摘要：对于当前电网电能质量监测出现的问题,设计了一种针对DSP和ARM以及ZigBee无线传感网络技术的电网电能质量的监测系统,并且对当前系统架构进行了建立,硬件方案以及软件设计。
关键词：DSP ZigBee 电能 监测
伴随着工农业生产的飞速发展,多种非线性的负荷和非对称性以及冲击性用电设备得到了多方面的使用,这种情况出现了很多的谐波干扰,严重的对于电网电能自身的质量受到了严重的影响。所以,实时有效的去对电网自身的电能质量给予监测,其对于确保电力系统自身的安全和稳定运行有着一定的意义。当前的电网电能质量监测系统都是使用有线形式去对监测数据进行传输,其使得在一些比较特殊的环境条件下去进行布线产生了极大的困难, 并不容易进行需要的维护。对于上述产生的问题, 设计了将DSP和ARM与ZigBee无线传感网络技术作为基础的一种电网电能质量的监测系统,其能够对电网电能自身质量其智能的在线监测给予有效的实现。
1 系统架构
1.1 ZigBee技术
ZigBee技术可以说属于一种近距离和较低复杂度，还有低数据速率以及低功耗和低成本的一种双向的无线通信技术,其主要是使用IEEE802.15.4无线标准的新一代无线传感器的网络系统。ZigBee网络自身有着自动的组网和自动路由以及自愈的功能,其自身能够在工作在2.4GHz的免执照的频段,使用调频以及扩频技术有着时延短和节点容量比较大的优点。并且2.4GHz无线信号其自身在强磁场和高电压环境里的传播有着较强的性能,数据的传输能力非常强大的,自身有着较高的可靠性,可以说其实对电网电能质量无线组网监测给予实现的一种有效的处置方案。
1.2 系统原理
通过电压和电流传感器构成的电压电流的检测电路,把被检测的高电压和大电流信号去转变为适宜的A/D变换的小信号,其自身景观滤波之后将其送到A/D转换器完成模数的转换。DSP数字信号处置器去对A/D转换结果进行读取并同时去对有关电能的质量参数进行有效的分析，完成运算以及处理,处理的具体结果使用ZigBee无线传感网络去将其传送到ARM的控制模块中,使其能够完成对数据进行的处理存储以及显示,使得电能质量参数能够实时的被监测到。电网其自身的电能质量监测系统架构示意图。
图1 电网电能质量监测系统架构示意图
2 硬件设计
2.1 信号采集处理模块
信号采集的处理模块主要是通过电压电流去对电路和滤波电路以及A/D转换器电路与DSP数字信号处理器以及外围电路共同构成的。
SP数字信号处理器采用TI的TMS320F2812芯片，这是一款高性能，低功耗，32位定点数字信号处理器。最高150MHz的工作频率为在短时间内实时控制和完成复杂算法提供了充足的条件。高性能的32位CPU包括16×16位和32×32位乘法累加器操作。 ，16×16位双乘累加器，可完成64位数据处理，高精度处理任务。具有丰富的硬件资源，片上Flash，ROM，RAM，定时器，多用途通用输入输出接口GPIO和仿真接口JTAG。支持TI的eX-pressDSPTM实时开发技术，TMS320DSP算法标准和CCS集成开发环境，为软件开发提供便利的环境。凭借其强大的数据处理能力，算法优化可以提高测量精度，并且使用外设接口资源可以有效降低电路的复杂性。
电压电流检测电路采用南京奇华公司生产的VSM025A电压传感器和CS040G电流传感器。传感器产生的噪声干扰由一个二阶巴特沃斯低通滤波器进行滤波。 A / D转换器选用TI高性能模数转换器ADS8364，具有6通道同步采样的16位高速并行接口，具有2.5V基准电压，低功耗和高采样率。 ADS8364的6个通道用于采样三相交流电压和电流。 ADS8364的数据端口D0-15和EOC分别连接到DSP的数据端口D0-15和外部中断INT1。 ADS8364的时钟信号由DSP控制。 DSP响应ARM控制模块的指令，控制ADS8364执行A / D转换，读取转换数据，执行快速傅里叶变换（FFT）和相关的电能质量参数计算，实现电压和电流信号的采集和处理。
2.2 ZigBee无线收发器模块
ZigBee无线收发器得模块主要使用的是ZigBee芯片CC2530和CC2530其属于TI公司支持ZigBee协议的一种系统芯片,集微处理器以及无线收发器是融合在一体的,可以说其属于业界标准非常标准的一种增强型的8051MCU内核还有与IEEE802.15.4规范相一致的2.4GHz的无线收发器。其中还包含了定时器以及可选32/64/128/256KB的Flash存储单元,并且还对于串行通信的接口以及UART接口还有21个可编程I/O引脚给予了丰富,并对于硬件资源简化了电路设计给予了丰富,CC2530和DSP主要是通过其自身的不同的串口去完成所需要的数据传输。无线收发器电路主要使用的是CC2530数据手册里所提供的一种比较典型的应用电路,天线主要是选择PCB天线[2]。
2.3 ARM控制模块
ARM控制模块主要是通过键盘和LCD显示，以及存储器还有ARM芯片以及外围的电路共同的构成。其自身应该进行实现的功能主要有:使用ZigBee网络使其能够对DSP发送控制的指令,接收并且对DSP中进行传送的数据给予保存,同时还需要对于其自身接收到的电能质量的相关参数还有电能参数给予有效的显示。
系统使用三星公司进行生产的ARM9系列的S3C2440处置器芯片,S3C2440主要使用的是16/32位RISC的处理器,其自身主要有外部的存储器与控制器和LCD控制器，以及USB的控制器，还有SD接口，以及4通道DMA与3通道UART、2通道SPI和24个外部中断源以及超过130个I/0口,其自身比较丰富的硬件资源,使得外围电路在设计上得到了有效的简化。使用2GSD卡去对电能相关的参数进行储存,并且见咯4个按键以及4.3寸的TFT液晶屏主要为了满足人机交互的目的。
3 软件设计
系统软件主要使用模块化的设计方式,主要涉及到了信号的采集处理程序以及ARM的人机交互程序。
信号采集处置程序使用在DSP上,系统上电,其自身初始化的DSP运行环境,然后去对于相关的数据进行有效的采集,其对于采集的数据完成FFT变换和相关参数的计算,同时还需要把获得的结果进行有效的存储。判断其自身是不是能够收到数据发送的请求,假如其自身已经收到了请求那么就需要将数据使用ZigBee网络去进行有效的发送。
ARM人机交互程序的负责整体系统的管理以及相关的控制,系统上电,首先对CC2530和LCD显示器还有键盘等去进行初始化的处理,使用CC2530使其能够对DSP发送数据完成传送的指令。判断其自身是不是能够对数据进行接收,计入其自身已经接收到的数据可以将其保存在SD卡里并使用LCD对其给予所需要的显示。
4 结语
本文设计中的电网电能质量监测系统,所使用的DSP芯片TMS320F2812将其当成是运算的主要处理核心,并且将ARM9系列的S3C2440作为主要的控制中心,充分的将其彼此的运算以及控制优势发挥出来，使用ZigBee无线传感网络技术,可以对DSP和ARM彼此数据之间的无线传输给预测。并这一系统自身的结构非常的紧凑并且也比较容易得到实现、同时也有着非常好的性能,其自身可以对于电网自身的电能质量完成实时的监测,因此可以说其自有着非常高的应用与推广价值。
参考文献
[1]舒双宝,罗家融,王勤湧,等.基于DSP和ARM便携式电能质量监测系统的设计与实现[J].电力系统保护与控制,2010,38(24):185-187.
[2]王永杰,杨小平.基于无线传感器网络的智能小区监控系统设计[J].制造业自动化,2011,33(2):68-70.
[3]舒双宝，罗家融，王勤湧，等.基于DSP和ARM便携式电能质量监测系统的设计与实现[J].电力系统保护与控制，2010，38（24）：185-187.
[4]王永杰，杨小平.基于无线传感器网络的智能小区监控系统设计[J].制造业自动化，2011，33（2）：68-70.
论文作者:李娟
论文发表刊物:《电力设备》2018年第4期
论文发表时间:2018/6/19
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