電氣嵌入式作業(yè)

1、中國地質(zhì)大學長城學院 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)測中的應(yīng)用 系 別 信息工程系 專 業(yè) 電氣工程及其自動化 學生姓名 王森 學 號 04309220 2012年 11月 27日摘要 隨著計算機技術(shù)的發(fā)展、生產(chǎn)過程自動化水平的提高，用戶對電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的要求越來越高，對供電系統(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。減少故障停電時間及次數(shù)，確保供電的可靠性、實時監(jiān)測電網(wǎng)參數(shù)、改善電網(wǎng)質(zhì)量，是供電系統(tǒng)自動化的主要任務(wù)。但由于早期的電力監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)特性差，在整個電力網(wǎng)絡(luò)中系統(tǒng)之間難以完成電力數(shù)據(jù)的通信，從而影響到整個電網(wǎng)的質(zhì)量檢測及優(yōu)化控制。針對以上問

2、題，為了保證電網(wǎng)的安全運行，了解電網(wǎng)運行狀況，需要對電網(wǎng)的各種運行參數(shù)(如三相電壓、電流、有功功率、無功功率等)進行實時監(jiān)測。嵌入式遠程電網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)將現(xiàn)代計算機、通信、網(wǎng)絡(luò)及自動化技術(shù)融為一體，對配電網(wǎng)進行遠程監(jiān)測、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SX52BD構(gòu)建分布式以太網(wǎng)嵌入測控系統(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以太網(wǎng)直接訪問分布在各監(jiān)控現(xiàn)場的監(jiān)測儀，了解各電網(wǎng)的運行狀況，從而采取相應(yīng)措施。電網(wǎng)遠程監(jiān)控系統(tǒng)的核心部件是嵌入式電網(wǎng)監(jiān)測儀，與PC機+網(wǎng)卡+采集卡的以太網(wǎng)測控系統(tǒng)相比成本

3、大為降低，實現(xiàn)了嵌入式系統(tǒng)的大眾化、普及化。2嵌入式電網(wǎng)監(jiān)測儀的結(jié)構(gòu)功能 電網(wǎng)監(jiān)測儀對電網(wǎng)上的電壓、電流信號進行采樣和數(shù)據(jù)處理，在一定時間里保存數(shù)據(jù)，具體功能如下： (1)實時監(jiān)測三相電壓VA、VB、VC和四相電流IA、IB、IC和I0； (2)監(jiān)測A、B、C三相功率因素； (3)通過RJ45接口與以太網(wǎng)通信； (4)保存整點時刻的電壓、電流數(shù)據(jù)、功率因素，保存月統(tǒng)計數(shù)據(jù)； (5)用數(shù)碼管顯示，使用戶可以在現(xiàn)場查看和設(shè)置儀表的運行參數(shù)及歷史記錄。 該電網(wǎng)監(jiān)測儀結(jié)構(gòu)如圖2所示。主要由單片機、電壓電流采樣模塊、功率因素監(jiān)測模塊，、以太網(wǎng)接口模塊等組成。完成對電網(wǎng)參數(shù)的監(jiān)測，實現(xiàn)信號處理、數(shù)據(jù)顯示及

4、電網(wǎng)運行狀態(tài)顯示等功能。2.1單片機 單片機模塊是整個電網(wǎng)監(jiān)測儀的核心。主要完成兩大功能：(1)數(shù)據(jù)采集和處理；(2)實現(xiàn)以太網(wǎng)的接入。將經(jīng)過電壓電流監(jiān)測模塊得到的三相實時電壓、三相實時電流和中線電流進行處理；實時監(jiān)測數(shù)據(jù)可通過RJ45接口傳給以太網(wǎng)，使監(jiān)控中心及時得到電網(wǎng)的相關(guān)參數(shù)；同時電網(wǎng)監(jiān)控軟件根據(jù)測試參數(shù)判斷電網(wǎng)運行狀況，電壓是否越限或過低等。 單片機選用UBICOM公司的8位超高速單片機SX52BD，每秒運行數(shù)據(jù)能力達1億次。由于UBICOM單片機的速度極高，能夠?qū)崿F(xiàn)實時多任務(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ISP接入互聯(lián)網(wǎng)

5、，外圍器件少，系統(tǒng)成本低。UBICOM單片機屬RISC結(jié)構(gòu)，芯片上有Flash程序存儲器，可以在安裝到系統(tǒng)后進行編程和調(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時鐘周期，工作在100MHz時指令執(zhí)行速度可達100MIPS，所有IO可以通過編程靈活配置。 SX52BD單片機可以輕松地實現(xiàn)虛擬外設(shè)的功能。CPU通過執(zhí)行虛擬軟件模塊直接驅(qū)動普通I0口實現(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現(xiàn)的功能接口，借助處理器的高速處理能力，通過編寫相應(yīng)的軟件模塊實現(xiàn)。UBICOM公司用匯編語言實現(xiàn)了以太網(wǎng)TCPIP協(xié)議棧。在外接一個以太網(wǎng)

6、控制芯片(RTL8019AS)的情況下還可以實現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)(1EEE8023)協(xié)議處理，使該單片機系統(tǒng)可以直接通過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、電流信號轉(zhuǎn)化為O5V的直流電壓，再送到AD轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換。即AD轉(zhuǎn)換器采樣的模擬量為直流信號。它的主要特點是：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。 交流采樣是相對直流采樣而言，直接對交流電壓和電流波形進行采樣，然后通過一定的算法計算出電壓、電流的有效值、有功功率、無功功率等。交流采樣對環(huán)境溫度有一定要求，同時對AD轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度和采樣保持器

7、要求較高；為了保證測量精度，一個周期內(nèi)，必須保證足夠的采樣點數(shù)，而且采樣計算程序相對復雜，對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功率因素檢測模塊 功率因素檢測模塊有兩大功能：(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。當電壓超前電流時，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A、B信號為“01”或“10”時，X端口才輸出Vref，對積分電路充電；當A、B信號為“00或“11”時，輸出端口為零。而A、B信號為“01”或“10的時間正是

8、電壓、電流相位差的時間。時間越長，對電容C23充電的時間也越長。因此，電容上的電壓反映了相位差的大小。CPU經(jīng)過數(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RJ45接口與以太網(wǎng)通信。數(shù)據(jù)的流向為：請求信息從以太網(wǎng)來，通過RJ45送到RTL8019AS，處理后的數(shù)據(jù)包送人SX52BD協(xié)議棧，由協(xié)議棧對數(shù)據(jù)包進行解析，得到原始請求信息。請求信息再經(jīng)過SX52BD的處理，產(chǎn)生回復信息。回復信息到以太網(wǎng)的過程與上述過程正好相反。3、結(jié)論隨著現(xiàn)代化電網(wǎng)的高速發(fā)展，電網(wǎng)