基于DSP和ARM的嵌入式电能质量监测系统
基于DSP和ARM的嵌入式电能质量监测系统
作者:张云，王艳君 来源:微计算机信息
摘要：该嵌入式系统硬件设计采用ARM+DSP双CPU的基本架构，充分发挥ARM的控制能力和DSP的运算能力，使系统的内部分工更加明确，功能更加强大。通过移植成熟的嵌入式实时操作系统Linux为设备提供高效、完善、稳定、可靠的软件平台，并采用Linux系统下最流行的图形界面开发工具QT进行智能化的人机界面开发，成功设计出了一种基于DSP和ARM的嵌入式电能质量监测系统。该系统采用先进合理的上、下位机硬件架构，嵌入Linux操作系统以及智能化的人机界面。 关键词：ARM；DSP；电能质量；嵌入式；人机界面
1? 引言
? ??电能质量（power quality）是指公用电网供到用户受电端的交流电能质量。电能质量监测是评估电能质量水平，发现电能质量问题的主要手段。对电能质量做出精确的监测和分析，才有可能对影响电能质量的因素做出正确地分析和判断，为电能质量的改善提供依据。位于电能质量综合监测管理系统终端的电能质量监测系统用于实现对现场的电能质量数据实时采集并传输至上位机系统。该监测系统要处理的任务种类繁多，主要有：数据采样、各种计算、通信、人机交互等，同时还要保证系统的实时性。这种情况下不仅要求处理设备具有很高的速度和处理能力，而且要具有实时任务调度能力。
综合考虑上述因素，本文采用DSP+ARM的实现方式。ARM微处理器的优势在于速度快、低功耗、高性能、芯片集成度高、外围接口丰富。在ARM上可以移植嵌入式实时操作系统，容易实现多任务调度，而且简化了LCD显示、硬盘存储、网络通信等功能的开发，大大减少了产品的开发周期。同时运用DSP的高速运算和多种片上外设的特点完成对输入信号的捕捉、采样、转换以及与ARM的通讯等工作，兼顾了系统实时性和支持复杂算法的特殊要求。此外本文还设计了智能化的人机界面，便于管理人员快速准确地查询监测结果，及时迅速的采取措施排除故障，保证电力系统安全优质运行。
2???????? 嵌入式电能质量监测系统的总体设计
该系统采用ARM+DSP的主从式并行处理系统，把人机交互和数据通讯的功能集中在ARM的子系统中，由主机完成一切外设的控制。而DSP芯片主要完成对输入信号的捕捉、采样、转换，实现多种信号处理算法, 然后将处理后的数字信号传给ARM。再由 ARM通过以太网控制器将数据传输到网络，实现了远程控制与监测。
本文的DSP芯片选用TMS320VC5402芯片，该芯片是TI公司为低功耗、高性能需要而专门设计的定点DSP芯片；本文的ARM芯片选择Samsung公司的ARM9系列芯片S3C2410，核心处理器和外设配合构成一个完整的ARM应用系统，具有体积小、耗电低、相对处理能力强等特点，能够装载和运行嵌入式Linux操作系统。
图1? 嵌入式电能质量监测系统的硬件结构框图
2.1? 数据采集模块设计
由于要求电能质量监测系统的测量谐波次数达到50次，采样率为12800pbs，因此采用TI公司专为高速同步数据采集系统设计的高速、低功耗、6通道（三相电压、三相电流）同步采样的16位A/D转换芯片ADS8364。ADS8364的三根地址线(A0，A1，A2)的接线方式为：A1=A2=1，A0=0，则A/D转换结果的读取模式为循环方式。ADS8364的三个保持信号( 、 、 )同时与TMS320VC5402的TOUT0相连，这样每次同时启动六个通道的A/D转换。ADS8364的片选线 同TMS320VC5402的I/O空间选择线ADCS相连。当转换结束后， 保持1/2时钟周期的低电平，因此将其同TMS320VC5402的外部中断输入引脚连接，DSP采用中断方式读取A/D转换后的数据。由于本系统对 ADS8364只有读操作，为了简化电路设计，将管脚 直接接到BVDD(＋3.3V)上。
2.2? ARM与DSP的接口设计
??
?图2? ARM与DSP的接口电路?? ???
图3? RTL8019AS与S3C2410接口电路
2.3?? ?ARM与以太网通信的接口设计
以太网通信功能由1片RTL8019AS实现，它对嵌入式处理器没有特殊要求，通用性强。本设计中使用RTL8019AS的默认配置和一些管脚作为网卡的初始化方法，这样可以节省配置存储器，减小嵌入式硬件平台的体积。RTL8019AS与S3C2410接口电路如图3所示。
3???????? ?嵌入式电能质量监测系统软件设计
本系统软件主要包括DSP部分的软件、ARM部分的软件、双CPU间通信软件、人机交互部分的软件和上位机系统软件。DSP部分主要完成现场数据的采集和计算，实时响应ARM的控制命令，并将采集数据和计算结果传回给ARM，DSP的主程序流程图如图5所示；ARM部分执行整个系统的管理和控制，根据不同的现场要求，向DSP发出控制命令，要求传回各种数据和信息。这种基于双CPU结构的嵌入式系统对保证监测数据的实时性起到了关键作用。人机交互部分用于实现智能化的菜单式人机界面，方便管理人员查询监测数据，及时发现故障隐患。上位机系统软件主要完成对ARM上传的数据进一步分析处理。
DSP和ARM的通信协议如下：开始工作时，ARM向DSP发送一个命令(如数据采集)，并通过HPI口中断DSP，使DSP执行相应的功能子程序(如数据采集)；同时，DSP将采集到的数据(未处理)和经过处理的数据分别存入2个缓冲区，长度为256字节(一帧)，当ARM向DSP请求数据时，ARM向DSP发一个帧同步命令字，并中断DSP，DSP响应中断后，将处理后的数据存入HPI口RAM，当存完一帧数据后，DSP向ARM发中断，ARM响应后，首先清除该中断，并将HPI口RAM中的数据取出。需要指出的是，系统每次复位后，DSP会使HPI口的 为低电平，所以在HPI口初始化时，ARM首先要通过HPI口清除该中断，然后再开相应的中断。ARM和DSP间的通信程序流程图如图4所示。
人机交互部分的界面设计采用菜单式设计，可以直观显示命令，管理人员不必记忆操作命令，提供了简单灵活的操作动作，降低了操作的复杂性，使管理人员能够实时操作系统，了解监测信息和电能质量监测系统的运行状态。本文采用Linux系统下最好的图形开发工具QT来设计人机界面。QT是Trolltech公司的一个产品，它提供了丰富的窗口部件集，具有面向对象、易于扩展、真正的组件编程等特点。目前Linux上最为流行的KDE(K Desktop Environment)桌面环境就是建立在QT库的基础之上。本文设计出的智能化的菜单式人机界面如图6所示。
??图4? ARM和DSP间的通信程序流程图
???????????????????????????????????????????????????????
????????????????????????????????????? 图5? DSP的主程序流程图
图6? 嵌入式电能质量监测系统的人机界面
4? 结语如今电能质量监测系统正朝着在线监测、实时分析、网络化和智能化的方向发展。这就要求电能质量监测系统在功能上更加强调智能化，除具备计算、显示功能外，还要有一定的判断、分析、决策等功能并能够实现远程通讯、数据传输的自动化、智能化。本文通过采用ARM+DSP的主从式双CPU结构来完善系统的硬件平台，通过移植成熟、稳定的嵌入式实时操作系统Linux来完善装置的软件平台，并设计了智能化的人机界面，以此来实现更加快捷、完善的电能质量监测功能。该系统采用ARM+DSP的主从式并行处理系统，充分发挥ARM的控制能力和DSP的运算能力，使系统的内部分工更加明确，功能更加强大。通过移植成熟的嵌入式实时操作系统Linux为设备提供高效、完善、稳定、可靠的软件平台，并采用QT设计出了智能化的人机界面。
参考文献：
[1] 孟菊,王金海,赵雷新,张丽丽.基于ARM和DSP的嵌入式智能仪器系统设计[J].微计算机信息,2006,22(6-2):198-200.
[2]? 侯丽华.基于电力载波的电能质量监测系统[J].微计算机信息,2006,22(12-1):120-122.
[3] 王彬,王冰峰.ARM与DSP的通信接口研究和设计要点[J].工业控制计算机,2007,20(2):23-24.
[4]? 戴明桢,周建江.TMS320C54X DSP结构、原理及应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,2001.
[5]? TMS320VC5402 and TMS320UC5402 Bootloader[Z].Texax Instruments,2002,2.
[6]? S3C2410 User Manual[Z].Sam sung Electronics.
基于DSP和ARM的嵌入式电能质量监测系统
