硅谷：基于嵌入式的矿用隔爆型变电参数监控系统研究 |
| 2012-11-20 11:17 作者：郑亮 张玉忠 袁建男 来源：硅谷网 HV： 编辑： 【搜索试试】
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【硅谷网11月20日文】据《硅谷》杂志2012年第17期刊文称，采用ARM9S3C2440嵌入式处理器为变电参数的主控单元，采用EDA9033A三相电力参数采集模块实时对井各项电参数进行实时采集和显示及传送，并转换成FSK信号传送给主控制基站.详细描述系统的检测原理、总体结构及数据处理系统。通过调试实验对系统进行验证，系统检测参数的精度完全达到预开发时精度要求：±0.2%。
0引言
随着煤矿安全监测技术的发展和进步，关于井下作业安全问题已经成为煤矿安全检测技术领域的重中之重，由于井下三相三线制电压380.660，1140均为高压电，一旦变电参数变化，事故随时都可能发生，故而对井下变电参数实时进行监测变得非常必要。此变电参数的监测系统是一种智能型多功能，高精度在线实用电量计量仪器，适用于煤矿井下对各种电气设备电量参数及电能消耗进行在线实时监测；为煤炭企业井下电力集中管理提供可靠的依据；是降低井下因电力参数变化引发事故的有效扼制手段；电路本安部分独立设计，避免因过高电压产生火花产生爆炸，整个设备采用钢制隔爆腔，从而达到防爆的作用；也是加强用电管理的有效手段，为企业领导层进行成本核算提供实时、准确、可靠、科学的依据，对提高企业效益起到至关重要的作用。
1硬件电路总体设计
系统采用嵌入式处理器ARM9S3C2440为变电参数的主控单元，S3C2440是三星公司高性能，低功耗的32位微处理器。使用VIVIbootloader做引导程序以初始化硬件和堆栈。我选用linux操作系统作为本设计的实时操作系统，因为linux操作系统是开源的操作系统，节省开发过程的消耗时间。Linux内核用2.6经典版本，保证和各种开发软件包兼容。人机交换界面使用linux自带的QT图形界面编程器，友好的人机交换界面也是本设计的一大亮点。在软件程序设计中，加入了数字滤波、重复校数的方法，以提高仪器的测量精度。取外部三相三线制电压，经过电流互感器和电压互感器转换，将信号送到EDA9033A模块，模块可根据电流及电压的大小计算出相应的电参数，通过固定的ASCII码通讯指令集可将有功功率、无功功率、电压电流、功率因数电量等数据，通过三星公司3.5TFT带触摸液晶屏实时显示，并在过压30%或欠压30%时声光报警，并具有掉电时自动保存数据到N，再上电后将EEPROM调到RAM中，实现掉电保存，复电连续累计功能，PCB电路板上带有JTAG插槽，便于售后的仪器维护和升级；电路设计时使用错误自动使能看门狗复位，提高系统的精度。
2变电参数采集算法设计
EDA9033A模块LC-01接口协议参数计算说明：数据格式为：1为起始位0，8位数据位，1位停止位1；通讯协议的一般格式：4CH57HADDRCMD1CMD2CHKEnd
4CH：起始码1：1字节
57H：起始码2：1字节
ADDR：地址00H—OFFH1字节
CMD1：命令11字节
CMD2：命令21字节
CHK:校验和，从地址开始数据累加和1字节
END:结束码，ODH1字节
通过RS-232串口读出来以上数据，在根据参数及计算公式，计算出当前的变电参数
值，公式如下：
A相电压值：UA=（UA）/10000*(U0)*(UBB)V
B相电压值：UB=(UB)/10000*(U0)*(UBB)V
C相电压值：UC=(UC)/10000*(U0)*(UBB)V
A相电流值：IA=（IA）/10000*(I0)*(IBB)A
B相电流值：IB=（IB）/10000*(I0)*(IBB)A
C相电流值：IC=（IC）/10000*(I0)*(IBB)A
P总有功功率：
P=（P）*3*(U0)*(I0)*(UBB)*(IBB)W
Q总无功功率值：
Q=（Q）*3*(U0)*(I0)*(UBB)*(IBB)Var
各种电压计算：
各相视在功率：
总视在功率：
3FSK通讯系统设计
数字调频又称移频键控，简称FSK，它是载波频率随数字信号而变化的一种调制方式。利用基带数字信号离散取值特点去键控载波频率以传递信息的一种数字调制技术。最常见的是用两个频率承载二进制1和0到双频FSK系统，系统设计正是应用了这种FSK调制方式。
43.5寸触摸液晶屏显示部分
使用由三星公司出品LTS350Q13.5TFT液晶屏显示模块，LTS35Q1液晶显示模块提供LCD的升压模块和降压模块，本系统触摸屏采用串行通信的方式实时显示变送器显示出来的变电检测值。
5掉电保护系统设计原理
选用美国ATMEL公司的低功耗CMOS串行EE2PROM，它是内含256*8到存储空间，具有工作电压宽（2.5～5.5V）、擦写次数多（大于10000次）、写入速度快（小于10ms）等特点。AT24C02到1、2、3脚是三条地址线，用于确定芯片的硬件地址。第8、4脚接正负电源，第5脚SDA为串行数据输入/输出，数据通过双向I2C总线串行传送。第6脚SCL为串行时钟输入线。SDL和SCL都需要和正电源间各接一个5.1K到上拉电阻，7脚接地。链接电路如图4所示。
图4EE2PROM连接电路
FSK通讯部分要通过FSK到解码数学原理，进行相应的移频键控的相应数据处理，以便使数据送往基站。
6软件设计
由于仪器设计要求为微控制系统设计，所以硬件结构相对来讲比较简单，但系统功能要求又比较强大，所以软件设计工作为仪器研制的主要工作。软件开发工具使用C语言，便于程序的循环调用和算法上的优化。
6.1软件要求分析
EDA9033通过RS232串口经MAX232跟AVR单片机相连，从串口读上来的ASCII码要经过固定的公式转换成具体的电压值，在串口处理数据过程中，我们对数据本身的累加和进行校验，如三次校验和不一致，则复位看门狗。
6.2软件体系设计
调制模块：
输出的FSK方波经过输出滤波器的输出放大器后变成FSK正弦波耦合到线路上，待解调的FSK正弦波通过输入放大器，波形变化电路变换成为FSK方波，在输入到解调模块解频之后，经过输出缓冲器就可以得到二进制数数据流。
解调模块：
FSK信号是通过波形变换电路（由比较电路及缓冲放大电路组成）变换成为同频同相的方波。单片机对方波进据流。
串口通讯模块：经EDA9033模块转换出来的串口数据数据处理转换成具体的变电参数值发送给LCD液晶显示器显示。
掉电保护模块：当系统掉电或者遇到其他系统故障时，系统会把最后采集的3次变电数据自动储存在EEPROM中，以便给最后查询系统故障时提供可靠的依据。
显示模块：采用3.5TFTLCD液晶显示模块，S3C2440处理器上带有LCD控制模块，采用串口通讯模式，3.5TFTLCD驱动模块实时于显示所采集变电参数用QT编写的变电参数.
结束语：
课题通过大量的调试实验，完全测试出井下三相三线制380.660，1140V电压等参数的具体值，灵敏度，精度都达到了预先开发仪器仪表系统的开发要求。该系统集电力传感器，电力变送器，单片机及通讯处理显示部分于一体，能够实时的显示井下电压，电流，功率等变电参数。仪器本身轻便，快捷，非常适合现场使用。
作者简介：
郑亮（1982-），男，汉族，硕士研究生，助教，研究方向：精密测控技术与仪器。
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