基于ARM的电能表接口电路实验指导书

基于ARM的电能表接口电路实验指导书

一、实验目的

1.学习硬件电路板的设计与制作方法，能独立完成ARM系统的硬件开发；

2.学习Linux驱动的编写方法；

3.学习和掌握ARM嵌入式系统软件和硬件的开发过程。

二、实验内容

在PXA270实验箱的基础上，完成电子式电能表系统的开发，包括电能表系统的硬件和软件。该电能表系统应具备如下功能：

?可以完成电力线电压有效值、电流有效值、功率和电能等电力数据的计量，

并应具备一定的精确度；

?各个电力数据的存储，保证电能表系统断电的情况下，所测量的各项历史数

据（主要是电能累计值数据）不丢失，以便电能的统计计算；

?通过键盘控制，可实现各个电力参数值的显示和对电能表系统进行操作功能

选择；

三、实验设备

1.万能表、数字信号发生器、示波器等。

2.一套PXA270EP嵌入式实验箱。

3.安装Redhat9的宿主PC机，并且配置好ARM Linux的开发环境。

四、预备知识

熟悉电能计量的原理，学习pcb电路板的绘制，熟悉Linux各部分的作用，熟悉Linux操作系统基本操作，学习ARM体系结构，熟悉PXA270处理器的管

脚功能及相关寄存器的功能定义，熟悉Linux 基本驱动编写的步骤和方法，熟练C 语言运用。

五、实验原理及说明

1. 电能计量原理

电能计量主要是把输入的瞬时电压和电流相乘，得到瞬时功率p=ui ，其中u 代表瞬时电压，i 代表瞬时电流。由于瞬时功率在实际中不便于应用，所以常把瞬时功率转化为平均功率，即瞬时功率在一个周期T 内的平均值，平均功率又称作有功功率。单位时间内的有功功率在数值上就等于测得的电能量，把单位时间的有功功率累加就得到电能量值。在正弦稳态情况下设：

()cos()u t t ω= （5.1）

()cos()i t t ωφ=+ （5.2）

其中φ是电压与电流之间的相位差，于是瞬时功率可以表示为：

()()()p t u t i t =? （5.3）

将式（5.1）和式（5.2）带入式（5.3）可得：

()cos()cos()p t t t ωωφ=+

cos cos(2)UI UI t φωφ=++ （5.4）

由瞬时功率可以得到有功功率：

01()T P p t dt T =

? 01[cos cos(2)]T UI UI t dt T φωφ=

++? 001cos cos(2)T T UI dt UI t dt T

φωφ=++?? cos UI φ=

（5.5）

从式（5.5）可以看出，有功功率与相位角中相关，式中的cos 就是电路的功率因数。把有功功率在时间上累加就能得到电能量的值。

2.Linux设备驱动

Linux下的字符设备的驱动程序，包含三个部分：初始化函数、清除函数和保存设备信息的结构体，结构体存储了字符设备的操作方法，下面简单介绍了结构体file_operations成员的意义。open（）方法，打开设备准备I/O操作；Close（）方法，关闭一个设备，当最后一次使用设备终结后,调用close 子程序；Read（）方法，从设备上读数据；Write（）方法，往设备上写数据；ioctl（）方法，执行读,写之外的操作,实现对设备的控制；select（）方法，检查设备,看数据是否可读或设备是否可用于写数据。

3.电能表系统的组成及工作原理

设计的电子式电能表系统应具有以下几个功能模块：核心处理器模块、电能计量模块、存储模块、显示模块、键盘控制模块和无线通讯模块等。系统原理框图，如图5.1。

图5.1 电能表系统整体框图

由电能表系统整体框图可以看出，系统分为几个部分，其中PXA270是整个系统的核心部分，负责综合处理整个系统的正常工作，除此之外，电能计量模块包括CS5460A芯片和电压电流采样电路，负责进行电能的测量，是整个系统的关键部分，没有此模块，“电能表”无从谈起，因此，这部分工作性能的好坏，直接

关系到整个系统的工作性能。

具体的工作过程如下：首先从系统从电力线上采样到交流电压和电流的大信号，由于CS5460芯片不能直接对大信号进行测量，因此需经过电压、电流采样电路的转换，将大电压和大电流信号转换为成比例的交流小信号，再送入电能计量芯片CS5460A，经CS5460A芯片处理得到Irms、Vrms、功率值及累计电能值等参数，并存储在CS5460A芯片内部的寄存器当中，CS5460A芯片具有简单的SPI通讯接口，PXA270处理器可以通过SPI接口读取CS5460A计算得到的所有电能参数进行处理，并存储到外插的SD卡FLASH芯片中，

（由于核心板的FLASH 的存储空间已所剩无几，无法存储更多的数据，因此，存储模块需用外扩的SD 卡FLASH）。同时将数据输出到显示器进行显示，并可根据按键的键值显示不同的数据。

六、系统开发流程

1.根据系统整体框图进行硬件电路设计。

硬件电路的设计在PXA270实验箱的基础上进行，主要进行电能计量模块的设计，电能计量模块电路电压、电流采样电路、CS5460A的电源电路、CS5460A 通过光耦转换电路与ARM的SPI通讯接口连接电路。

设计时应注意：

?CS5460A芯片不能直接测量电力线上的大电压和大电流，必须经过采样电路

转换成小电压、小电流信号；

?CS5460A的电源由PXA270实验箱扩展接口中的5V电源提供；

?CS5460A芯片的工作电压为5V，而PXA270处理器的工作电压为3.3V，因

此，在两者连接之间需进行电平转换；

?为防止实验箱受到电力线上的大信号的损害，在电能计量模块与实验箱连接

线路上应加上隔离装置。

本电能表系统还包括核心处理器模块、存储模块、显示模块、键盘模块等。设计如下：

存储模块用于数据的存储，保证掉电不丢失。SD卡Flash除了保存所测得的电能数据之外，还要保存电能表系统用到的硬件驱动程序和用户应用程序。

显示模块采用实验箱上的LED数码管，一共有四位，电压值显示到小数点后一位，电流值显示到小数点后两位，功率值显示到小数点后一位，电能值显示到小数点后一位。

键盘模块采用实验箱上的小键盘，应用时将各个键值软件编程为预先设计的功能。

2.进行电路的验证工作。

电压、电流采样电路，用Multisim软件进行模拟仿真，仿真结果能显示是否实现大信号向小信号的按比例转换。按电路图在面包板上搭接电压、电流采样电路，检验设计的采样电路是否能满足要求，若不满足要求，需进行调整；对CS5460A通过光耦转换电路与ARM的SPI通讯接口连接电路也需要进行检验，检验是否实现电平转换和隔离作用。

3.pcb制板和线路板的焊接。

在完成电能计量模块的设计和调试后，就要开始制作电路板。在电路板的制作过程中，每一步都是为后面的工作做好准备：首先是元器件的检查，板面布局，然后是电路板的焊接，检查焊接是否与电路原理图相一致，最后进行结果检测。具体步骤如下：

①学习protel软件进行对电路图的布局设计，检查元器件的型号和参数是否符合设计要求，选择正确的元器件封装。

②为了提高整个电路的抗干扰能力，降低外界噪声源对数字器件的影响，PCB 板的布线十分重要。

③在焊接前，需做些准备工作：如了解每个芯片的引脚图及能实现的功能，这样才能在实践操作起来更方便。

④按照电路图的连接，进行焊接，同时对存在有可能短路的地方用万用表进行测试，并且在焊接时经常发生虚焊现象，此时可采用的方法：先在导线上上锡，然后在焊到电路板上。

⑤再次检查电路板的焊接是否与电路原理图相符，确认无误后，再进行下一步工作。

4.进行系统软件设计。

据本电能表系统的总体设计要求以及硬件电路原理，按照硬件连接和各个模

块芯片的特性以及功能实现要求，本系统的主要流程包括三个步骤：电能表系统启动运行，测量的电能数据的存储，键盘控制和LED显示。

Steep1：电能表系统的启动运行。本阶段主要包括CS5460A的初始化，电能计量开始命令，之后判断电路是否需要断电操作，若需要则控制继电器断电，否则，继续测量；

Steep2：测量的电能数据的存储。本阶段主要负责从CS5460A芯片的寄存器中读取各个电能的测量值，然后存储到SD卡当中，并在原有数值的基础上进行累加，以达到掉电保存的目的；

Steep3：键盘控制和LED显示。本阶段主要负责键盘的控制和LED显示任务；

5.进行系统综合调试。

当系统软硬件均完成之后，就可以进行整个电能表系统的调试工作。调试工作的进行主要是进行电能表系统的功能的验证工作。将电能表系统接额定电压为220V，额定功率为25w的负载，电源端接入电力线，启动测量程序，查看LED数码管显示的是不是预计的电能值，按下各个数字键盘，查看是不是执行各个键值对应的功能。如果测得的数据不满足精度要求，则进行系统的校准。CS5460A 提供了数字校准。用户通过设置校准命令字中的相应位来决定执行那种校准。对于电压和电流通道，都有两种模式：系统偏移量校准和系统增益校准。校准时，提供正的满量程信号以完成系统增益校准以及参考地电平以完成系统偏移量校准，如图6.3和6.4。

图6.3 系统增益校准

图6.4 系统偏执校准

七、注意事项

在电能计量模块扩展板的设计中，一定要考虑到电力线上的大信号与数字信号的电气隔离，电能计量扩展板与实验箱的电气隔离，以防止高压电对实验箱造成损坏。

在实验操作过程中，测量时一定要仔细检查线路连接是否正确，保证仪器和人身的安全，避免错误操作，造成电力线短路甚至发生触电事故。

附录Ａ电能计量扩展板实物图