【正文】 諧波檢測(cè)方法具有實(shí)時(shí)性好的優(yōu)點(diǎn)，這對(duì)于有源電力濾波器等對(duì)諧波檢測(cè)速度要求較高的治理裝置也具有一定意義。本章深入討論了利用瞬時(shí)無(wú)功功率法進(jìn)行諧波檢測(cè)的原理，通過(guò)MATLAB 工具對(duì)算法的諧波檢測(cè)效果進(jìn)行仿真分析，得到與傳統(tǒng)的傅立葉變換法相比瞬時(shí)無(wú)功功率法檢測(cè)實(shí)時(shí)性更好的結(jié)論。 嵌入式系統(tǒng)的定義嵌入式系統(tǒng)(Embedded system)，是一種“完全嵌入受控器件內(nèi)部，為特定應(yīng)用而設(shè)計(jì)的專(zhuān)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)”，根據(jù)英國(guó)電器工程師協(xié)會(huì)(. Institution ofElectrical Engineer)的定義[14]，嵌入式系統(tǒng)是“用于控制、監(jiān)視或者輔助操作機(jī)器和設(shè)備的裝置”(devices used to control, monitor, or assist the operationof equipment, machinery or plants)。 嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)嵌入式系統(tǒng)一般具備以下幾個(gè)特點(diǎn)：(1)專(zhuān)用性強(qiáng)。(2)實(shí)時(shí)性好。例如本文設(shè)計(jì)的諧波檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)采樣頻率以及數(shù)據(jù)處理速度的要求就比較高，一般的處理器難以勝任。當(dāng)然，隨著嵌入式應(yīng)用的擴(kuò)展，有些系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性要求也并不是很高，例如近年來(lái)發(fā)展速度比較快的手持式計(jì)算機(jī)、掌上電腦等。(3)可裁剪性好。目前的做法是，把嵌入式系統(tǒng)硬件和操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)成可裁剪的，以便使嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)入員根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需要來(lái)量體裁衣，去除冗余[15]，從而使系統(tǒng)在滿足應(yīng)用要求的前提下達(dá)到最精簡(jiǎn)的配置。嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用廣泛，從海底機(jī)器人到火星車(chē)都有嵌入式技術(shù)的存在，對(duì)于這些運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜的設(shè)備，可靠性就擺在了第一位，嵌入式技術(shù)是對(duì)計(jì)算機(jī)技術(shù)的一種裁剪，不論是硬件還是軟件上都早已成熟。(5)功耗低。為了降低系統(tǒng)的功耗，嵌入式系統(tǒng)中的軟件一般不存儲(chǔ)于磁盤(pán)等載體中，而是固化在存儲(chǔ)器芯片或單片系統(tǒng)的存儲(chǔ)器之中。 嵌入式系統(tǒng)的組成一個(gè)嵌入式系統(tǒng)裝置一般由嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和執(zhí)行裝置組成，嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是整個(gè)嵌入式系統(tǒng)的核心，包括硬件層、中間層、系統(tǒng)軟件層和應(yīng)用軟件層，對(duì)于本課題中設(shè)計(jì)的嵌入式諧波檢測(cè)系統(tǒng)而言，主要工作在于硬件層、中間層和應(yīng)用軟件層。本文中的嵌入式系統(tǒng)組成框圖如圖 所示。下面介紹諧波檢測(cè)系統(tǒng)微處理器的選型。而現(xiàn)在新一代數(shù)字式諧波監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不僅要求檢測(cè)速度快，而且對(duì)人機(jī)交互性能、系統(tǒng)平臺(tái)的擴(kuò)展性能也有較高要求，只有采用性能更好的處理芯片才能實(shí)現(xiàn)。在人機(jī)交互方面，大多數(shù) 32 位處理器都支持彩色液晶顯示，配合嵌入式操作系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)圖形界面操作。ARM 即 Advanced RISC Machines 的縮寫(xiě)，既可以認(rèn)為是一個(gè)公司的名字，也可以認(rèn)為是對(duì)一類(lèi)微處理器的通稱(chēng)，還可以認(rèn)為是一種技術(shù)的名字。ARM 公司將其技術(shù)授權(quán)給世界上許多著名的半導(dǎo)體、軟件和 OEM 廠商。目前，Motorola、IBM、TI、Philips、VLSI、Atmel 和 Samsung 等幾十家大的半導(dǎo)體公司都獲得了 ARM 公司的授權(quán)。 表 ARM 處理器系列特點(diǎn)概述當(dāng)前 AMR 處理器系列有：ARMARMARM9E、ARM10E、ARM1SecurCore、Cortex、StrongARM、Xscale。S3C2440A是韓國(guó)三星電子公司最近推出的一款基于ARM920T內(nèi)核的32位RISC嵌入式微處理器。ARM920T 核由ARM9TDMI、存儲(chǔ)管理單元 MMU 和高速緩存三部分組成。S3C2440A 片上資源概括如下：Nand Flash 接口、Nor Flash 接口以及 SDRAM 接口。4 通道 DMA。2 通道 SPI、IIC 總線。SD/MMC 控制器。4 通道 PWM。RTC。多功能 IO 及多種電源管理。(2)ARM 得到了眾多的操作系統(tǒng)廠商的支持，其中包括了 WINCE 和 Linux 等優(yōu)秀的 OS，這些 OS 廠商和芯片廠商互相支持。(3)本系統(tǒng)選用的 ARM 處理器芯片 S3C2440A 集成了 SDRAM 控制邏輯和 NandFlash 控制器，可以實(shí)現(xiàn)與片外存儲(chǔ)器的無(wú)縫連接，解決了數(shù)據(jù)的大容量存儲(chǔ)問(wèn)題。主存是嵌入式微處理器能直接訪問(wèn)的寄存器，用來(lái)存放系統(tǒng)和用戶的程序及數(shù)據(jù)。常用作主存的存儲(chǔ)器有：SRAM、DRAM 和 SDRAM 等。DRAM是利用 MOS（金屬氧化物半導(dǎo)體）電容存儲(chǔ)電荷來(lái)儲(chǔ)存信息，因此必須通過(guò)不停的給電容充電來(lái)維持信息。SDRAM 是 DRAM 的一種，它是同步動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器，利用一個(gè)單一的系統(tǒng)時(shí)鐘同步所有的地址數(shù)據(jù)和控制信號(hào)。外部存儲(chǔ)器一部分用來(lái)存儲(chǔ)操作系統(tǒng)映像、采集數(shù)據(jù)、檢測(cè)歷史結(jié)果，要求低成本高容量，并且擦除速度要快這樣下載映像和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的時(shí)間不會(huì)太久。常用的外部存儲(chǔ)器有：Nor Flash、Nand Flash、EPROM 和 PROM 等。Nand Flash 沒(méi)有采取內(nèi)存的隨機(jī)讀取技術(shù)，它的讀取是以一次讀取一塊的形式來(lái)進(jìn)行的，通常一次讀取 512 個(gè)字節(jié)，采用這種技術(shù)的 Flash 比較廉價(jià)，缺點(diǎn)是處理器不能直接運(yùn)行 Nand Flash 上的代碼，生產(chǎn) NAND Flash 的主要廠家有Samsung 和 Toshiba，本文選用 Nand Flash 芯片 K9F1208 來(lái)存儲(chǔ)操作體統(tǒng)內(nèi)核、采集的數(shù)據(jù)和諧波分析的結(jié)果。S3C2440A 內(nèi)置 STN/ TFT LCD 控制器，為了方便了接口設(shè)計(jì)，增強(qiáng)系統(tǒng)整體兼容性，選用三星公司推薦的 256K 色 英寸 TFT 真彩觸摸液晶屏LTV350QVF0E，該液晶屏分辨率為 320240。其中涉及到電壓電流的同步采樣、采樣周期、瞬時(shí)無(wú)功功率法的實(shí)現(xiàn)等問(wèn)題，將在后續(xù)章節(jié)詳細(xì)介紹。 圖 顯示及采集方案本系統(tǒng)只檢測(cè) A、B 相的電壓電流，根據(jù)三相對(duì)稱(chēng)關(guān)系可以計(jì)算得到 C 相的電壓電流，諧波檢測(cè)對(duì) AD 精度及速度都有較高要求，S3C2440 內(nèi)部 AD 不足以滿足，本系統(tǒng)選用 MAX125 芯片作為模/數(shù)轉(zhuǎn)換單元的核心。 諧波檢測(cè)系統(tǒng)的軟件方案軟件方案設(shè)計(jì)包括 OEM 層、系統(tǒng)層和應(yīng)用程序?qū)拥脑O(shè)計(jì)，下文將分別介紹這三層的實(shí)現(xiàn)方案。而上層應(yīng)用程序只需通過(guò)接口函數(shù)發(fā)送采集命令和數(shù)據(jù)讀取命令，然后調(diào)用諧波分析算法模塊生成結(jié)果，不用考慮和底層硬件相關(guān)的操作。另一部分負(fù)責(zé)底層硬件的初始化、啟動(dòng)和加載操作系統(tǒng)，這部分代碼被稱(chēng)為 Boot Loader。將這三部分程序放在一起的代碼包稱(chēng)為板級(jí)支持包（Board Support Package, BSP）。 系統(tǒng)層嵌入式操作系統(tǒng)（Embedded Operation System，EOS）是一種用途廣泛的系統(tǒng)軟件，負(fù)責(zé)嵌入系統(tǒng)的全部軟、硬件資源的分配、任務(wù)調(diào)度，控制、協(xié)調(diào)并發(fā)活動(dòng)。目前較流行的 EOS 有實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和分時(shí)操作系統(tǒng)兩種：(1)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)：實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)用于嵌入式工業(yè)控制等對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高的領(lǐng)域。(2)分時(shí)操作系統(tǒng)：多個(gè)進(jìn)程同時(shí)運(yùn)行，CPU 按時(shí)間片的方式非配運(yùn)行時(shí)間給各個(gè)進(jìn)程，比如 A 進(jìn)程的時(shí)間片用完，CPU 就會(huì)運(yùn)行 B 進(jìn)程的指令。Windows CE 操作系統(tǒng)是微軟公司在 2004 年 7 月推出的 Windows CE 嵌入式操作系統(tǒng)系列中的較新版本，它具有以下特點(diǎn)：(1)精簡(jiǎn)的模塊化操作系統(tǒng)：一個(gè)最小的可運(yùn)行 WinCE 的內(nèi)核只占用 200KB內(nèi)存。(2)多硬件系統(tǒng)平臺(tái)支持：WinCE 支持在多種不同的 CPU 硬件平臺(tái)上運(yùn)行，例如本文設(shè)計(jì)中采用的 ARM 平臺(tái)，也包括 x8MIPS 等嵌入式領(lǐng)域主流 CPU 體系。(4)強(qiáng)大的開(kāi)發(fā)工具：可選擇的開(kāi)發(fā)工具有 eMbedded Visual C++、VisualStudio 2005 和 Platform Builder 。對(duì)于本文設(shè)計(jì)的電力諧波檢測(cè)系統(tǒng)而言，主要考慮操作系統(tǒng)穩(wěn)定性、圖形界面開(kāi)發(fā)的效率、開(kāi)發(fā)工具及 BSP 包的支持程度等。另外 WINCE 和 Windows 桌面系統(tǒng)的應(yīng)用界面完全一致，對(duì)于熟悉 Windows 桌面系統(tǒng)的用戶而言操作起來(lái)沒(méi)有習(xí)慣上的障礙。 應(yīng)用層系統(tǒng)應(yīng)用層的主要功能是實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，輸入諧波檢測(cè)參數(shù)，控制諧波采樣信號(hào)的啟動(dòng)與停止，讀取采樣結(jié)果，調(diào)用諧波檢測(cè)算法模塊生成檢測(cè)結(jié)果，顯示諧波檢測(cè)結(jié)果。要控制諧波采樣信號(hào)就需要與底層驅(qū)動(dòng)交互，主要通過(guò)中間接口函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，在 WINCE 中有種驅(qū)動(dòng)接口被稱(chēng)為流驅(qū)動(dòng)接口，通過(guò)流驅(qū)動(dòng)的接口標(biāo)準(zhǔn)即可實(shí)現(xiàn) API函數(shù)調(diào)用，這部分將在第 5 章詳細(xì)說(shuō)明。采樣結(jié)果的讀取也是通過(guò)流驅(qū)動(dòng)與底層 GPIO 端口交互，當(dāng)采樣周期結(jié)束后，調(diào)用諧波分析算法模塊，計(jì)算用戶設(shè)定檢測(cè)的某次諧波電壓和諧波電流指標(biāo)。 本章小結(jié)本章首先介紹了嵌入式系統(tǒng)的定義、特點(diǎn)以及組成，然后設(shè)計(jì)了嵌入式諧波檢測(cè)系統(tǒng)的軟硬件方案。在軟件方案設(shè)計(jì)中，采用 OEM 層、系統(tǒng)層和應(yīng)用層的三層架構(gòu)，增強(qiáng)了系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的靈活性。所以電源需要提供 和 兩個(gè)電壓等級(jí)。由 MAX8860EUA 低壓差線性穩(wěn)壓源構(gòu)成輸出 的電源電路如圖 所示。利用 JTAG 對(duì) Flash 器件的在線編程功能，可以在線下載 Boot Loader 程序到 Nor Flash 芯片。另外，JTAG 還被應(yīng)用于諧波檢測(cè)系統(tǒng)中底層驅(qū)動(dòng)的調(diào)試，JTAG(Join TestAction Group)原指聯(lián)合測(cè)試行動(dòng)組織，這個(gè)組織最早提出了一種測(cè)試訪問(wèn)端口和邊界掃描體系結(jié)構(gòu)(Test Access Port and Boundary—Scan Architecture)[20]。JTAG 最初是用來(lái)對(duì)芯片進(jìn)行測(cè)試的，基本原理是在器件內(nèi)部定義一個(gè)TAP(Test Access Port，測(cè)試訪問(wèn)端口)，通過(guò)專(zhuān)用的 JTAG 測(cè)試工具對(duì)器件內(nèi)部節(jié)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試。利用 JTAG 可以方便的對(duì)目標(biāo)板進(jìn)行調(diào)試和程序燒寫(xiě)，使硬件電路的開(kāi)發(fā)過(guò)程更加高效。TAP(Test Access Port)控制器利用邊界掃描鏈可以實(shí)現(xiàn)對(duì)芯片的輸入輸出進(jìn)行觀察和控制。TAP 控制器實(shí)際上是一個(gè)有 16 種狀態(tài)的同步狀態(tài)機(jī)，每一種狀態(tài)的轉(zhuǎn)換是通過(guò) TMS 和 TCK 的狀態(tài)來(lái)觸發(fā) TAP 測(cè)試訪問(wèn)狀態(tài)機(jī)的主要工作是選擇掃描鏈和提供的各種控制狀態(tài)，TAP 控制器選中的掃描鏈被連接到當(dāng)前 TDI 和 TDO 之間，通過(guò)TDI 和 TDO 就可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)串行的輸入輸出，方便地觀察和控制處在調(diào)試狀態(tài)下的芯片狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)調(diào)試。五個(gè)引腳的功能分別為：(1)TCK(Test Clock)：輸入移位時(shí)鐘，TMS 和 TDI 數(shù)據(jù)在 TCK 的上升沿被采樣，數(shù)據(jù)在時(shí)鐘下降沿輸出到 TDO。 圖 JTAG 接口電路(3)TDI(Test Data In)：數(shù)據(jù)輸入。(5)TDO(Test Data Out)：數(shù)據(jù)輸出。(6)nTRST(Tap Reset)：低電平有效，提供 TAP 控制器復(fù)位功能，與諧波檢測(cè)系統(tǒng)的上電復(fù)位引腳(nRESET)相連。USB HOST 主要用于將諧波檢測(cè)歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至移動(dòng)硬盤(pán)等具有 USB 通訊接口的存儲(chǔ)設(shè)備中，還可以連接鼠標(biāo)和鍵盤(pán)。借助 ActiveSync 軟件通過(guò) USB SLAVE 接口可以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)板和 PC 機(jī)的同步通訊，同步成功后可以在 PC 機(jī)上部署應(yīng)用程序至 WINCE 調(diào)試。利用 S3C2440A 的片上 USB 設(shè)備控制器，設(shè)計(jì) USB HOST 和 USB SLAVE 的接口電路如圖 和 所示。USB_EN連接 S3C2440 外部中斷引腳 EINT20，方便通過(guò)程序控制 USB SLAVE 和 WINCE 的通斷。而本系統(tǒng)又必須安裝嵌入式操作系統(tǒng)來(lái)完成系統(tǒng)軟件的工作。SDRAM 具有空間存儲(chǔ)容量大、價(jià)格便宜、存取速度快的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在各種嵌入式系統(tǒng)中，作為程序的運(yùn)行空間、數(shù)據(jù)及堆棧區(qū)[21]。本系統(tǒng)為 S3C2440A 選擇兩片 16 位 32MB 的 SDRAM HY57V561620F 組成 32位的數(shù)據(jù)總線寬，更能獲得容量和速度上的平衡，硬件連接見(jiàn)圖 所示。 S3C2440 與 FLASH 接口的設(shè)計(jì)SDRAM 雖然具有空間存儲(chǔ)容量大、價(jià)格便宜、存取速度快等優(yōu)點(diǎn)，但是存在SDRAM 中的數(shù)據(jù)在系統(tǒng)掉電后將丟失，因此，SDRAM 不能用來(lái)存放程序。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，使用 Flash 作為程序存儲(chǔ)器越來(lái)越受到歡迎，因?yàn)?Flash 具有功耗低、容量大、擦寫(xiě)速度快等優(yōu)點(diǎn)，是嵌入式系統(tǒng)程序存儲(chǔ)的理想解決方案。在本系統(tǒng)中，WINCE 內(nèi)核的下載是通過(guò) USB 接口，所以在下載前需要運(yùn)行帶有USB 驅(qū)動(dòng)的 Boot Loader，而 Nand Flash 不允許處理器直接讀取代碼執(zhí)行，而S3C2440A 支持從外部的 Nor Flash 啟動(dòng)，上電復(fù)位后將自動(dòng)執(zhí)行存放在 Nor Flash中地址 0x00000000 處的程序，因此 Boot Loader 需要預(yù)先存儲(chǔ)在 Nor Flash 中，然后通過(guò) Boot Loader 加載的 USB 驅(qū)動(dòng)來(lái)下載 WINCE 內(nèi)核。圖 中的引腳說(shuō)明如下：LADDR[1:20]為 20 位地址線，LDATA[0:15]為 16 位數(shù)據(jù)線，20 位地址線可以訪問(wèn) 1M 個(gè)存儲(chǔ)單元，每個(gè)存儲(chǔ)單元 16 位。(2)S3C2440A 與 Nand Flash 的連接電路設(shè)計(jì)Nor Flash 的訪問(wèn)速度快，但是價(jià)格與 Nand Flash 比是非常昂貴的。S3C2440A集成有專(zhuān)門(mén)的 NAND Flash 控制器，可以實(shí)現(xiàn) S3C2440A 與 K9F1208 的無(wú)縫連接，電路如圖 所示。 S3C2440 與 LCD 的接口設(shè)計(jì)LCD 液晶顯示電路是本系統(tǒng)設(shè)計(jì)所必須的，因?yàn)橹C波檢測(cè)結(jié)果要實(shí)時(shí)的在 LCD上直觀地顯示，同時(shí)系統(tǒng)只有一個(gè)電源按鈕，其它功能按鍵全部通過(guò)點(diǎn)擊觸摸屏來(lái)操作，這也是 WINCE 的應(yīng)用所必須的，S3C2440A 內(nèi)置 STN/ TFT LCD 控制器，大大方便了接口設(shè)計(jì)，可以直接引線到連接端口處，本系統(tǒng)選用三星公司所推薦的 寸觸摸屏 LTV350QVF0E，接口電路如圖 所示。