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基于DSP平台的嵌入式电力参数测量系统的设计

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总第247期 计算机与数字工程 Vo1.38 No.5 2010年第5期 Computer&Digital Engineering 88 基于DSP平台的嵌入式电力参数测量系统的设计 李碧芬 (仁化县电视广播大学仁化52130O) 摘要设计实现了一种新型的基于双处理器、主控软件运行WinCE5.0操作系统的高准确度电力参数测量系统,该 系统分为两个模块:数据采集模块和系统主控模块。数据采集模块使用TI公司的数字信号处理芯片TMS320VC5409和 ADI公司的16位高速模数转换芯片作为其核心,完成采集和处理数据,并把处理后的结果数据传送到系统主控模块;主控 模块使用三星公司的具有ARM9核的¥3C2440A作为其核心,采用WinCE5.0作为主控模块的操作系统,并实现具有对数 据采集模块的操作控制、数据显示和管理测量数据的功能。经试验证明文章设计的参数测量系统已达到预期精度。 关键词电力测量;DSP;嵌入式;ARM9 中图分类号TP206 .1 Design of Embeded Electric Power Measurement System Based on DSP Li Bifen (Renhua University of Television Broadcasting,Renhua 521300) Abstract In this article,a new kind of a high accuracy electric parameter measurement system based on dual—processor has been designed,the main control so{tware operating system to run WinCE5.0.The system is divided into two modules: data acquisition module and the system control module.Data Acquisition module uses TI digital signal processing chip TMS320VC5409 and ADI 16—-bit high speed analog-digital conversion chip as its core to complete of data acquisition and pro—- cessing,and transmits the processed result data of data to the system master module.Control module uses samsung having ARM9 nuclear¥3C2440A as its core,introducing WinCE5.0 as control module of the operating system,and with the opera— tion of the data acquisition module control,data display and management of measurement data.Experiments proved that in this paper the design parameter measurement system had already reached the expected precision. Key Words electric power measurement,DSP,flush bonding,ARM9 Class Number TP206+.1 1 引言 成。MCU是测量系统的核心,完成系统配置和管 理、人机交互、数据通信及DSP的控制。DSP芯片 近几年来数字信号处理器(DSP)芯片以其强 接收数据采集电路送来的数字信号,对其进行计 大的数字运算能力被越来越多地用于电力信号的 算,完成各种算法,以实现功率因数、频率、谐波及 检测。但由于一般的数字信号处理器芯片的控制 各项电能指标的计算和分析,并将结果送回主 功能不如单片机,大多数电力参数测量系统都采用 CPU进行显示,或者通过测量系统的通讯接口传 单片机和数字信号处理器芯片相结合的双CPU结 输至上一级系统,以完成更为强大的数据处理和分 构[ 。测量系统的硬件结构主要由主CPU(微控 析功能。本论文设计实现了一种新型的基于双处 制器MCU)、从CPU(数字信号处理器DSP)、模数 理器、主控软件运行WinCE5.0操作系块和系统的 转换电路、数据存储、通讯电路和控制输出电路组 高准确度电力参数测量系统。 *收稿日期:2010年1月2日,修回日期:2010年2月10日 作者简介:李碧芬,女,讲师,研究方向:电子技术。 2010年第5期 计算机与数字工程 89 2测量系统硬件设计 整个电力参数测量系统采用模块化设计,分为 行数据传输,所以选择合适的ADC和数据处理芯 片是本模块设计的重点。在这里选用ADI公司的 16位高速6通道ADC—AD7656,和TI公司的 54x系列DSP芯片一TMS320VC5409。 数据采集模块和系统主控模块。 数据采集模块主要完成电号的输入调理、 根据以上的讨论,本文设计的电力参数测量系 采集、计算,并接受系统主控模块的控制,并与主控 模块间传输测量数据。 系统主控模块提供与用户直接交互的界面,主 要完成接受用户的操作指令,对测量得到的电力参 数数据进行显示和管理。系统的总体框图如图1 所示。 图1系统功能总框图 2.1数据采集模块设计 数据采集模块应该可以在任何时刻对电 号进行数据采样,能够准确地分析包括电压、电流 在内的电力基本参数l_2]。但电网中的电压电流信 号并不适合电子电路系统直接对其进行信号分析 和处理,所以首先需要将其变换成幅值等各输入参 量处于信号处理系统允许范围内的信号,这需要模 拟信号输入调理电路。ADC将调理后的模拟信号 转换成数字信号,送给信号处理分析模块。由于电 网中不可避免地会出现抖动,导致电号频率在 短时间内会出现随机的变化,为了完成对其每周期 采样固定点数的要求,不能直接进行简单的定时采 样,而需要对电号的频率进行跟踪,可以使用 硬件锁相环来产生精准的采样脉冲l_3叫]。整个采 集模块中的逻辑控制信号可由CPLD产生。 数据采集模块的设计中需要考虑的要求有: 1)本模块采集的对象是电网中的信号,应该 有相应的信号输入和调理部分; 2)本模块设计每周期采集电压、电流波形数 据均为512点,应该选择高速的模数转换器; 3)本模块需要最多同时对6路信号进行采 集,所以选择的模数转换器最好具有多通道同时采 样的功能; 4)本模块最重要的部分就是数据的处理部 分,它要完成多路数据的采集、运算,与主控模块进 统中数据采集模块的功能框图如图2所示。 :选通AD并 :启动采样: 器转换成有效值为: 一兰羔!塑莹里 量.! 信茎翟理H 电路I I转换器 控制 数据采集模块r——L 信号 l圈 核心DSP 数据 、 ’一一一一} [ 画 雨 图2数据采集模块功能框图 在本系统中,利用DSP强大的数据处理功能 完成电号的采集和运算,并通过TI公司DSP 自身提供的HPI一8接口,完成数据采集和系统主控 两个模块之间的数据传输。SRAM作为DSP的扩 展程序空问和数据存储空间。在以后实际的工作 环境中,可以通过DSP运行烧写程序,向Flash烧 写进通过调试的具有完善功能的程序代码,由DSP 自动加载Flash中的程序代码,完成自启动。硬件 锁相环实现对输入信号的同步采样,能减小由于采 样不同步而产生的采样误差。CPLD则为整个系 统提供逻辑转换和配合锁相环产生ADC采样脉 冲。 2.2 系统主控模块设计 为满足系统的可扩展和高性能的需求,主控模 块硬件使用三星公司的¥3C2440A为主控芯片,它 拥有一个ARM9核,可稳定运行在405MHz,并配 置网络接口、USB接口和串行接口,以用于与其他 设备进行通信 。在软件上,系统主控模块运行 WinCE 5.0嵌入式操作系统l6]。用户可以使用键 盘、鼠标或触摸板作为操作指令的输入方式,通过 模块问通信接口电路传送来的测量数据可以显示 在程序界面上,在主控模块的程序中也能完成对测 量数据进行简单管理。 系统主控模块的设计包括: 1)为满足系统的可扩展和高性能的需求,并 给用户提供一个友好易用的操作界面,首先需要选 择合适的开发板作为主控模块的基础硬件平台。 硬件平台上需要有强大运算能力的主控芯片,和足 90 李碧芬:基于DSP平台的嵌入式电力参数测量系统的设计 第38卷 够的ROM和RAM空间以运行WinCE 5.0操作 系统,也需要支持液晶屏显示,USB接口、串行接 模块间的通信接口。主控模块的程序开发工具是 微软公司专为开发WinCE嵌人式系统应用软件提 供的embedded Visual C++4(SP4)E。q]。 系统主控模块的软件主要由三个程序组成,功 能结构图如图4所示。 系统主控模块 主界面 口。本课题选用广嵌科技的GEC2440开发板。需 要定义与数据采集模块通信的控制和数据总线接 口。 2)根据所选择的开发板,构建能在其上运行 的WinCE 5.0嵌入式操作系统。根据系统主控模 块需要实现的功能,使用微软公司的Platform Builder软件定制WinCE5.0,对所需功能进行增添 或裁减,并将最终生成的二进制映像烧进开发板。 还需生成对应的SDK,搭建好应用软件的开发平 台E 。 信号波形l 显示l l电力参数l l测量l l测量数 l据管理 l 离 I 3测量系统软件设计 3.1数据采集模块软件设计 Il 电压ll  l电流ll l记录ll Il% 据到文件l l件驾曩到数据库l l 且 l询l 图4系统主控模块软件功能结构图 1)电力参数测量:可以启动或者停止整个测 量系统的工作;动态显示当前系统采集测量到的电 力参数(频率、三相电压电流有效值、功率、功率因 数等)数据;可以将当前时间测量到的数据保存到 系统内置的数据库中,以备以后调用查看;也可以 数据采集模块中的软件主要是将ADC采集的 量化后的电网数据经过计 算处理,得出相应的参数 值,并通过HPI一8接口将 结果或者原始数据值传送 到主控模块进行进一步处 转换到信号波形界面查看电网中的电压、电流波形 信息; 理。其总体流程图如图3 所示。主程序首先需要对 CPU、复用引脚和中断进 2)信号波形显示:分为电压和电流两个子界 面,动态显示相应的电号波形,也可以转换到 电力参数测量界面中查看当前系统采集测量到的 电力参数数据; 行初始化:设置CPU的运 行频率、中断初始化地址、 跨界读取存储器的延时周 期和McBSP中引脚复用 为GPIO等。然后使能中 图3主程序流程图 断,包括采样中断和主控 模块与采集模块之间传输数据所需要的HINT中 断。 3)测量数据管理:主要完成系统测量数据的 查看和管理任务,可以完成删除当前或多条记录; 保存当前或多条记录数据到文件;可以通过串口发 送记录数据;以时间条件来查询测量数据。 系统主控模块软件的主界面如图5所示。 检查主控模块设置的启动测量标志量,如果主 控模块并不需要采集模块进行采集测量,则主程序 不做任何工作,仅仅等待而已。如果主控模块启动 、 测量,则主程序首先选择有效的信号通道作为锁相 环的输入,然后通过DSP的HP-8接口传送主控模 块需要的数据。 3.2 系统主控模块软件设计 系统主控模块从数据采集模块获取所需的数 据,用户可以通过键盘、鼠标或触摸板等方式向主 控模块发出操作命令,主控模块在液晶屏上显示命 图5主控软件主界面 4 系统测试 测试本测量系统时选用的校验设备是 COM303—1,COM303—1标准表可以直接在屏幕上 令结果。主控模块使用的是广嵌科技的GEC2440 开发板,使用其提供的扩展接口设计了与数据采集 2010年第5期 相对 误差值 功 盅 计算机与数字工程 输出相对误差值。测 每一检测点所得的相对误差计算公式为【_1 : E 一 ×1o0 (1) 试时测量系统均使用 内部电流互感器(准 电能 高频 脉冲 源 lL 一I i 设计的测量  l…确度等级为0.01级, 额定电流5A)。测试 式中:w 为测量装置指示的电能;W。为装置检验 标准指示的装置输出端电能。 本论文通过对三相电号接线中3种不同 的量程,每个量程提供3个不同的功率因数,在每 个功率因数下提供2个或3个不同的电流值的测 量试验来测试本测量系统的准确度。测试结果如 下: 系统 1  lI高频脉 l冲输出 结果表格中的数据均 为由标准设备直接计 图6搭建的测试平台框图 算出的相对误差。每 个项目测量十次,序号依次从1到10,每行的最后 一搭建的系统测试平台框图如图6所示。 1)三相四线接线,量程:3×220V,3×5A电能表常数:2400p/kWh 表1功率因数:1.o 数测量系统对三相有功功率皇 萎 ’ 篓 曼 5结语 有功电能的相对误差 黼汛.、均在0.1 以内,满足论文提出的对电流、电压、功 率和电能准确度为0.1级的要求。 本设计实现了一种新型的基于双处理器、主控 (下转第118页) 118 唐娅琴:验证码的设计与破解探讨 第38卷 用的方法。 600张验证码进行识别,识别结果超过97 9/6。识别 速度上,利用Intel Core Duo CPU RAM达到每分钟 识别250张,平均识别一张需要60/250=0.24s。 可见,该网站使用的这一类型的验证码并不能 有效的阻止程序的自动识别。 参考文献 首先使用双线性插值算法将切割得到的图片 插值到固定的长宽。将字符从水平方向进行扫描, 那么每条扫描线都是由黑点或者白点构成的序列。 如果将白点表示为0,黑点表示为1,则每条水平扫 描线可以用一个向量表示[8]。将向量分类为23种 模式,比如模式0表示长的空白段,而模式1代表 长的黑点段。模式2表示一段相对长的白点之后 跟着一段黑点。如图6所示。 将得到的每个向量对应23种类型中的一种,如 果我们对每个字符垂直方向等间距水平扫描12次, [1]PePOla Kristiansson.Defeating a simple CAPTCHA using Optical Character RecognitionPEB/OL].http:// 、^jww.CS.chalmers.se。2007 [23[EB/OL].http://www.capteha.net/ [33 J.Yan,A.S.EI Ahmad.A Low-cost Attack on a Mi— 那么每个字符的特征表示为12个编码类型码的序 列。如图7所示,数字7的编码为128888699979。 crosoft CAPTCHAEM].School of Computing Science Technical Report,Newcastle University,England, 2008 用上述的编码方法分别对模版与待识别的字 符进行编码,然后计算模版与待识别字符的编码的 相似度。取相似度最高的模版字符为识别的结果。 o[二二二二二二] 1■■■■■■■一 2[二二二二】_3[二■■■■_4■■■■■【]一十n b+n 一十b E4]G.Mori,J.malik.Recognizing ObJects in Adversarial Clutter:Breaking a Visual cAPTcHA[c]//Pmceed— ings of the IEEE Conference on Computer Vision and Pattern Recognition(CVPR),2003 [5]龚才春,刘荣兴.基于整体特征的快速手写体数字字符 5——[==二二]”+ 6[二二]I二]7[二】■—■口8[=二==1口9[]●二二二]识别[J].计算机工程与应用,2004,40(19):82 ̄83 [6]潘大夫,汪渤.一种基于外部轮廓的数字验证码识别方 法口].微计算机信息,2007,23(9):256 ̄258 [7]文晓阳,高能,夏鲁宁,等.高效的验证码识别技术与验 证码分类思想[J].计算机工程,2009,35(8):186 ̄188 图7字符编码 _+n+一b 6+ +b 一十n+b b+n+b 图6编码字典 [8]N.vazquez,M.NaKano,H.perez_Meaza.Automatic System Localization and Recognition of vehicle plate 5 结语 利用我们提出的识别方法对实际网站上下载的 Numbers[J].Journal of Applied Research and Tech— nology,2003,1(1):63 ̄77 (上接第91页) 软件运行winCE5.0操作系统的高准确度电力参数 2004(3):39~42 测量系统。本测量系统的软硬件平台具有方便的可 扩展能力,和强大的运算处理能力,能够达到较高测 [4]于庆广,付之宝.电能质量指标及其算法的研究[J].电 力电子技术,2007,41(1):12 ̄14 量精度。如果在其硬件和软件的基础上扩展不同的 功能,则可以完成诸如电能表校验、电能质量监测等 E5]Samsung Semiconductor.¥3C2440A 32一bit CMOS Mi— crocontroller User’S Manual,Revision[Z].2004 -I6]何宗键.Windows CE嵌入式系统l-M].北京:北京航空 航天大学出版社,2007 任务。此测量系统可以作为对电力系统中电号 分析和电能表校验的一个便携式通用平台。 参考文献 [72周立功,等.ARM&WinCE实验与实践一基于¥3C2410 [M].北京:北京航空航天大学出版社,2007 [8]汪兵,等.Windows CE嵌入式高级编程及其实例详解 (使用C++实现)[M].北京:水利水电出版社,2008 [1]肖湘宁.电能质量分析与控制[M]北京:中国电力出版 社,2004 [2]王绍辉,肜瑶,李海霞,等.DSP+ARM在电能质量监 测系统中的应用EJ].信阳师范学院学报(自然科学 版),2008(1):15 ̄17 [9]张勇,曾炽祥,许波.Windows CE应用程序设计[M]. 西安:西安电子科技大学出版社,2008 [10]费业泰.误差理论与数据处理[M].北京.机械工业出 版社,2000 [3]李圣清.电网谐波检测方法的综述[J].高电压技术, 

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