1、重庆理工大学毕业论文 交流波形采样系统设计及实现编号 毕业设计（论文）题目 交流波形采样系统设计及实现 二级学院 计算机科学与工程学院 专 业 计算机科学与技术 班 级 XXXXXXXXXXX 学生姓名 学号 XXXXXXXX 指导教师 职称 XXXXX 时 间 年 月 重庆理工大学毕业论文 交流波形采样系统设计及实现目 录摘 要 .IAbstract.II1 绪 论 .11.1 研究背景 .11.2 研究意义 .12 硬件简介及设计 .32.1 ARM 与 ARM7 简介 .32.2 仿真器 .62.3 AD 采样 .73 软件简介及设计 .113.1 KEIL MDK 简介 .113.2
2、MODBUS 通讯协议简介 .133.3 串口协议简介 .173.4 AD 采样源程序 .254 系统的调试 .305 结果与分析 .32总 结 .34致 谢 .35参 考 文 献 .36文献综述 .37重庆理工大学毕业论文 交流波形采样系统设计及实现I摘 要交流采样是电网进行微机保护的重要一步，交流采样方法的优劣直接影响到微机保护的效果。本系统采用 ARM7 制作交流采样电路，使其实现高速、准确的交流采样，通过软件控制实现交流波形采样功能。本文介绍了在 KEIL MDK 开发平台下编写应用程序，通过串口传输功能至 ARM7来实现对交流信号的采样硬件电路设计，完成电力波形采集（AD）、通讯及串
3、口屏曲线绘制。论文总共分为几部分：（1）介绍目前交流采样的几种方式和交流采样的整体结构、设计思路以及本课题的设计意义和目的。（2）介绍了 ARM 微处理器的发展和对关键部分进行了详细描述以及本设计的基本方案。（3）重点介绍了在 KEIL MDK 下编写应用程序通过串口传输至 ARM 来实现交流波形的采样的具体功能实现。（4）介绍串口传送协议、AD 采样和采样的波形显示等等。（5）联机测试程序并完成调试。实验结果表明，基于 ARM 的交流波形采样系统满足我们所需的要求，程序实现简单，总体方案结构简单，可靠性高，成本低，可使电力管理系统进一步完善。关键词：交流采样；KEIL MDK;ARM;AD
4、采样；串口重庆理工大学毕业论文 交流波形采样系统设计及实现IIAbstractAC sampling grid is an important step in the microcomputer protection, AC sampling of the merits of the method of directly affect the effect of microcomputer protection。The system uses ARM7 making AC sampling circuit the realization of high-speed, accurate AC s
5、ampling, achieved through software control of the AC waveform sampling function。This paper introduces under keil MDK development platform to write application program, through the serial transmission function to the ARM7 to realize the AC signal sampling hardware circuit design, complete power wavef
6、orm acquisition (AD), serial communications and screen curve drawing。The paper altogether divides into several parts: (1) introduces the AC sampling in several ways and the AC sampling of the overall structure, design ideas and the subject of design meaning and purpose。 (2) introduces the developmen
7、t of ARM microprocessor and the key part was described in detail and the design of the basic scheme 。(3) is introduced in the Keil MDK application procedures for the preparation of the Serial transmission to ARM to achieve the realization of the exchange waveform sampling of the specific functions。
8、(4) introduced the serial transmission protocol, AD sampling and sampling waveform display, and so on 。(5) online testing procedures and complete the debugging。Experimental results show that the AC waveform sampling system based on ARM can meet the requirements of the system, the program is simple,
9、the overall scheme is simple in structure, high reliability and low cost, so that the power management system can be further improved。Key words: AC sampling; MDK ARM; KEIL; AD sampling; serial port重庆理工大学毕业论文 交流波形采样系统设计及实现11 绪 论1.1 研究背景电力系统在运行中，可能发生各种故障和不正常运行状态，最常见同时也是最危险的故障是发生各种形式的短路。电力系统中电气元件的正常工作遭
10、到破坏，但没有发生故障，这种情况属于不正常运行状态。故障和不正常运行状态都可能在电力系统中引起事故，系统事故的发生，除了由于自然条件的因素以外，一般都是由于设备制造上的缺陷、设计和安装的错误、检修质量不高或运行维护不当而引起的。在电力系统中，除应采取各项积极措施消除或减少发生故障的可能性意外，故障一旦发生，必须迅速而有选择性的切除故障元件，这是保证电力系统安全运行的最有效方法之一。继电保护装置到目前为止大部分都被电子元件或计算机代替，在微机保护系统当中，交流采样装置是微机保护很重要的一部分，其采样精度直接影响到了微机保护的准确度。随着电力系统的快速发展，电网容量的扩大使其结构更加复杂，实时监控
11、、调节的自动化显得尤为重要。而在实现自动化的过程中，最关键的环节是数据采集。 采用交流采样方式的远动设备在全国电力调度系统已普遍采用，为加强对地区电网调度自动化系统交流采样测量装置的精度检验、设备运行维护、设备投运前验收等工作的科学化、规范化管理，确保远动采集数据准确、可靠，为地区经济服务，因此有必要进行交流采样。1.2 研究意义交流采样是将二次测得的电压、电流经高精度的 PT、CT 隔离变成计算机可测量的交流小信号，然后再送入计算机进行处理。直接计算 U、I，然后计算P、Q、cos、kWh、kvarh，由于这种方法能够对被测量的瞬时值进行采样，因而实时性好，效率高，相位失真小，适用于多参数测
12、量。实践证明，采用交流采样方法进行数据采集，通过算法运算后获得的电压、电流、有功功率、功率因数等电力参数有着较好的准确度和稳定性，进行交流波形采样能更好的分析和管理电力系统。近几年来随着半导体技术的高速发展，各种种类的新型处理器相继问世，让开重庆理工大学毕业论文 交流波形采样系统设计及实现2发运用在电力系统中的高速采样系统成为了可能。本课题介绍的交流采样系统使用KEIL MDK 和 ARM7 对交流信号进行采样，具有实时性好、高准确高的优点，研究一种高实时性、高准确性的采样系统，对提高微机保护的性能至关重要，这是本课题研究的意义。重庆理工大学毕业论文 交流波形采样系统设计及实现32 硬件简介及
13、设计2.1 ARM 与 ARM7 简介ARM（Advanced RISC Machines），既可以认为是一个公司的名字，也可以认为是对一类微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字。 1991 年 ARM 公司成立于英国剑桥，主要出售芯片设计技术的授权。目前，采用 ARM 技术知识产权（IP）核的微处理器，即我们通常所说的 ARM 微处理器，已遍及工业控制、消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等各类产品市场，基于 ARM 技术的微处理器应用约占据了 32 位 RISC 微处理器 75以上的市场份额，ARM 技术正在逐步渗入到我们生活的各个方面。 ARM 公司是专门从事基于 RISC
14、技术芯片设计开发的公司，作为知识产权供应商，本身不直接从事芯片生产，靠转让设计许可由合作公司生产各具特色的芯片，世界各大半导体生产商从 ARM 公司购买其设计的 ARM 微处理器核，根据各自不同的应用领域，加入适当的外围电路，从而形成自己的 ARM 微处理器芯片进入市场。目前，全世界有几十家大的半导体公司都使用 ARM 公司的授权，因此既使得 ARM 技术获得更多的第三方工具、制造、软件的支持，又使整个系统成本降低，使产品更容易进入市场被消费者所接受，更具有竞争力。ARM 微处理器的应用领域:到目前为止，ARM 微处理器及技术的应用几乎已经深入到各个领域：1、工业控制领域：作为 32 的 RI
15、SC 架构，基于 ARM 核的微控制器芯片不但占据了高端微控制器市场的大部分市场份额，同时也逐渐向低端微控制器应用领域扩展，ARM 微控制器的低功耗、高性价比，向传统的 8 位/16 位微控制器提出了挑战。2、无线通讯领域：目前已有超过 85%的无线通讯设备采用了 ARM 技术， ARM 以其高性能和低成本，在该领域的地位日益巩固。3、网络应用：随着宽带技术的推广，采用 ARM 技术的 ADSL 芯片正逐步获得竞争优势。此外，ARM 在语音及视频处理上行了优化，并获得广泛支持，也对 DSP 的应用领域提出了挑战。4、消费类电子产品：ARM 技术在目前流行的数字音频播放器、数字机顶盒和游戏机中得
16、到广泛采用。5、成像和安全产品：现在流行的数码相机和打印机中绝大部分采用 ARM 技术。手机中的 32 位 SIM 智能卡也采用了 ARM 技术。除此以外，ARM 微处理器及技术还应用到许多不同的领域，并会在将来取得更加广泛的应用。重庆理工大学毕业论文 交流波形采样系统设计及实现4ARM 微处理器的特点: 采用 RISC 架构的 ARM 微处理器一般具有如下特点： 1、体积小、低功耗、低成本、高性能；2、支持 Thumb（16 位）/ARM（32 位）双指令集，能很好的兼容 8 位/16 位器件；3、大量使用寄存器，指令执行速度更快；4、大多数数据操作都在寄存器中完成；5、寻址方式灵活简单，执
17、行效率高；6、指令长度固定。ARM7 系列微处理器为低功耗的 32 位 RISC 处理器，最适合用于对价位和功耗要求较高的消费类应用。ARM7 微处理器系列具有如下特点：具有嵌入式 ICERT 逻辑，调试开发方便。极低的功耗，适合对功耗要求较高的应用，如便携式产品。能够提供 0.9MIPS/MHz 的三级流水线结构。代码密度高并兼容 16 位的 Thumb 指令集。对操作系统的支持广泛，包括 Windows CE、Linux、Palm OS 等。指令系统与 ARM9 系列、ARM9E 系列和 ARM10E 系列兼容，便于用户的产品升级换代。主频最高可达130MIPS，高速的运算处理能力能胜任绝
18、大多数的复杂应用。ARM7 系列微处理器的主要应用领域为：工业控制、Internet 设备、网络和调制解调器设备、移动电话等多种多媒体和嵌入式应用。ARM7 系列微处理器包括如下几种类型的核：ARM7TDMI、ARM7TDMI-S、ARM720T、ARM7EJ。其中，ARM7TMDI 是目前使用最广泛的32 位嵌入式 RISC 处理器，属低端 ARM 处理器核。TDMI 的基本含义为：T：支持 16为压缩指令集 Thumb；D：支持片上 Debug；M：内嵌硬件乘法器（Multiplier）I：嵌入式 ICE，支持片上断点和调试点。重庆理工大学毕业论文 交流波形采样系统设计及实现5硬件整体流程
19、图如图 2.1 ：图 2.1 硬件整体流程图重庆理工大学毕业论文 交流波形采样系统设计及实现6硬件电路图如图 2.2 ：图 2.2 硬件电路图2.2 仿真器单片机仿真器是一种在电子产品开发阶段代替单片机芯片进行软硬件调试的开发工具。配合集成开发环境使用仿真器可以对单片机程序进行单步跟踪调试，也可以使用断点、全速等调试手段，并可观察各种变量、RAM 及寄存器的实时数据，跟踪程序的执行情况。同时还可以对硬件电路进行实时的调试。利用单片机仿真器可以迅速找到并排除程序中的逻辑错误，大大缩短单片机开发的周期。在现场只利用烧录器反复烧写单片机，通过肉眼观察结果进行开发的方法大大增加了调试的难度，延长了整个开发周期，并且不容易发现程序中许多隐含的错误，特别对于单片机开发经验不丰富的初学者来说更加困难，由此可见，单片机仿真器单片机系统开发中发挥着重要的作用。一个理想的单片机仿真器使开发者能观察到单片机内部的操作仿真器是使替代单片机并使单片机操作可视化的硬件工具。 一个 ICE 应包括两个接口一个是连接到目标板上的 MCU 插座 另一个与 PC 相连。仿真器应该与目标 MCU 在电气及物理上等价并能在开发系统中替代 M 目标系统的操作可由 PC 得以控制及观察。在开发初期开发系统依靠仿真器工作当目标功能完善后
