部门的运营效率，降低维护成本，提高设备的利用率。采用嵌入式系统和GPRS数据通讯的网络化智能监控系统，具有操作简便，性价比高，可靠性高，可移植性强等优点，是目前很有潜力的应用无线数据采集方案，能直接嵌入到相应的测控设备中，具有很广阔的应用前景。
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