Σχεδίαση Έξυπνου Μετρητή Ηλεκτρικής Ενέργειας

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών Τομέας Ηλεκτρονικής και Υπολογιστών Διπλωματική Εργασία Σχεδίαση Έξυπνου Μετρητή Ηλεκτρικής Ενέργειας ΜΑΝΩΛΑΣ ΝΙΚΟΛΑΟΣ ΑΕΜ: 6300 Υπό την Επίβλεψη του Αναπληρωτή Καθηγητή κ. ΛΟΥΚΑ ΠΕΤΡΟΥ και του Λέκτορα κ. ΓΕΩΡΓΙΟΥ ΑΝΔΡΕΟΥ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ, ΙΟΥΛΙΟΣ 2012

2 Ευχαριστίες Η παρούσα διπλωματική εργασία με θέμα «Σχεδίαση Έξυπνου Μετρητή Ηλεκτρικής Ενέργειας» υποδείχθηκε από τους κ. Λουκά Πέτρου, αναπληρωτή Καθηγητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης και τον κ. Γεώργιο Ανδρέου, Λέκτορα του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης τους οποίους ευχαριστώ θερμά για την εμπιστοσύνη που μου έδειξαν, την καθοδήγηση και την άψογη συνεργασία. Τέλος, το μεγαλύτερο ευχαριστώ οφείλω στην οικογένειά μου και στους φίλους μου για τη στήριξη που μου προσέφεραν κατά τη διάρκεια εκπόνησης της παρούσας διπλωματικής εργασία. Μανώλας Νικόλαος Θεσσαλονίκη, Ιούλιος

3 Περίληψη ΣΧΕΔΙΑΣΗ ΕΞΥΠΝΟΥ ΜΕΤΡΗΤΗ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Μανώλας Νικόλαος Διπλωματική Εργασία Ιούλιος 2012 Η παρούσα διπλωματική εργασία έχει ως στόχο το σχεδιασμό μίας μετρητικής διάταξης πραγματικού χρόνου, ενός συστήματος το οποίο θα παρέχει τη δυνατότητα δειγματοληψίας των ηλεκτρικών μεγεθών μιας οικιακής ηλεκτρικής εγκατάστασης (ηλεκτρικό ρεύμα και ηλεκτρική τάση). Η σχεδίαση ενός τέτοιου συστήματος έχει δύο βασικές συνιστώσες, τον προσδιορισμό των απαιτήσεων του συστήματος και την επιλογή των απαιτούμενων εξαρτημάτων με τα επιθυμητά χαρακτηριστικά που θα απαρτίζουν το σύστημα. Η υπό σχεδίαση μετρητική διάταξη, πέραν της λήψης των τιμών τάσης και ρεύματος, αναλαμβάνει την επεξεργασία τους με χρήση μικροεπεξεργαστή και τέλος, πραγματοποιεί την αποστολή τους σε εύκολα επεξεργάσιμη μορφή σε ηλεκτρονικό υπολογιστή. Η εν λόγω διπλωματική εργασία αποτέλεσε αντικείμενο μελέτης θεμάτων τόσο του τομέα ηλεκτρικής ενέργειας αλλά και του τομέα ηλεκτρονικής και υπολογιστών, καθώς απαιτεί το προγραμματισμό ηλεκτρονικών εξαρτημάτων για τη μελέτη και ανάλυση ενεργειακών μεγεθών. 3

4 Πίνακας Περιεχομένων Κατάλογος Εικόνων και Σχημάτων... 6 Κατάλογος Πινάκων Εισαγωγή Αναγκαιότητα αναλυτικών μετρήσεων σε οικιακές ηλεκτρικές εγκαταστάσεις Τι είναι Έξυπνος Μετρητής Ηλεκτρικής Ενέργειας Παρούσες Λύσεις Μη παρεμβατική επιτήρηση φορτίων υπογραφές φορτίου Στόχος Διπλωματικής Εργασίας Δομή Διπλωματικής Εργασίας Ανάλυση Υλικού Χαρακτηριστικά διάταξης Αισθητήρας Τάσης Αισθητήρας Ρεύματος Μικροεπεξεργαστής: Atmel ATUC3A Αναπτυξιακή πλακέτα Atmel UC3-A3 Xplained AVR32UC CPU Flash Memory Static Random Access Memory (SRAM) External Bus Interface (SDRAM, Static Memory) Jtag Interface / Nexus 2+ On Chip Debug (OCD) Ταλαντωτές Χρονισμού RS232: Σειριακή Θύρα Επικοινωνίας USB: Θύρα επικοινωνίας H Αναπτυξιακή πλακέτα ATMEL UC3-A3 XPLAINED Analog to Digital Converter (ADC) Σφάλματα του Analog to Digital Converter Δειγματοληψία Παράμετροι του AD Συνδεσμολογία Συσκευών Μορφοτροπέας τάσης (Voltage Transducer) Μορφοτροπέας Ρεύματος (Current Transducer) Μετατροπέας Αναλογικού σε Ψηφιακό (Analog to Digital Converter)

5 Σύνδεση με την αναπτυξιακή πλακέτα ATMEL UC3-A3 XPLAINED Μετρητική Διάταξη Υλοποίηση Λογισμικού Εισαγωγή Στόχος και Περιορισμοί Μέρη του Λογισμικού Γενική Περιγραφή Μετρητής Πραγματικού Χρόνου Λειτουργία Ελεγκτή SDRAM Επικοινωνία Μέσω Θύρας USB Ανάλυση Αλγορίθμων και Λογισμικού Μικροελεγκτή Αλγόριθμος Διαχείρισης Ρουτίνας Διακοπής Μετρητή Πραγματικού Χρόνου Αλγόριθμος Αναγνώρισης Γεγονότων Αλγόριθμος Αποθήκευσης και Αποστολής Τιμών Δοκιμές Αλγορίθμων Συμπεράσματα και Επεκτάσεις Συμπεράσματα Μελλοντική Έρευνα Επεκτάσεις Αναφορές

6 Κατάλογος Εικόνων και Σχημάτων Σχήμα 1: Fluke 1760 Three - Phase Power Quality Recorder Σχήμα 2: G4500 BLACKBOX Portable Power Quality Analyzer Σχήμα 3: Ρεύμα εκκίνησης και στάσιμης κατάστασης λάμπας ενεργειακής απόδοσης Α Σχήμα 4: Αρμονικό περιεχόμενο λάμπας ενεργειακής απόδοσης Α Σχήμα 5: Ρεύμα εκκίνησης και στάσιμης κατάστασης blender Σχήμα 6: Αρμονικό περιεχόμενο blender Σχήμα 7: Three-Phase Four-Wire AC Voltage Transducer Σχήμα 8: Q1 Clamp-on Probe Current Transducer (Μορφοτροπέας Ρεύματος) Σχήμα 9: Block diagram του AT32UC3A Σχήμα 10: Συνολική επισκόπηση του AVR32UC CPU Σχήμα 11: Block Διάγραμμα του SRAM Controller Σχήμα 12: Frame προς μετάδοση Σχήμα 13: Φόρμα μετάδοσης RS Σχήμα 14: Block diagram του USB τμήματος του AVR32UC Σχήμα 15: Σύνδεση τμήματος USB με γραμμή μεταφοράς Σχήμα 16: Εικόνα της πλακέτας ATMEL UC3-A3 XPLAINED Σχήμα 17: Επεξήγηση των τμημάτων της πλακέτας ATMEL UC3-A3 XPLAINED Σχήμα 18: Block Diagram του AD Σχήμα 19: Καταχωρητής Διαδοχικών Προσεγγίσεων Σχήμα 20: Χαμηλοπερατό Φίλτρο εισόδων του AD Σχήμα 21: Διαστάσεις Μορφοτροπέα Τάσης Σχήμα 22: Διάγραμμα συνδέσεων Μορφοτροπέα Τάσης Σχήμα 23: Διαστάσεις Μορφοτροπέα Ρεύματος Σχήμα 24: Διάγραμμα συνδέσεων Μορφοτροπέα Ρεύματος Σχήμα 25: Διαστάσεις AD Σχήμα 26: Διάταξη των Pins του AD Σχήμα 27: Διαδικασία Λήψης τιμών με χρήση του Interface Σχήμα 28: Σχήμα όλων των Διασυνδέσεων Σχήμα 29: Επικοινωνία με USB Σχήμα 30: Διασύνδεση USB Device Stack με την Εφαρμογή Σχήμα 31: Συνοπτικό Διάγραμμα Ροής Αλγορίθμου Σχήμα 32: Διάγραμμα Ρεύματος - Χρόνου (1) Σχήμα 33: Χρονικό Παράθυρο 0.96sec sec Σχήμα 34: Διάγραμμα Ρεύματος - Χρόνου (2) Σχήμα 35: Χρονικό Παράθυρο 0.96sec sec Σχήμα 36: Χρονικό Παράθυρο 2.88sec - 3sec Σχήμα 37: Διάγραμμα Ρεύματος - Χρόνου (3) Σχήμα 38: Χρονικό Παράθυρο 0.96sec sec Σχήμα 39: Χρονικό Παράθυρο 2.88sec - 3sec

7 Κατάλογος Πινάκων Πίνακας 1: Αντιστοίχηση του Port 1 με τα αντίστοιχα Pins Πίνακας 2: Αντιστοίχηση του Port 2 με τα αντίστοιχα Pins Πίνακας 3: Αντιστοίχηση του Port 3 με τα αντίστοιχα Pins Πίνακας 4: Αντιστοίχηση του Port 4 με τα αντίστοιχα Pins Πίνακας 5: Εξήγηση Λειτούργιας των Pins Πίνακας 6: Αντιστοίχιση του Port 1 Pins Πίνακας 7: Αντιστοίχιση του Port 2 - Pins Πίνακας 8: Αντιστοίχιση του Port 3 - Pins Πίνακας 9: Αντιστοίχιση του Port 4 - Pins Πίνακας 10: Αλγόριθμος επικοινωνίας Μικροελεγκτή με τον AD Πίνακας 11: Σειρά Αποθήκευσης Τιμών Πίνακας 12: Ακέραιος σταθερής υποδιαστολής

8 1. Εισαγωγή 1.1. Αναγκαιότητα αναλυτικών μετρήσεων σε οικιακές ηλεκτρικές εγκαταστάσεις Είναι γεγονός ότι οι σύγχρονες ανάγκες του ανθρώπου για την κατανάλωση ενέργειας συνεχώς αυξάνονται. Παρόλα αυτά οι πηγές ενέργειας, οι οποίες είναι διαθέσιμες, λιγοστεύουν σε επικίνδυνο βαθμό. Εκτός από την προφανή λύση εύρεσης νέων μορφών και πηγών ενέργειας, προέκυψε και η ανάγκη παρακολούθησης της κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας σε οικιακές ηλεκτρικές εγκαταστάσεις. Η καταγραφή και η μέτρηση των αντίστοιχων απαιτούμενων μεγεθών (ηλεκτρικών τάσεων και ρευμάτων) πραγματοποιείται με τη χρήση ειδικά σχεδιασμένων για τη δεδομένη εφαρμογή συσκευών. Ένας από τους σημαντικότερους λόγους που καθιστά επιτακτική την αναλυτική μέτρηση των μεγεθών αυτών είναι τα οφέλη που μπορεί να προκύψουν για το περιβάλλον. Η καταγραφή των μετρήσεων και η ανάλυση τους μπορεί να οδηγήσει σε πρακτικές που θα αποφέρουν αξιοσημείωτη εξοικονόμηση ενέργειας, η οποία συνεπάγεται τη μείωση της εκπομπής ρύπων. Η εξοικονόμηση και ορθολογική χρήση της ηλεκτρικής ενέργειας και κατ επέκταση των φυσικών πόρων δεν έχει μόνο περιβαλλοντικά κέρδη αλλά και προσωπικά οφέλη για τον κάθε καταναλωτή. Πιο συγκεκριμένα, ο εκάστοτε καταναλωτής, μέσω της παρακολούθησης της ατομικής του κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας, έχει τη δυνατότητα μείωσης των εξόδων του που αφορούν σε αυτήν καθώς του παρέχεται επακριβής αντίληψη και γνώση του πόσο ενεργειακά ζημιογόνα είναι η κάθε ηλεκτρική συσκευή του. Συνεπώς, η πρόσβαση του εκάστοτε καταναλωτή σε αναλυτικές μετρήσεις κατανάλωσης ρεύματος των συσκευών που βρίσκονται υπό την εποπτεία και χρήση του μπορεί να οδηγήσει τόσο σε βελτίωση της καταναλωτικής του συμπεριφοράς όσο και σε ανάπτυξη της περιβαλλοντικής του συνείδησης Τι είναι Έξυπνος Μετρητής Ηλεκτρικής Ενέργειας Παρούσες Λύσεις Η αναγκαιότητα για την παρακολούθηση της κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας οδήγησε στην κατασκευή και στην δημιουργία συσκευών, οι οποίες έχουν την δυνατότητα να μετρούν τα βασικά ηλεκτρικά μεγέθη (ηλεκτρικές τάσεις και ρεύματα) με την καλύτερη δυνατή ακρίβεια, και επιπλέον χρησιμοποιούν αυτές τις μετρήσεις για να υπολογίσουν όλα τα υπόλοιπα ηλεκτρικά στοιχεία της εγκατάστασης (π.χ. ενεργή και άεργη ισχύ). Οι συσκευές αυτές ονομάζονται έξυπνοι μετρητές ηλεκτρικής ενέργειας (Smart Meters). Η γενική λειτουργία των έξυπνων μετρητών είναι ότι πραγματοποιούν μετρήσεις σε ψηφιακή μορφή 8

9 δειγματοληπτώντας τις τιμές ρεύματος και τάσης. Το τελικό αποτέλεσμα είναι πραγματικού χρόνου δεδομένα για την κατανάλωση τα οποία είναι ψηφιακά, άρα και εύκολα προς επεξεργασία, αποθήκευση και μεταφορά. Οι έξυπνοι μετρητές ηλεκτρικής ενέργειας έχουν πάρα πολλά πλεονεκτήματα σε σχέση με τους παλιούς ήδη υπάρχοντες ηλεκτρομηχανικούς μετρητές ενέργειας. Ο οποιοσδήποτε μετρητής ηλεκτρικής ενέργειας έχει τη δυνατότητα καταγραφής καταναλισκόμενης ενέργειας, ο έξυπνος μετρητής όμως, εκτός του ότι μετράει με απόλυτη ακρίβεια την τάση και το ρεύμα μπορεί ύστερα από επεξεργασία να υπολογίζει και να εμφανίζει την καταναλισκόμενη μέση ισχύ, το συντελεστή ισχύος, τις αρμονικές τάσης και ρεύματος και άλλα μεγέθη ενέργειας τα οποία μπορεί να ενδιαφέρουν τον εκάστοτε καταναλωτή. Οι έξυπνες αυτές συσκευές μέτρησης εφόσον αποθηκεύουν κάθε χρονική στιγμή την κατανάλωση της εκάστοτε οικιακής εγκατάστασης, μπορούν να χρησιμεύσουν σε αλγορίθμους που έχουν ως στόχο ύστερα από επεξεργασία των αντίστοιχων μετρήσεων να αντιλαμβάνονται ποια ηλεκτρική συσκευή χρησιμοποιείται και πόσο επακριβώς ρεύμα καταναλώνει. Το γεγονός αυτό εξυπηρετεί την καλύτερη διαχείριση άρα και την βελτιστοποίηση του δικτύου διανομής ενέργειας αφού οι παραπάνω πληροφορίες έχουν την δυνατότητα να στέλνονται στον διαχειριστή. Η βελτιστοποίηση αυτή προκύπτει από τη συλλογή όλων των καταγραμμένων δεδομένων μέτρησης και τη δημιουργία μιας ενιαίας βάσης δεδομένων, η οποία θα έχει ως στόχο την κατανόηση των καταναλωτικών συνηθειών. Παράλληλα οι έξυπνοι μετρητές θα μπορούσαν να φανούν χρήσιμοι αν ενσωματώνονταν στο δίκτυο ώστε να πραγματοποιηθεί βέλτιστη χρήση της ηλεκτρικής ενέργειας από ανανεώσιμες πηγές. Επιπρόσθετα, με την εγκατάσταση των έξυπνων μετρητών ηλεκτρικής ενέργειας, ο κάθε καταναλωτής θα μπορεί να ενημερώνεται απευθείας για την εκάστοτε ποσότητα κατανάλωσής του. Η ενημέρωση του καταναλωτή μπορεί να γίνεται με ευκολία στην οθόνη του ηλεκτρονικού υπολογιστή του, εφόσον υπάρχει ασύρματη σύνδεση μεταξύ υπολογιστή και μετρητή. Η συνεχής ενημέρωση του καταναλωτή αποσκοπεί στη μείωση χρήσης κάποιων ηλεκτρικών συσκευών, οι οποίες καταναλώνουν μεγάλες ποσότητες ενέργειας. Υπάρχουν αρκετοί τύποι τέτοιων μετρητών με κυριότερους τους: FLUKE 1750 και FLUKE 1760 ACE 5000, ACE 6000, ACE 7000 ή ACTARIS SL7000 Gran-Electro SS-101 και Gran-Electro SS-301 CTC 5602 και CTC 5605 Voltech - PM 3000 AMPROBE DM-IIΙ 9

10 Trinity Oracle Portable Power Analysis G4500 BLACKBOX Portable Power Quality Analyzer Ένας χαρακτηριστικός έξυπνος μετρητής ηλεκτρικής ενέργειας είναι ο FLUKE 1760 Three-Phase Power Quality Recorder. Η συσκευή αυτή αποτελεί έναν τριφασικό μετρητή ποιότητας ισχύος η οποία έχει την ικανότητα μέτρησης τάσεων, ρεύματος, ενέργειας και ισχύος καθώς και ανάλυσης των αντίστοιχων αρμονικών. Διαθέτει 8 εισόδους κανάλια για μέτρηση τάσεων και ρευμάτων μαζί με τους αντίστοιχους ακροδέκτες και η συχνότητας δειγματοληψίας έχει τη δυνατότητα να φτάσει τα 10.24KHz. Για την επικοινωνία και την μεταφορά δεδομένων μεταξύ της μετρητικής συσκευής και οποιασδήποτε άλλης συσκευής αποθήκευσης δεδομένων, όπως υπολογιστή, η συσκευή διαθέτει θύρες Ethernet και θύρα RS-232. Ακόμη διαθέτει κατάλληλο λογισμικό ανάλυσης και μελέτης των μετρήσεων, το οποίο εγκαθίσταται στον υπολογιστή με τον οποίο επικοινωνεί η συσκευή. Ένα, επίσης πολύ σημαντικό χαρακτηριστικό είναι η διαθέσιμη μνήμη των δυο Giga Byte, η οποία κρίνεται αναγκαία για την αποθήκευση και κατά συνέπεια μεταφορά των μετρητικών αποτελεσμάτων. Με βάση τα παραπάνω χαρακτηριστικά προκύπτει πως ο χρήστης της συσκευής θα έχει την δυνατότητα μέτρησης δύο ανεξάρτητων και ανόμοιων μεταξύ τους συστημάτων, να ανιχνεύσει (αν υπάρχει) το σημείο του σφάλματος είτε αυτό συμβαίνει εντός της μετρούμενης εγκατάστασης είτε όχι, να κάνει λεπτομερή ανάλυση διαταραχών, καθώς και επιβεβαίωση της ποιότητας της εισερχόμενης ισχύος. 10

11 Σχήμα 1: Fluke 1760 Three - Phase Power Quality Recorder Εκτός όμως από τo FLUKE 1760 υπάρχουν μοντέλα μετρητών τα οποία εκτός του ότι διαθέτουν την ίδια υψηλή συχνότητα δειγματοληψίας, διαθέτουν και άλλα τεχνικά χαρακτηριστικά όπως δυνατότητα ασύρματης σύνδεσης και δυνατότητα σύνδεσης GPS. Το μετρητικό όργανο G4500 BLACKBOX Portable Power Quality Analyzer διαθέτει τη δυνατότητα ασύρματης σύνδεσης αλλά σε γενικές γραμμές έχει παρόμοια χαρακτηριστικά με το Fluke 1760 [1]. Σχήμα 2: G4500 BLACKBOX Portable Power Quality Analyzer 11

12 1.3. Μη παρεμβατική επιτήρηση φορτίων υπογραφές φορτίου Η μέτρηση ηλεκτρικών μεγεθών μια συσκευής πραγματοποιείται με δύο τρόπους παρατήρησης φορτίων. Είτε με την μη παρεμβατική επιτήρηση φορτίων (NILM Non Intrusive Load Monitoring), είτε με την παρεμβατική. Η παρεμβατική μέθοδος προκύπτει όταν μεταξύ μιας συσκευής και της τροφοδοσίας παρεμβάλλεται κάποιο μετρητικό όργανο για την παρατήρηση της λειτουργίας της συσκευής. Η παρεμβατική αυτή μέθοδος παρουσιάζει δυσκολίες ως προς τη μέτρηση της συνολικής καταναλισκόμενης ενέργειας αλλά και ως προς την αναγνώριση των συσκευών που είναι σε λειτουργία. Επίσης προφανώς απαιτείται αρκετά μεγάλος αριθμός μετρητικών διατάξεων, εφόσον κάθε συσκευή που υπάρχει απαιτεί και από μία μετρητική συσκευή για να καταγράψει τη λειτουργία της. Όμως το πιο σημαντικό μειονέκτημα αυτής της μεθόδου είναι ότι παρουσιάζονται αρκετά προβλήματα όταν χρειάζεται να γίνει η παρεμβολή σε ένα κύκλωμα. Τα παραπάνω μειονεκτήματα από την χρήση της παρεμβατικής μεθόδου έχει οδηγήσει στην χρήση κυρίως της μη παρεμβατικής επιτήρησης φορτίων. Η διαδικασία της μη παρεμβατικής επιτήρησης φορτίων προκύπτει από την πραγματοποίηση μετρήσεων οικιακών εγκαταστάσεων σε ένα κεντρικό σημείο, όπως είναι ο Γενικός πίνακας Διανομής. Πιο συγκεκριμένα δηλαδή λαμβάνονται τιμές ρεύματος και τάσης ώστε να προσδιορίζεται η συνολική ενέργεια που καταναλώνεται. Η γενική λειτουργία ενός έξυπνου μετρητή ηλεκτρικής ενέργειας ανήκει στην κατηγορία των μη παρεμβατικών επιτηρητών φορτίων. Μεγάλο πλεονέκτημα των μετρητικών διατάξεων NILM είναι ότι μπορούν να αναγνωρίζουν ανά πάσα στιγμή ποιες συσκευές βρίσκονται σε λειτουργία αξιοποιώντας τις υπογραφές φορτίων. Η υπογραφή ενός φορτίου ορίζεται ως η ηλεκτρική συμπεριφορά μίας συσκευής όταν λειτουργεί. Τα χαρακτηριστικά τα οποία συνθέτουν την υπογραφή φορτίου αφορούν το ρεύμα, την τάση, το αρμονικό περιεχόμενο και την ενεργό και άεργη ισχύ του, τόσο στη στάσιμη κατάσταση λειτουργίας, όσο και σε μεταβατικές καταστάσεις (άνοιγμα και κλείσιμο ενός διακόπτη). Παρακάτω παρουσιάζεται [2] το ρεύμα εκκίνησης και στάσιμης κατάστασης καθώς και το αντίστοιχο περιεχόμενο δύο συσκευών, μιας λάμπας ενεργειακής απόδοσης Α και ενός blender. 12

13 Σχήμα 3: Ρεύμα εκκίνησης και στάσιμης κατάστασης λάμπας ενεργειακής απόδοσης Α Σχήμα 4: Αρμονικό περιεχόμενο λάμπας ενεργειακής απόδοσης Α 13

14 Σχήμα 5: Ρεύμα εκκίνησης και στάσιμης κατάστασης blender Σχήμα 6: Αρμονικό περιεχόμενο blender Όπως φαίνεται από τα παραπάνω διαγράμματα το αρμονικό περιεχόμενο εξαρτάται από διάφορους παράγοντες πέρα από τα ονομαστικά χαρακτηριστικά όπως είναι το ποσοστό κατά 14

15 το οποίο το φορτίο είναι ωμικό ή όχι ή παράγοντες που αφορούν τον τρόπο λειτουργίας μιας συσκευής [2]. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα πως ένας έξυπνος μετρητής ηλεκτρικής ενέργειας έχει γνώση των υπογραφών των φορτίων των συσκευών που υπάρχουν σε μία εγκατάσταση και θα μπορεί να αναγνωρίζει ποιες συσκευές είναι σε λειτουργία μέσα από την αναγνώριση των υπογραφών των συσκευών. Η συγκέντρωση της γνώσης των υπογραφών φορτίων αλλά και της δυνατότητας αναγνώρισης της ταυτόχρονης λειτουργίας διαφορετικών συσκευών μπορεί να βοηθήσει στη βελτιστοποίηση της λειτουργίας του δικτύου διανομής. Η βελτιστοποίηση αυτή θα μπορούσε να επιτευχθεί μέσω της δημιουργίας βάσεων δεδομένων με καταναλωτικές συνήθειες αλλά και ρύθμιση των συσκευών ώστε να λειτουργούν ανάλογα με τις ανάγκες που παρουσιάζονται Στόχος Διπλωματικής Εργασίας Καθώς οι απαιτήσεις των χρηστών ενός έξυπνου μετρητή ηλεκτρικής ενέργειας αυξάνονται, κρίθηκε αναγκαία η μελέτη και ο σχεδιασμός μίας μετρητικής διάταξης, η οποία να ικανοποιεί τις απαιτήσεις αυτές. Αυτό σημαίνει πως αυτή η μετρητική διάταξη θα πρέπει να έχει ορισμένα επιθυμητά χαρακτηριστικά. Καταρχάς θα πρέπει να ανήκει στην κατηγορία των μη παρεμβατικών επιτηρητών φορτίων ώστε να μετράται η συνολική ενέργεια που καταναλώνεται σε μία οικιακή ηλεκτρική εγκατάσταση και να μην υπάρχει παρέμβαση στα ήδη υπάρχοντα κυκλώματα. Επίσης η συσκευή αυτή θα πραγματοποιεί τις μετρήσεις σε τριφασικές εγκαταστάσεις. Ένα δεύτερο και αρκετά σημαντικό χαρακτηριστικό είναι η συχνότητα δειγματοληψίας, η οποία αποτελεί σημαντικό στοιχείο για την αναγνώριση υπογραφών φορτίου. Κατά τη διάρκεια του μεταβατικού φαινομένου εμφανίζεται αρμονικό περιεχόμενο, το οποίο για να διαβαστεί σωστά απαιτούνται τουλάχιστον οχτώ μετρήσεις στην περίοδο του ηλεκτρικού σήματος. Πρακτικά αυτό σημαίνει πως το εύρος των συχνοτήτων το οποίο θα μπορεί να διαβαστεί σωστά είναι από μηδέν έως 1.4KHz. Εφόσον η συσκευή θα έχει τη δυνατότητα αναγνώρισης των μεταβατικών φαινομένων, θα πρέπει να γίνεται και αναγνώριση των συσκευών και στη στάσιμη κατάσταση λειτουργίας τους, ώστε η μετρητική διάταξη να δειγματοληπτεί με μικρότερη συχνότητα. Το αποτέλεσμα είναι αρκετά ουσιώδες, αφού κατά αυτόν τον τρόπο μειώνεται αισθητά ο όγκος δεδομένων που είναι απαραίτητος να αποθηκευθεί. Η αναγκαιότητα συνεχόμενων και αδιάλειπτων μετρήσεων, απαιτεί από την μετρητική διάταξη να λειτουργεί χωρίς διακοπές και να είναι πραγματικού χρόνου. Αυτό ουσιαστικά σημαίνει πως η αποστολή των δεδομένων θα πρέπει να γίνεται ταυτόχρονα με τη δειγματοληψία. Επίσης ορισμένα ζητήματα τα οποία οδηγούν σε μία μετρητική διάταξη με περισσότερες 15

16 επεκτάσεις είναι το μέγεθος, η χρηστικότητα, το κόστος ανάπτυξης και η μικρή κατανάλωση ενέργειας της συσκευής. Όλα τα παραπάνω ζητήματα οδήγησαν στην σχεδίαση μιας μετρητικής διάταξης, η οποία συνδυάζει τα εν λόγω χαρακτηριστικά και βασίζεται στην υλοποίηση ενός ενσωματωμένου συστήματος. Ενσωματωμένο σύστημα λέγεται ένα σύστημα το οποίο συνδυάζει υλικό (hardware) και λογισμικό (software) και κάποια πρόσθετα μηχανικά μέρη τα οποία επιτελούν μια συγκεκριμένη λειτουργία. Τα μέρη της μετρητικής διάταξης, τα οποία θα αναλυθούν παρακάτω, είναι ένας μικροελεγκτής, μία συσκευή μετατροπής αναλογικού σήματος σε ψηφιακό και μετατροπείς τάσης και ρεύματος Δομή Διπλωματικής Εργασίας Το πρώτο κεφάλαιο της εν λόγω διπλωματικής εργασίας αποτέλεσε μία εισαγωγή στο ευρύτερο πλαίσιο αναγκών της σύγχρονης αγοράς ηλεκτρικής ενέργειας, στο πώς αυτές οδήγησαν στην αναγκαιότητα σχεδιασμού της διάταξης που αποτέλεσε αντικείμενο της παρούσας εργασίας. Επίσης αναλύει τη θεωρητική πλευρά του προβλήματος που καλείται να επιλυθεί. Το δεύτερο κεφάλαιο παραθέτει την ανάλυση των απαιτήσεων χρηστών, καθώς και τους περιορισμούς του συστήματος, οι οποίες οδήγησαν στην τελική επιλογή των εξαρτημάτων. Ακόμη, παρουσιάζονται αναλυτικά τα χαρακτηριστικά των χρησιμοποιούμενων εξαρτημάτων με στόχο να γίνει κατανοητός ο τρόπος λειτουργίας τους αναφορικά με την διεκπεραίωση των απαιτούμενων διεργασιών. Τέλος, το κεφάλαιο αυτό περιλαμβάνει ανάλυση της συνδεσμολογίας του χρησιμοποιημένου υλικού (hardware). Στο τρίτο κεφάλαιο πραγματοποιείται η αντίστοιχη ανάλυση του λογισμικού (software). Πιο συγκεκριμένα, παρουσιάζεται ο αλγόριθμος στον οποίο βασίστηκε ο σχεδιασμός του λογισμικού του μικροεπεξεργαστή, γίνεται αναφορά στη λειτουργία μεταφοράς των δεδομένων και παρατίθενται βασικά κομμάτια του κώδικα από την πλευρά του μικροεπεξεργαστή. Στο τέταρτο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα συμπεράσματα που προέκυψαν ύστερα από την εκπόνηση της διπλωματική εργασίας και προσδιορίζονται τα ζητήματα που μπορούν να αποτελέσουν αντικείμενο μελλοντικής έρευνας. Τέλος ακολουθούν οι βιβλιογραφικές αναφορές και το παράρτημα Α το οποίο περιέχει τα σχηματικά διαγράμματα τυπωμένου κυκλώματος. 16

17 2. Ανάλυση Υλικού 2.1. Χαρακτηριστικά διάταξης Η ανάγκη σχεδίασης ενός έξυπνου μετρητή ηλεκτρικής ενέργειας με βάση το στόχο της διπλωματικής οδήγησε στην επιλογή διάφορων εξαρτημάτων υλικού, τα οποία συνδεδεμένα μεταξύ τους θα μπορέσουν να επιτελέσουν την μέτρηση ηλεκτρικής ενέργειας (τάσης και ρεύματος) σε συνθήκες πραγματικού χρόνου και με μη παρεμβατική επιτήρηση φορτίου. Οι απαιτήσεις ουσιαστικά μιας τέτοιας διάταξης οδήγησε στην σύνδεση της πλακέτας της εταιρίας Atmel UC3-A3 Xplained, της συσκευής μετατροπής αναλογικού σήματος σε ψηφιακού AD7606-6, ενός αισθητήρα τάσης SSET three-phase four-wire AC Voltage Transducer CE-VJ31-39MSK-0.5 και ενός αισθητήρα ρεύματος HB-Spinix Q1 Clamp-on Probe Current Transducer. Παρακάτω θα γίνει ανάλυση όλων των εξαρτημάτων υλικού και ο λόγος της επιλογής τους Αισθητήρας Τάσης Ο αισθητήρας τάσης αποτελεί το εξάρτημα το οποίο είναι απαραίτητο για την μέτρηση της τριφασικής τάσης σε μία οικιακή ηλεκτρική εγκατάσταση. Η απαίτηση της μη παρεμβατικής επιτήρησης φορτίων, η αναγκαιότητα της ευκολίας εγκατάστασης της μετρητικής διάταξης στον οικιακό χώρο και το κόστος των υπό επιλογή εξαρτημάτων οδήγησε στην επιλογή για την μέτρηση τάσης ενός μορφοτροπέα τάσης (Voltage Transducer) αντί άλλου τύπου εξαρτημάτων όπως Hall-Effect αισθητήρες, αισθητήρες καλωδίων χαμηλής αντίστασης. Ο μορφοτροπέας τάσης είναι ένα ηλεκτρικό εξάρτημα το οποίο έχει την ικανότητα να μετατρέπει μια υψηλή τάση σε σήμα τάσης χαμηλού επιπέδου με μόνωση μεταξύ της πηγής υψηλής τάσης και του σήματος εξόδου. Με αυτόν τον τρόπο είναι δυνατή η μεταφορά με ασφάλεια και πιστότητα ενός σήματος τάσης, το οποίο είναι ανάλογο με την αρχική μετρούμενη τάση, από εξοπλισμό υψηλής ισχύος σε συσκευές μέτρησης ή παρακολούθησης τάσης. Καθώς όμως η χρησιμοποίηση του μορφοτροπέα τάσης αποσκοπεί στην επίτευξη του στόχου της διπλωματικής και κατά συνέπεια στην σωστή συνολική λειτουργία της μετρητικής διάταξης, θα πρέπει ο αυτός να έχει συγκεκριμένα χαρακτηριστικά. Τα χαρακτηριστικά που πρέπει να πληροί είναι τα εξής: Ο μορφοτροπέας τάσης να μπορεί να δεχτεί 400 Volt πολική τάση και 230 Volt φασική τάση, τιμές οι οποίες ισχύουν σε μία οικιακή ηλεκτρική εγκατάσταση. Το ονομαστικό εύρος συχνότητας να καλύπτει την βασική συχνότητα των 50 Hz. 17

18 Η σύνδεση μεταξύ του μορφοτροπέα και των υπό σύνδεση συσκευών να είναι εφικτή. Ο μορφοτροπέας τάσης να μπορεί να μετρήσει ταυτόχρονα τρεις τάσεις, έτσι ώστε να μπορεί να καλύψει τις ανάγκες ενός τριφασικού συστήματος. Ο μορφοτροπέας να δίνει στην έξοδό του τις στιγμιαίες τιμές μέτρησης. Πρέπει να τονισθεί πως στην επιλογή των χαρακτηριστικών για τους αισθητήρες τάσης κυρίαρχο ρόλο έπαιξε πως η τάση εξαρτάται κυρίως από το δίκτυο τροφοδοσίας και δύσκολα επηρεάζεται από τα φορτία που θα υπάρχουν. Επίσης σε οικιακές ηλεκτρικές εγκαταστάσεις κατά τη μέτρηση τάσης το αρμονικό περιεχόμενο θα είναι μικρό, οπότε το εύρος συχνότητας μπορεί να είναι αρκετά μικρό. Εφόσον έπρεπε να πληρούνται τα παραπάνω χαρακτηριστικά επιλέχθηκε ο μορφοτροπέας τάσης της εταιρίας SSET και μοντέλο three-phase four-wire AC Voltage Transducer CE-VJ31-39MSK-0.5. Τα τεχνικά χαρακτηριστικά του εξαρτήματος είναι τα παρακάτω: Υψηλή απομόνωση Χαμηλή κλίση Μικρό μέγεθος Τερματικό εισόδου Ειδική βάση τοποθέτησης Οι προδιαγραφές του συγκεκριμένου μορφοτροπέα τάσης είναι [3]: Έξοδος: 0 έως 5Volt DC Τροφοδοσία: 220Volt (AC/DC) Ακρίβεια: 0.5 Θερμοκρασία Λειτουργίας: Εύρος Μέτρησης: 0 600V AC Τάση Απομόνωσης: 2500V DC Ικανότητα Φορτίου: 2ΚΩ Χρόνος Απόκρισης: 400ms Τριφασική Λειτουργία 18

19 Σχήμα 7: Three-Phase Four-Wire AC Voltage Transducer 2.3. Αισθητήρας Ρεύματος Ο αισθητήρας ρεύματος αποτελεί το εξάρτημα το οποίο είναι απαραίτητο για την μέτρηση του ρεύματος σε μία οικιακή ηλεκτρική εγκατάσταση. Η προσπάθεια μη παρεμβατικής επιτήρησης φορτίων και η αναγκαιότητα της ευκολίας της εγκατάστασης της μετρητικής διάταξης οδήγησε στην επιλογή για την μέτρηση του ρεύματος ενός μορφοτροπέα ρεύματος (Current Transducer) με χρήση βρόχου μέτρησης(clamps). Άλλοι τύποι αισθητήρων που δεν προτιμήθηκαν για λόγους είτε κόστους είτε ευκολίας εγκατάστασης είτε τεχνικών χαρακτηριστικών είναι τα πηνία Rogowski, αισθητήρες Hall Effect ανοικτού ή κλειστού κύκλου, αντιστάσεις η τάση των οποίων είναι ευθέως ανάλογη με το ρεύμα που τις διαπερνά, μετατροπείς ρεύματος διάσπασης πυρήνα (split - core), αισθητήρες οπτικών ινών οι οποίοι χρησιμοποιώντας συμβολόμετρο (interferometer) μετρούν την αλλαγή φάσης του φωτός που παράγεται από ένα μαγνητικό πεδίο. Ο μορφοτροπέας ρεύματος είναι ένα ηλεκτρικό εξάρτημα το οποίο έχει την ικανότητα να ανιχνεύει το ηλεκτρικό ρεύμα σε ένα καλώδιο και να δημιουργεί ένα σήμα ανάλογο ως προς αυτό. Το παραγόμενο σήμα μπορεί να είναι ρεύμα ή αναλογική τάση ή ψηφιακό σήμα. Με την ικανότητα αυτή που έχει ο μορφοτροπέας ρεύματος είναι δυνατή η αναγνώριση του ρεύματος και στη συνέχεια με κατάλληλη σύνδεση με τα άλλα εξαρτήματα της μετρητικής διάταξης η διαχείριση των δεδομένων τα οποία προέκυψαν. Καθώς όμως η χρησιμοποίηση του μορφοτροπέα ρεύματος αποσκοπεί στην επίτευξη του στόχου της διπλωματικής και κατά συνέπεια στην σωστή συνολική λειτουργία της μετρητικής 19

20 διάταξης, θα πρέπει ο μορφοτροπέας να έχει συγκεκριμένα χαρακτηριστικά. Τα χαρακτηριστικά που πρέπει να πληροί είναι τα εξής: Το ονομαστικό εύρος συχνότητας να κυμαίνεται από 50Hz 10KHz Το ονομαστικό ρεύμα εισόδου να κυμαίνεται από 0 35Ampere Το σήμα εξόδου να είναι αναλογική τάση των 5Volt Η κατασκευή του να μην προϋποθέτει μόνιμη βάση αλλά να διαθέτει βρόχους μέτρησης. Η ακρίβεια του μορφοτροπέα να έχει τιμή κοντά στο 1% Ο μορφοτροπέας να δίνει στην έξοδό του τις στιγμιαίες τιμές μέτρησης. Σε αυτό το σημείο πρέπει να τονισθεί πως η επιλογή της συχνότητας μέτρησης προήλθε από την μελέτη των υπογραφών φορτίου. Εφόσον στο ρεύμα μπορεί να υπάρξουν σημαντικές αρμονικές σε κάποια υπό μέτρηση φορτία και το γεγονός ότι επιθυμούμε τη μέτρηση ρεύματος και σε μεταβατικά φαινόμενα θα πρέπει ο αισθητήρας του ρεύματος να διαθέτει υψηλό εύρος συχνοτήτων. Με βάση αυτήν τη λογική κρίθηκε αναγκαία η συχνότητα λειτουργίας του μορφοτροπέα να έχει ως ανώτατο όριο τα 10KHz. Με βάση τα παραπάνω χαρακτηριστικά και με βάση το κόστος και τη συνολική λειτουργία του μορφοτροπέα ρεύματος προτιμήθηκε η χρησιμοποίηση του Q1 Clamp-on Probe Current Transducer (μοντέλο: CDLH-T1Q15-XXA) της εταιρίας HB-Spinix. Τα τεχνικά χαρακτηριστικά και οι προδιαγραφές του εξαρτήματος που επιλέχθηκε είναι τα παρακάτω [4]: Χρησιμοποίηση της αρχής μέτρησης του Hall Effect Υψηλή ικανότητα μόνωσης και άμεση λειτουργία μέτρησης του ρεύματος Καλή γραμμικότητα, υψηλή ακρίβεια και γρήγορη ανταπόκριση Γραμμική κλίμακα μέτρησης: 0 120% Εύρος συχνότητας: DC 10KHz Εκτροπή χαμηλής θερμοκρασίας Υπερφόρτωση: 100% της ονομαστικής εισόδου μέσα σε 5 δευτερόλεπτα Ακρίβεια: 1% Το ονομαστικό εύρος εισόδου: 0 100Α Έξοδος: 5V Χρόνος απόκρισης: 15μsec Στατική κατανάλωση ισχύος: 350mW Τροφοδοσία: 24V DC Θερμοκρασία λειτουργίας:

21 Σχήμα 8: Q1 Clamp-on Probe Current Transducer (Μορφοτροπέας Ρεύματος) 2.4. Μικροεπεξεργαστής: Atmel ATUC3A Αναπτυξιακή πλακέτα Atmel UC3-A3 Xplained Μικροεπεξεργαστής ή μικροελεγκτής είναι ένα ολοκληρωμένο κύκλωμα (Integrated Circuit) γενικού σκοπού, το οποίο είναι κυρίως υπεύθυνο για τη λειτουργία μίας μετρητικής διάταξης. Η επεξεργασία των δεδομένων γίνεται με μια σειρά από εντολές οι οποίες είναι υπεύθυνες για τη διασύνδεση μεταξύ υλικού (hardware) και λογισμικού (software). Η λειτουργικότητα επομένως ενός μικροεπεξεργαστή εξαρτάται πλήρως από το σύνολο των εντολών που είναι ικανός να εκτελέσει. Με βάση τον παραπάνω ορισμό του μικροεπεξεργαστή γίνεται φανερή η αναγκαιότητα ύπαρξης του στην μετρητική διάταξη. Καθώς όμως η μετρητική διάταξη πρέπει να επιτελεί ένα συγκεκριμένο έργο, όπως ανίχνευση και δειγματοληψία τιμών τάσης και ρεύματος, πρέπει και ο μικροεπεξεργαστής να έχει συγκεκριμένα χαρακτηριστικά. Τα χαρακτηριστικά τα οποία καθορίζουν το αν ο μικροεπεξεργαστής είναι ικανός να μπορέσει να αντεπεξέλθει στη σωστή λειτουργία της μετρητικής διάταξης είναι τα παρακάτω: 21

22 Αν οι εντολές με τις οποίες λειτουργεί ο μικροελεγκτής είναι της μορφής 32bit ή 8bit Η επεξεργαστική δύναμη του μικροελεγκτή Το μέγεθος της μνήμης SRAM και της μνήμης του χώρου, του οποίου διαχειριστής είναι ο SDRAM Ελεγκτής Οι διαθέσιμες διεπαφές της αναπτυξιακής πλακέτας Η διαθέσιμη βιβλιογραφία Το καθένα από τα παραπάνω χαρακτηριστικά είναι εξίσου σημαντικά. Καταρχάς επιλέχθηκε οι εντολές να εφαρμόζονται σε τιμές των 32 bit άρα και ο μικροελεγκτής να είναι της μορφής των 32 bit. Η επιλογή αυτή προήλθε από το γεγονός ότι οι τιμές που θα λαμβάνονται από τη δειγματοληψία είναι μεγέθους 16 bit. Αυτό σημαίνει πως με την επιλογή ενός μικροελεγκτή των 8 bit θα απαιτούνταν αυξημένος αριθμός κύκλων μηχανής για την πραγματοποίηση και εκτέλεση των πράξεων σε τιμές των 16 bit σε αντίθεση με τον επιλεγμένο μικροεπεξεργαστή των 32 bit. Ένα εξίσου σημαντικό χαρακτηριστικό, το οποίο καθορίζει τη σωστή λειτουργία της μετρητικής διάταξης είναι η επεξεργαστική δύναμη του μικροελεγκτή. Εφόσον η ζητούμενη διάταξη έχει επιλεχθεί να εκτελεί δειγματοληψία συχνότητας τουλάχιστον 10KHz, ο κώδικας του λογισμικού που είναι απαραίτητος να συνταχθεί, θα πρέπει να προλαβαίνει να λαμβάνει τρείς τιμές ρεύματος και τρείς τιμές τάσης και παράλληλα να εκτελεί όλες τις απαιτούμενες πράξεις, όπως πολλαπλασιασμούς και προσθέσεις για την εύρεση των ζητούμενων τιμών. Καθώς όμως λαμβάνει τις τιμές και εκτελεί πράξεις θα πρέπει να έχει την κατάλληλη επεξεργαστική δύναμη ώστε να αποστέλλει και τα αποτελέσματα μετά τις πράξεις όσο δυνατόν πιο γρήγορα. Τελικώς ο μικροεπεξεργαστής απαιτείται να διαθέτει ταχύτητα της τάξης των 10MHz και άνω ώστε μπορεί να επιτελέσει χωρίς προβλήματα και χρονοτριβές το ζητούμενο για αυτόν έργο. Το επόμενο πολύ σημαντικό χαρακτηριστικό που καθόρισε την επιλογή του μικροελεγκτή είναι το μέγεθος της μνήμης SRAM. Η μνήμη αυτή είναι απαραίτητη για την προσωρινή αποθήκευση των τιμών που επρόκειτο να υπάρξουν ύστερα από την μετατροπή τιμών από τον μετατροπέα από αναλογικό σε ψηφιακό. Το μέγεθος της SRAM καθορίζεται από το μέγεθος των τιμών που θα ληφθούν, από τη συχνότητα δειγματοληψίας και το χρόνο διάρκειας του μεταβατικού φαινομένου. Το μέγεθος των τιμών όπως αναφέρεται και παραπάνω θα είναι 16 bits ή 2 bytes. Η συχνότητα δειγματοληψίας απαιτείται να είναι κοντά στα 10 KHz και ο χρόνος που διαρκεί το μεταβατικό φαινόμενο είναι το πολύ 0.5 sec. Επίσης πρέπει να ληφθεί υπόψη πως το πλήθος των ζητούμενων λαμβανόμενων τιμών είναι έξι, τρείς τιμές ρεύματος και τρείς τιμές τάσης. Με βάση τις παραπάνω παραμέτρους το απαιτούμενο μέγεθος μνήμης του μικροεπεξεργαστή θα πρέπει να είναι 0.5 sec * 6 τιμές * 2 bytes * 10 ΚΗz = 60 Kbytes. Πρέπει να τονιστεί όμως ότι το μέγεθος, που προέκυψε, των 60 Kbytes θα μπορούσε να είναι μικρότερο εφόσον το μεταβατικό φαινόμενο διαρκεί συνήθως λιγότερο, δηλαδή 0.1 ή 0.2 sec. 22

23 Καθώς όμως το μέγεθος της SRAM μπορεί να μην είναι μεγαλύτερο από 64 ή 128 Kbytes, υπάρχει η δυνατότητα επέκτασης του χώρου μνήμης μέσω του SDRAM Controller (Ελεγκτή). Ο ελεγκτής αυτός συνδέει μέσω εξωτερικού διαύλου έναν χώρο μνήμης SRAM, ο οποίος μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως χώρος αποθήκευσης τιμών για μία πραγματικού χρόνου μετρητική διάταξη. Οι διαθέσιμες διεπαφές επικοινωνίας της αναπτυξιακής πλακέτας, που επρόκειτο να αποτελεί μέρος της μετρητικής διάταξης, πρέπει να είναι κατάλληλες για τη σύνδεση με άλλες συσκευές και άλλες διατάξεις. Οι διεπαφές, οι οποίες είναι απαραίτητες, είναι τύπου USB, USARΤ, RS232, Serial Peripheral Interfaces (SPI) και τα κατάλληλα pins επικοινωνίας των αναπτυξιακών επικοινωνίας. Τέλος σημαντικό ρόλο στην επιλογή μικροεπεξεργαστή και αναπτυξιακής πλακέτας είναι η βιβλιογραφία που είναι διαθέσιμη και η υποστήριξη από την εταιρία παραγωγής τους. Ο μικροεπεξεργαστής θα μπορούσε να είναι AVR, GUMSTIX ή ARM όμως επιλέχθηκε να είναι AVR της εταιρίας Atmel. Η αναπτυξιακή πλακέτα που τελικώς επιλέχθηκε είναι η UC3-A3 Xplained της Atmel με μικροεπεξεργαστή τον AVR32UC3A3256. Η πλακέτα και ο μικροεπεξεργαστής καλύπτουν τις απαιτούμενες ανάγκες για την κατασκευή μετρητικής διάταξης πραγματικού χρόνου. Τα χαρακτηριστικά [5] της αναπτυξιακής πλακέτας και του μικροεπεξεργαστή είναι τα ακόλουθα: Αρχιτεκτονική RISC Μικροεπεξεργαστής των 32 bit 512 Kbytes Flash Memory 64 Kbytes εσωτερική μνήμη SRAM Διαθέσιμες εξωτερικές μνήμες αποθήκευσης: SDRAM, SRAM, NandFlash, Compact Flash Μέγιστη ταχύτητα λειτουργίας τα 66 MHz με απόδοση 1.49 DMIPS / MHz Διαθέσιμα SPI Διαθέσιμες θύρες RS232 και RS485 Τέσσερις διαθέσιμες θύρες USART On chip debug Watchdog Timer Real Time Clock - Timer (RTC) 23

24 Σχήμα 9: Block diagram του AT32UC3A

25 Η λειτουργία του AVR32UC3A3256 καθορίζεται και φαίνεται από το παραπάνω Block Diagram. Τα σημαντικά και βασικά σημεία άξια αναφοράς του μικροεπεξεργαστή είναι τα παρακάτω: AVR32UC CPU Η κεντρική μονάδα επεξεργασίας του μικροελεγκτή είναι ο AVR32UC, ο οποίος αποτελεί τον πυρήνα του. Η κύρια λειτουργία της CPU είναι η λήψη και ύστερα η εκτέλεση εντολών από τη μνήμη προγράμματος. Οι εντολές εφαρμόζονται σε τιμές μεγέθους 32 bit εφόσον η λογική λειτουργίας του μικροεπεξεργαστή είναι επίσης των 32 bit. Καθώς η λειτουργία είναι των 32 bit, η επεξεργασία δεδομένων και τιμών γίνεται με μεγαλύτερη ταχύτητα και ρυθμό σε σχέση με μικροεπεξεργαστές που λειτουργούν με την λογική των 8 bit. Επιπρόσθετα η κεντρική μονάδα επεξεργασίας αποτελείται από πολλά διαφορετικά μέρη όπως την αριθμητική και λογική μονάδα (ALU), τους καταχωρητές (Registers), τη μονάδα προστασίας μνήμης (Memory Protection Unit MPU) και διάφορες διεπαφές μνήμης [5]. Σχήμα 10: Συνολική επισκόπηση του AVR32UC CPU 25

26 Flash Memory Η μνήμη Flash είναι ενσωματωμένη μνήμη ταχείας αποθήκευσης. Καθώς χρησιμοποιείται ως η μνήμη όπου αποθηκεύεται το πρόγραμμα και παρέχει τη δυνατότητα προγραμματισμού εντός του συστήματος ( ISP In System Programmable), η Flash memory έχει αντικαταστήσει τις μνήμες EEPROM και γενικότερα τύπου ROM, οι οποίες παρουσίαζαν αρκετές δυσκολίες για τον επαναπρογραμματισμό τους Static Random Access Memory (SRAM) Η SRAM αποτελεί ουσιαστικά τη μνήμη RAM του μικροεπεξεργαστή. Η μνήμη αυτή χρησιμοποιείται για την αποθήκευση τιμών που δεν χρησιμοποιούνται πολύ συχνά έτσι ώστε να είναι αναγκαίο να αποθηκεύονται σε κάποιον από τους καταχωρητές εργασίας. Το μέγεθος της μνήμης SRAM είναι 64 Kbytes, ωστόσο στο block διάγραμμα του μικροεπεξεργαστή υπάρχουν ακόμη δύο μνήμες RAM μεγέθους 32 Kbytes οι οποίες μπορούν να προσπελαύνονται ανεξάρτητα η καθεμία από την άλλη αλλά και από την κεντρική μνήμη SRAM External Bus Interface (SDRAM, Static Memory) Η εξωτερική Δίαυλος (EBI) έχει σχεδιαστεί ώστε να επιτρέπει την επιτυχή μεταφορά δεδομένων μεταξύ διαφορετικών εξωτερικών συσκευών μνήμης και τον ενσωματωμένο ελεγκτή μνήμης της 32-bit AVR συσκευής. Ως εξωτερικοί ελεγκτές μνήμης θεωρούνται η στατική μνήμη, η SDRAM και οι ελεγκτές ECCHRS. Οι εξωτερικοί αυτοί ελεγκτές μνήμης είναι ικανοί να χειρίζονται διάφορα είδη εξωτερικών μνημών αλλά και διάφορες περιφερειακές συσκευές όπως την SRAM, την EEPROM, την Flash μνήμη και την SDRAM. Πιο συγκεκριμένα ο SDRAM ελεγκτής χρησιμοποιείται κυρίως για την επέκταση των δυνατοτήτων μνήμης με την εξωτερική διασύνδεση ενός επιπλέον τσιπ με την 16 bit συσκευή της SDRAM [6]. Σχήμα 11: Block Διάγραμμα του SRAM Controller 26

27 Jtag Interface / Nexus 2+ On Chip Debug (OCD) Ο προγραμματισμός του μικροεπεξεργαστή πραγματοποιείται μέσω του Jtag Interface. Η όλη διαδικασία του προγραμματισμού γίνεται σειριακά με χρήση τεσσάρων pins, καθένα από τα οποία έχουν διαφορετική λειτουργία και χρήση. Ένα pin χρησιμοποιείται για τον χρονισμό, άλλο για την αποστολή δεδομένων, άλλο για την λήψη δεδομένων και το τελευταίο για την επιλογή του τύπου λειτουργίας του Jtag. Επίσης ο μικροελεγκτής έχει τη δυνατότητα να καταλαβαίνει κατά την εκτέλεση ενός προγράμματος τυχόν λάθη που συμβαίνουν και να προκαλεί ορισμένες διακοπές, οι οποίες φαίνονται όταν τίθενται σε κατάλληλες τιμές ορισμένοι καταχωρητές. Αυτό το χαρακτηριστικό του μικροελεγκτή ονομάζεται On Chip Debug (OCD) Ταλαντωτές Χρονισμού Για τον χρονισμό του μικροεπεξεργαστή υπάρχουν διάφορες επιλογές που μπορούν να χρησιμοποιηθούν. Οι επιλογές αυτές είναι ένας ταλαντωτής RC, ένα ταλαντωτής 32KHz, ή η χρήση ενός εξωτερικού κρυστάλλου σε συνδυασμό με ένα pll (phase locked loop). Ουσιαστικά οι ταλαντωτές χρονισμού αποτελούν τον τρόπο με τον οποίο δίνεται ο τρόπος χρησιμοποίησης του ρολογιού στον μικροεπεξεργαστή RS232: Σειριακή Θύρα Επικοινωνίας Η σειριακή θύρα Επικοινωνίας χρησιμοποιεί το πρότυπο RS232. Το πρότυπο αυτό είναι απαραίτητο για τη σειριακή μετάδοση δεδομένων μεταξύ ενός τερματικού δεδομένων εξοπλισμού (Data Terminal Equipment) και ενός κυκλώματος δεδομένων τερματικού εξοπλισμού (Data Circuit Terminating Equipment). Ένα Frame, το οποίο είναι προς μετάδοση φαίνεται παρακάτω: Σχήμα 12: Frame προς μετάδοση Ο ρυθμός μετάδοσης ενός frame, το οποίο αποτελείται από 8 bit πληροφορίας, μετριέται σε μία μονάδα που λέγεται baud rate και εκφράζει τον αριθμό των συμβόλων που μεταδίδονται ανά δευτερόλεπτο. Οι τιμές, οι οποίες συνήθως, ορίζονται ως baud rate είναι , και σύμβολα ανά δευτερόλεπτο. Ο τρόπος που γίνεται η μετάδοση των σημάτων φαίνεται παρακάτω: 27

28 Σχήμα 13: Φόρμα μετάδοσης RS Οι τάσεις που χρησιμοποιούνται για τη μετάδοση δεδομένων κυμαίνονται από +-3V έως +- 15V. Γενικά το πρότυπο RS-232 έχει πρόβλημα αξιοπιστίας και ταχύτητας για αυτό πλέον δεν χρησιμοποιείται τόσο πολύ USB: Θύρα επικοινωνίας Εκτός από τη σειριακή θύρα επικοινωνίας (RS-232) υπάρχει και η θύρα Σειριακού Διαύλου Γενικής Χρήσης (Universal Serial Bus USB). Η συνδεσμολογία των USB χρησιμοποιεί τέσσερις γραμμές (D+, D-, Vcc, Ground) και κατάλληλα κυκλώματα τα οποία προετοιμάζουν τα δεδομένα για αποστολή ή πραγματοποιούν λήψη δεδομένων. Ο μικροεπεξεργαστής UC3A3256 έχει 3 επιτρεπτές ταχύτητες για το USB. Οι ταχύτητες αυτές μπορούν να είναι είτε Low Speed: 1.5Mbit/sec είτε Full Speed: 12Mbit/sec είτε High Speed USB 2.0: 480Mbit/sec. Καταρχάς η γραμμή Vcc ενός USB μπορεί να χρησιμοποιηθεί όχι μόνο για τη λειτουργία της θύρας αλλά και για την τροφοδοσία της εν λόγω συσκευής. Αυτό συμβαίνει με όλες τις συσκευές που δεν έχουν εξωτερική τροφοδοσία παρά μόνο συνδέονται μέσω USB με έναν υπολογιστή. Αυτό το γεγονός συμβαίνει και για τον εν λόγω μικροεπεξεργαστή. Επίσης η λειτουργία ενός USB και γενικότερα ο τρόπος μεταφοράς δεδομένων φαίνεται από το παρακάτω block διάγραμμα του USB τμήματος του AVR32UC. 28

29 Σχήμα 14: Block diagram του USB τμήματος του AVR32UC Επίσης στο παρακάτω διάγραμμα φαίνονται οι διάφορες συνδέσεις του USB με γραμμή μεταφοράς δεδομένων. 29

30 Σχήμα 15: Σύνδεση τμήματος USB με γραμμή μεταφοράς Στο διάγραμμα της σύνδεσης τμήματος USB με γραμμή μεταφοράς φαίνεται ότι το DMFS και το DPFS είναι το D- και το D+ για την επικοινωνία σε Full Speed ενώ τα DMHS και DPHS είναι το D- και το D+ για την επικοινωνία σε High Speed. Επίσης μέσω του USB_ID καθορίζεται ποιος είναι ο master και ποιός ο slave στην επικοινωνία μεταξύ μικροεπεξεργαστή και υπολογιστή. Βέβαια αυτή η γραμμή μεταφοράς είναι προαιρετική και μπορεί να είναι συνδεδεμένη είτε με γείωση είτε με τροφοδοσία. Τέλος ο δίαυλος HSB είναι το High Speed Bus και ο δίαυλος PB είναι το Peripheral Bus του μικροεπεξεργαστή. Στο πρώτο διάγραμμα στο USB 2.0 Core γίνονται πολλές διεργασίες όπως είναι η διαχείριση του αν θα λειτουργεί η θύρα, τα διάφορα interrupts και η προετοιμασία των δεδομένων για αποστολή σύμφωνα με το αντίστοιχο πρωτόκολλο, καθώς σε κάθε αποστολή πληροφορίας αποστέλλεται ένα μήνυμα πριν με πληροφορίες για το κάθε πακέτο καθώς και μηνύματα acknowledge. Το μέγεθος των πακέτων πληροφορίας δεν είναι σταθερό και είναι σύμφωνο με το εκάστοτε πρωτόκολλο. Για τη μεταφορά των δεδομένων από τον μικροεπεξεργαστή στο USB Core χρειάζεται να μεσολαβήσει μια μνήμη διπλής θύρας (Dual-Port Memory). Η μνήμη διπλής θύρας είναι μία μνήμη όπου μπορεί να γίνει ταυτόχρονη εγγραφή και ανάγνωση πληροφορίας. Το συνολικό μέγεθος της μνήμης διπλής θύρας του συγκεκριμένου μικροεπεξεργαστή είναι 2368 Bytes. 30

31 H Αναπτυξιακή πλακέτα ATMEL UC3-A3 XPLAINED Σχήμα 16: Εικόνα της πλακέτας ATMEL UC3-A3 XPLAINED Σχήμα 17: Επεξήγηση των τμημάτων της πλακέτας ATMEL UC3-A3 XPLAINED 31

32 Η τροφοδοσία της πλακέτας γίνεται είτε μέσω USB είτε μέσω σύνδεσης κατάλληλης τάσης σε ένα από τα διαθέσιμα εξωτερικά pins της πλακέτας. Εφόσον επιθυμούμε τη κατασκευή μιας μετρητικής διάταξης η οποία θα είναι πραγματικού χρόνου θα πρέπει η πλακέτα να συνδεθεί σε κατάλληλη τάση ώστε να είναι συνεχώς σε λειτουργία. Όπως φαίνεται από το Σχήμα 16 η πλακέτα XPLAINED διαθέτει 4 Leds, δηλαδή τέσσερις φωτεινούς σηματοδότες που μπορεί να ρυθμιστούν ώστε να παρουσιάζουν κάποια λειτουργία του μικροελεγκτή ή κατ επέκταση της πλακέτας. Επίσης υπάρχει ειδικό Led το οποίο είναι αυτό που δείχνει αν βρίσκεται σε λειτουργία και αν έχει τροφοδοσία η πλακέτα. Το Led αυτό είναι το Power & Status Led. Επιπρόσθετα στο παραπάνω σχήμα φαίνονται και όλες οι διαθέσιμες θύρες επικοινωνίας. Τέλος σημαντικό ρόλο παίζουν τα 4 Headers (J1, J2, J3 και J4). Τα Headers αυτά διαθέτουν 10 pins το καθένα, τα οποία τα 8pins είναι GPIO (General Purpose Input/Output) pins δηλαδή pins επικοινωνίας του μικροεπεξεργαστή, 1 pin τροφοδοσίας και ένα pin γείωσης. Οπότε συνολικά η πλακέτα XPLAINED διαθέτει 32 GPIO pins επικοινωνίας. Το πώς αντιστοιχούν τα pins αυτά στις διαθέσιμες εξόδους του μικροεπεξεργαστή φαίνεται στους παρακάτω πίνακες [7]: Πίνακας 1: Αντιστοίχηση του Port 1 με τα αντίστοιχα Pins 32

33 Πίνακας 2: Αντιστοίχηση του Port 2 με τα αντίστοιχα Pins Πίνακας 3: Αντιστοίχηση του Port 3 με τα αντίστοιχα Pins 33

34 Πίνακας 4: Αντιστοίχηση του Port 4 με τα αντίστοιχα Pins 2.5. Analog to Digital Converter (ADC) Ο Analog-To-Digital Converter (ADC) είναι μια συσκευή που έχει την δυνατότητα μετατροπής αναλογικού σήματος σε ψηφιακό. Καθώς ο στόχος της διπλωματικής είναι να επιτευχθεί η κατασκευή μίας μετρητικής διάταξης πραγματικού χρόνου, η αναγκαιότητα χρησιμοποίησης και ενός μετατροπέα αναλογικού σε ψηφιακού σήματος είναι μεγάλη. Καθώς όμως οι μετατροπές τιμών από αναλογικό σε ψηφιακό πρέπει να γίνονται με βάση συγκεκριμένα χαρακτηριστικά, θα πρέπει τα χαρακτηριστικά του μετατροπέα που θα χρησιμοποιηθεί να είναι ικανά να αντεπεξέλθουν σε ότι τους ζητηθεί. Το κύριο χαρακτηριστικό που πρέπει να έχει ο μετατροπέας από αναλογικό σε ψηφιακό είναι τουλάχιστον τέσσερις δειγματοληπτούμενες εισόδους. Η απαίτηση να υπάρχουν 4 δειγματοληπτούμενες είσοδοι υφίσταται αναφορικά με την ύπαρξη του ρεύματος και των τριών φάσεων της τάσης. Ένα ακόμη σημαντικό χαρακτηριστικό ώστε να γίνει κατανοητό το αν ένας μετατροπέας μπορεί να χρησιμοποιηθεί στην μετρητική διάταξη είναι το αν η μετατροπή μετά τη δειγματοληψία γίνεται σε τιμές των οχτώ ή δεκαέξι bit. Καθώς η αναπτυξιακή πλακέτα ATMEL UC3-A3 XPLAINED διαθέτει Analog to Digital Converter θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί αντί μιας ξεχωριστή συσκευής ή αντίστοιχα πλακέτας. Δεν έγινε η επιλογή αυτή για διάφορους λόγους που αναλύονται παρακάτω. Το σημαντικότερο μειονέκτημα της χρησιμοποίησης της δυνατότητας μετατροπής από αναλογικό σε ψηφιακό από τον ίδιο τον μικροεπεξεργαστή είναι ότι 34

35 προσφέρουν τη δυνατότητα δειγματοληψίας σε μία μόνο υποδοχή τους, κάθε φορά και όχι ταυτόχρονα σε πολλές υποδοχές. Το γεγονός αυτό δημιουργεί πρόβλημα αποκλίσεων που θα οφείλονται στη διαφορά φάσης εφόσον τα δείγματα δεν θα λαμβάνονται την ίδια χρονική στιγμή. Οι περισσότεροι μικροεπεξεργαστές δεν έχουν τη δυνατότητα δειγματοληψίας αρνητικών τιμών αναλογικής τάσης. Τέλος ένα επίσης σημαντικό μειονέκτημα είναι ότι κατά τη μετατροπή από αναλογικό σε ψηφιακό σήμα χρησιμοποιούνται 8 bits εφόσον χρησιμοποιηθεί ο μικροεπεξεργαστής. Αυτό αποτελεί πρόβλημα διότι δεν είναι δυνατόν τα 8 bits να εκφράσουν το δειγματοληπτούμενο σήμα στο βαθμό που επιθυμούμε. Με την χρησιμοποίηση analog to digital converter με 16 bits, η ακρίβεια της δειγματοληψίας αυξάνεται αρκετά ώστε να υπάρχει καλύτερο αποτέλεσμα. Με βάση τα παραπάνω επιλέχθηκε ο μετατροπέας αναλογικού σε ψηφιακού σήματος: Analog Devices AD Τα χαρακτηριστικά της συσκευής αυτής είναι τα παρακάτω [8]: Έξι ταυτόχρονα δειγματοληπτούμενοι είσοδοι Εύρος αναλογικών εισόδων πλήρως διπολικών: ±10V, ±5V Τροφοδοσία μέσω εισόδου 5 V και επιλογή τάσης λειτουργίας επικοινωνιών από 2.3 έως 5.25 V Εσωτερική αντίσταση 1ΜΩ στις αναλογικές εισόδους Δεύτερης τάξης χαμηλοπερατό φίλτρο Butterworth Ταυτόχρονη μετατροπή σε τιμές 16 bit με μέγιστη ταχύτητα 250 Ksps (Kilosamples Per Second) Δυνατότητα oversampling με χρήση ψηφιακού φίλτρου Χρήση παράλληλης ή σειριακής διεπαφής Χαμηλή κατανάλωση ισχύος 100mW / 25 mw στην κατάσταση standby Λόγος σήματος προς θόρυβο (SNR) 95.5 db Σφάλμα γραμμικότητας ±0.5 LSB Προστασία αναλογικής εισόδου Δυνατότητα χρήσης διεπαφών SPI/QSPI/MICROWIRE/DSP Με βάση τα παραπάνω χαρακτηριστικά του μετατροπέα φαίνεται πως έχει πολλά πλεονεκτήματα, και σε σχέση με άλλες συσκευές αλλά σε σχέση και με τον εσωτερικό μετατροπέα του μικροεπεξεργαστή. Το σημαντικότερο πλεονέκτημα είναι ότι η συχνότητα δειγματοληψίας κυμαίνεται σε πολύ υψηλά επίπεδα, δηλαδή μέχρι 250 Ksps (Kilosamples Per Second) που σημαίνει ότι η ακρίβεια με την οποία γίνεται η δειγματοληψία θα είναι μεγάλη. Επίσης η συσκευή AD έχει δυνατότητα μεταφοράς δεδομένων πλήρως παράλληλα και 35

36 όχι μόνο με χρήση SPI (Serial Parallel Interface), γεγονός το οποίο κάνει πιο γρήγορη και απλή τη μεταφορά δεδομένων. Ένα επίσης πολύ σημαντικό πλεονέκτημα του εν λόγω μετατροπέα είναι ότι χρειάζεται μόνο μία θετική τροφοδοσία ενώ δεν χρειάζεται αρνητική τροφοδοσία. Το γεγονός αυτό είναι σημαντικό ως προς την δυνατότητα ευκολίας της κατασκευής της συνολικής μετρητικής διάταξης. Τέλος ο ADC διαθέτοντας χαμηλοπερατό φίλτρο Butterworth δεύτερης τάξης περιορίζει την εμφάνιση επικάλυψης (aliasing). Σχήμα 18: Block Diagram του AD7606 Παραπάνω φαίνεται το Block διάγραμμα του μετατροπέα από αναλογικό σε ψηφιακό. Ένα σημαντικό χαρακτηριστικό του AD είναι ο χρόνος μετατροπής δεδομένων. Εφόσον το εύρος μετατροπής του εν λόγω μετατροπέα είναι τα +-10V (δηλαδή ο μετατροπέας είναι διπολικός) και ο αριθμός των bits εξόδου είναι 16 bits, τότε η διακριτική ικανότητα του μετατροπέα υπολογίζεται ίση με. Άρα ανάλογα με τα διαθέσιμα κανάλια δειγματοληψίας που διαθέτει ο κάθε μετατροπέας αναλογικού σε ψηφιακό καθορίζεται 36

37 πλήρως ο χρόνος μετατροπής. Εφόσον το μοντέλο AD διαθέτει έξι διαφορετικά κανάλια δειγματοληψίας προκύπτει πως ο χρόνος μετατροπής θα είναι κοντά στα 4μs. Στο σχήμα 18, φαίνεται πως το φίλτρο που εφαρμόζεται για κάθε αναλογική είσοδο είναι ένα δεύτερης τάξης χαμηλοπερατό φίλτρο Butterworth. Επίσης εφαρμόζονται και διάφορα κυκλώματα track and hold. Συνεπώς, στην περίπτωση στην οποία η τάση που εφαρμόζεται στην αναλογική είσοδο δεν είναι σταθερή πρέπει να χρησιμοποιηθούν τέτοιου είδους κυκλώματα, τα οποία με χρήση πυκνωτών διατηρούν σταθερή την τιμή της τάσης στα άκρα τους για ένα μικρό διάστημα αρκετό για τη μέτρηση της τάσης που υπάρχει στα άκρα τους. Η μέτρηση της τιμής που υπάρχει στα άκρα του πυκνωτή για καθεμία από τις αναλογικές εισόδους του μετατροπέα γίνεται, στην περίπτωση που το μοντέλο του μετατροπέα είναι το AD7606-6, με τη χρήση ενός πολυπλέκτη και ενός καταχωρητή διαδοχικών προσεγγίσεων (Successive Approximation Register SAR). Η τεχνική αυτή χρησιμοποιείται γενικά όταν είναι επιθυμητός ο στόχος σχετικά μεγάλης συχνότητας μετατροπής με μεγάλο αριθμό Bit εξόδου, κρατώντας όμως τον αριθμό κυκλωμάτων μετατροπής σε χαμηλό επίπεδο. Σχήμα 19: Καταχωρητής Διαδοχικών Προσεγγίσεων Σφάλματα του Analog to Digital Converter Όπως όλοι οι μετατροπείς από αναλογικό σε ψηφιακό παρουσιάζουν σφάλματα, αντίστοιχα και ο AD θα παρουσιάζει ορισμένα. Το κυριότερο σφάλμα το οποίο μπορεί να παρουσιάσει ο AD και το οποίο ίσως επηρεάζει την μέτρηση είναι το σφάλμα κέρδους 37

38 [8] (offset error). Το σφάλμα κέρδους εμφανίζεται όταν η κλίση που ενώνει τα σημεία της εξόδου είναι διαφορετική της ιδανικής, δηλαδή για μεταβολή ενός λιγότερου σημαντικού bit (Least Significant Bit LSB) δεν υπάρχει μεταβολή του μετρούμενου μεγέθους κατά ποσότητα ίση με την επιθυμητή διακριτική ικανότητα. Πιο συγκεκριμένα όσον αφορά τον μετατροπέα AD7606-6, το σφάλμα κέρδους είναι της τάξης των +-8* V (όπου V είναι η διακριτική ικανότητα του ADC). Το σφάλμα κέρδους μπορεί να εμφανιστεί λόγω των αποκλίσεων στις τιμές της μέγιστης και ελάχιστης τάσης. Δύο άλλα είδη σφάλματος, που μπορεί να εμφανιστούν είναι το σφάλμα διπολικού μηδενικού και το σφάλμα διαφορικής γραμμικότητας. Ως σφάλμα διπολικού μηδενικού (Bipolar Zero Code Error) αναφέρεται η διαφορά τάσης στην οποία ο μετατροπέας από αναλογικό σε ψηφιακό μεταβάλλει την έξοδο του από την τιμή -1* V στην τιμή μηδέν από την πραγματική τάση στην οποία συμβαίνει αυτό, η οποία είναι -0.5* V. Η μέγιστη τιμή που μπορεί να φτάσει το σφάλμα διπολικού μηδενικού είναι +-6* V. Ως σφάλμα διαφορικής γραμμικότητας αναφέρεται η μέγιστη μεταβολή, που χρειάζεται για να μεταβληθεί η τιμή της εξόδου κατά ένα Least Significant Bit, της τάξης του Least Significant Bits (δηλαδή -0.99* V). Με βάση τα παραπάνω σφάλματα η τελική μετρούμενη τιμή του μετατροπέα αναλογικού σε ψηφιακό μπορεί να διαφέρει από την πραγματική τιμή κατά ένα συνολικό σφάλμα +- 15* V. Για να μην επηρεάζει το σφάλμα αυτό τις μετρήσεις και αντίστοιχα τα ζητούμενα δεδομένα δίνεται ένα περιθώριο λάθους στις τιμές των τάσεων, των ρευμάτων και της ισχύος που υπολογίζονται Δειγματοληψία Η διαδικασία της δειγματοληψίας για να πραγματοποιηθεί περιλαμβάνει τα στάδια της σύνδεσης ενός πυκνωτή με την τάση εισόδου και τη διατήρηση της σύνδεσης έως ότου ο πυκνωτής φορτιστεί στην τάση αυτή. Τα επόμενα στάδια είναι η διακοπή της σύνδεσης του πυκνωτή και η αναμονή μέχρις ότου η τάση στον πυκνωτή σταθεροποιηθεί ξανά και η εκκίνηση της μετατροπής της τάσης σε ψηφιακή μορφή χρησιμοποιώντας πολυπλέκτη και του καταχωρητή διαδοχικών προσεγγίσεων (SAR). Εφόσον γίνεται η κατασκευή μίας μετρητικής διάταξης πραγματικού χρόνου είναι αδύνατο να πραγματοποιείται ιδανική δειγματοληψία. Η ιδανική δειγματοληψία γίνεται με βάση τη συχνότητα του Nyquist. Σύμφωνα με το θεώρημα του Shannon, μία συνάρτηση του χρόνου της οποίας το φάσμα δεν περιλαμβάνει τις συχνότητες που είναι μεγαλύτερες από ορίζεται πλήρως από τις τιμές που λαμβάνονται με τη μορφή δειγμάτων με συχνότητα 2*. Εφόσον όμως δεν είναι δυνατή η εφαρμογή ιδανικού χαμηλοπερατού φίλτρου που να αποκόπτει συχνότητες μεγαλύτερες πάνω από μία συγκεκριμένη συχνότητα, ενώ και το σήμα που 38

39 δειγματοληπτείται είναι χρονικά περιορισμένο, προκύπτει πως σε πραγματικές συνθήκες η συχνότητα δειγματοληψίας θα είναι μεγαλύτερη από το διπλάσιο της συχνότητας αποκοπής του φίλτρου που εφαρμόζεται στο σήμα Παράμετροι του AD Low Pass Filter Ο Analog to Digital Converter όπως αναφέρθηκε και πιο πάνω διαθέτει ένα χαμηλοπερατό φίλτρο Butterworth δεύτερης τάξης όπου η απόσβεση που επιφέρει φαίνεται στο παρακάτω διάγραμμα. Σχήμα 20: Χαμηλοπερατό Φίλτρο εισόδων του AD Θέματα Ισχύος Ο AD έχει πολύ μικρή κατανάλωση ισχύος, η οποία κατανάλωση δεν επηρεάζεται από την κατάσταση λειτουργίας στην οποία βρίσκεται ο ADC. Είτε βρίσκεται σε κατάσταση shutdown ή standby είτε δειγματοληπτεί η κατανάλωση ισχύος κυμαίνεται μεταξύ 10 90mW. Αυτό σημαίνει ότι δεν παρουσιάζεται πρόβλημα μεγάλης κατανάλωσης ώστε η συσκευή να είναι αναγκαία να είναι κλειστή (shutdown mode). 39

40 Χρονισμοί Ο χρόνος μετατροπής (conversion time) ο οποίος είναι και ο χρόνος που παίζει το σημαντικότερο ρόλο στην λειτουργία του αναλογικού σε ψηφιακού μετατροπέα είναι περίπου 3μs. Αλλά η συσκευή απαιτεί και ακόμη 1μs ώστε να συγκρατήσει τη τιμή στα κυκλώματά της. Ενώ ο χρόνος που απαιτείται έτσι ώστε η συσκευή να επαναφερθεί από standby mode σε πλήρη λειτουργία είναι περίπου 100μs Συνδεσμολογία Συσκευών Η μετρητική διάταξη, όπως αναφέρθηκε παραπάνω, αποτελείται από τον μορφοτροπέα ρεύματος (SSET three-phase four-wire AC Voltage Transducer CE-VJ31-39MSK-0.5), τον μορφοτροπέα τριφασικής τάσης (HB-Spinix Q1 Clamp-on Probe Current Transducer), την αναπτυξιακή πλακέτα ATMEL UC3-A3 Xplained μαζί με τον μικροεπεξεργαστή UC3-A3256 και τον μετατροπέα αναλογικού σε ψηφιακό (AD7606-6). Καθώς τα παραπάνω είναι ξεχωριστά εξαρτήματα θα πρέπει να υπάρχει η κατάλληλη συνδεσμολογία και οι κατάλληλες επιλογές ώστε να λειτουργεί η μετρητική διάταξη σύμφωνα με το στόχο της διπλωματικής. Παρακάτω παρατίθενται τα διαγράμματα συνδέσεων, οι διαστάσεις των εξαρτημάτων και ο τρόπος σύνδεσης όλων των εξαρτημάτων μεταξύ τους Μορφοτροπέας τάσης (Voltage Transducer) Σχήμα 21: Διαστάσεις Μορφοτροπέα Τάσης 40

41 Οι ακροδέκτες έχουν τις παρακάτω έννοιες [3]: Ακροδέκτης 1: Σήμα Εισόδου Φάση-Α Ακροδέκτης 2: Σήμα Εισόδου Φάση-Β Ακροδέκτης 3: Σήμα Εισόδου Φάση-Γ Ακροδέκτης 4: Ουδέτερο Εισόδου Ακροδέκτης 7: Τροφοδοσία 220V Ακροδέκτης 8: Τροφοδοσία 220V Ακροδέκτης 11: Γείωση Ακροδέκτης 12: Σήμα Εξόδου Φάση-Α Ακροδέκτης 13: Σήμα Εξόδου Φάση-Β Ακροδέκτης 14: Σήμα Εξόδου Φάση-Γ Σχήμα 22: Διάγραμμα συνδέσεων Μορφοτροπέα Τάσης 41

42 Μορφοτροπέας Ρεύματος (Current Transducer) Σχήμα 23: Διαστάσεις Μορφοτροπέα Ρεύματος Οι υποδοχές έχουν τις παρακάτω έννοιες [4]: Σχήμα 24: Διάγραμμα συνδέσεων Μορφοτροπέα Ρεύματος Υποδοχή 1: Ισχύς + Υποδοχή 2: Ισχύς - Υποδοχή 3: Σήμα Εξόδου + Υποδοχή 4: Κοινή Σύνδεση ισχύος +/- (σήμα -) 42

43 Μετατροπέας Αναλογικού σε Ψηφιακό (Analog to Digital Converter) Σχήμα 25: Διαστάσεις AD Σχήμα 26: Διάταξη των Pins του AD

44 Παρακάτω θα γίνει η ανάλυση και εξήγηση λειτουργίας των Pins του AD [8]. PINS ΟΝΟΜΑ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ 1 AVcc Αναλογική Τροφοδοσία 2 AGND Γείωση 3-5 OS[2:0] Oversampling Mode: Έχει την ιδιότητα να ελαττώνει τη μέγιστη συχνότητα δειγματοληψίας και το SNR των φίλτρων. Επιλογή κατά τον προγραμματισμό θα είναι 000 διότι υπάρχει εξωτερικό χαμηλοπερατό φίλτρο. 6 NOT(PAR)/SER/BYTE SEL Παράλληλο ή Σειριακό. Επιλογή κατά τον προγραμματισμό θα είναι 0 ώστε η μετάδοση δεδομένων να είναι πλήρως παράλληλη. Αν ήταν και τα δύο στο λογικό ένα και το DB15 στο μηδέν τότε η μετάδοση δεδομένων θα ήταν παράλληλη σε πακέτα των byte. 7 NOT(STDBY) Σε λογικό μηδέν, ο AD μπαίνει σε mode χαμηλής κατανάλωσης. Στην περίπτωση αυτή αν το Pin RANGE είναι ένα μπαίνει σε standby και αν είναι μηδέν μπαίνει σε shutdown mode. 8 RANGE Στο λογικό ένα υπάρχει Range +-10V ενώ στο λογικό μηδέν Range +-5V. 9, 10 CONVSTA, CONVSTB Τα pins αυτά χρειάζονται για να αρχίζει η δειγματοληψία. Όταν ο παλμός ανεβαίνει από λογικό low σε λογικό high τότε αρχίζει η διαδικασία της δειγματοληψίας. Το CONVSTA αντιστοιχεί στις πρώτες τρείς εισόδους των τάσεων ενώ το CONVSTB στις επόμενες τρείς. 11 RESET Αποτελεί το Pin επανεκκίνησης και εκτελείται όταν ανεβαίνει ο παλμός. 12 NOT (RD)/ SERCLK Όταν το pin αυτό πάρει την λογική τιμή 0, τότε τα 16 bits εξόδου λαμβάνουν τα δεδομένα μετατροπής. 13 NOT (CS) Η μεταφορά δεδομένων είναι δυνατή όταν το pin αυτό βρίσκεται στο λογικό μηδέν. 14 BUSY Όταν πραγματοποιείται η μετατροπή των τιμών το pin έχει την λογική τιμή ένα. 15 FRSTDATA Όταν γίνεται high τότε δείχνει πως το 44

45 αποτέλεσμα από τη μετατροπή της εκάστοτε τάσης Vi είναι έτοιμο DB[0:6] Τα πρώτα 7 bit εξόδου ξεκινώντας από το LSB. 23 Vdrive Σε αυτό το pin εισάγεται η ψηφιακή τροφοδοσία. Η τάση η οποία εισάγεται είναι μεταξύ 2.3 και 5.25V, η οποία καθορίζει την τάση που θα είναι το λογικό high (0.9*Vdrive) και το λογικό low (0.1*Vdrive) των εξόδων. 24,25 DB[7:8] Τα επόμενα 2 bit εξόδου. 26 AGND Γείωση DB[9:15] Τα υπόλοιπα 7 bit εξόδου. 34 REF SELECT Αν το pin αυτό έχει είσοδο ένα τότε η τάση αναφοράς είναι εσωτερική, ενώ σε είσοδο μηδέν η τάση αναφοράς καθορίζεται από την είσοδο του pin AGND Γείωση 36,39 REGCAP Τα pins αυτά συνδέονται το καθένα ξεχωριστά με έναν πυκνωτή 1μF με την τροφοδοσία. 37,38 AVcc Αναλογική Τροφοδοσία 40,41 AGND Γείωση 42 REFIN/REFOUT Ανάλογα με την είσοδο του pin 34, το pin αυτό είτε δέχεται ως είσοδο την τάση αναφοράς είτε βγάζει τάση 2.5V. Σε κάθε περίπτωση το pin πρέπει να συνδεθεί στην γείωση με πυκνωτή 10μF. 43,46 AGND Γείωση 44,45 REFCAPA, REFCAPB Τα pins αυτά συνδέονται στη γείωση μέσω πυκνωτών 10μF. 47 AGND Γείωση 48 AVcc Αναλογική Τροφοδοσία Vn/VnGND, n{1-3} Τρία ζεύγη τάσεων τα οποία διαδοχικά είναι V1, V1gnd, V2, V2gnd, V3, V3gnd 55,56,63,64 AGND Γειώσεις Vn/VnGND, n{4-6} Τρία ζεύγη τάσεων τα οποία διαδοχικά είναι V4, V4gnd, V5, V5gnd, V6, V6gnd Πίνακας 5: Εξήγηση Λειτούργιας των Pins 45

46 Αναλυτικότερα οι διάφορες συνδέσεις που έγιναν με τον ADC και τα pins του είναι οι παρακάτω: Στη γείωση συνδέθηκαν τα pins: 2, 26, 35, 40, 41, 43, 46, 47, 55, 56, 63, 64. Και τα pins 1, 37, 38, 48 συνδέθηκαν σε μία AVcc από 4.75 μέχρι Στο pin Vdrive έγινε τοποθέτηση μιας τάσης, η οποία θα είναι η τάση του λογικού high των σημάτων εξόδου, πολλαπλασιασμένη με 0.9, ενώ το λογικό low είναι η τιμή της Vdrive πολλαπλασιασμένη με 0.1. Ο μικροεπεξεργαστής AT32UC3A3256 διαθέτει γενικά pins τα οποία μπορούν να παράσχουν αυτήν την τάση για την ομαλή επικοινωνία με τέτοιες περιφερειακές μονάδες. Επίσης γίνεται η σύνδεση των pins με τους απαιτούμενους πυκνωτές. Τα pins 36, 39 συνδέονται με την τροφοδοσία το καθένα ξεχωριστά μέσω πυκνωτή 1μF ενώ τα pins 42, 44, 45 συνδέονται με τη γείωση το καθένα ξεχωριστά μέσω πυκνωτή 10μF το καθένα. Ακόμη οι είσοδοι AVcc και Vdrive συνδέονται παράλληλα με έναν πυκνωτή 100nF η καθεμία ξεχωριστά, εκτός από τα pins 37 και 38 τα οποία μπορούν να ενωθούν με έναν ενιαίο πυκνωτή με τη γείωση. Στα pins και συνδέονται οι έξι είσοδοι τάσης και αντίστοιχα έξι γειώσεις. Κάποια pins επικοινωνίας χρειάζονται αρχικοποίηση και μετά η τιμή τους δεν είναι απαραίτητο να αλλάξει. Τα pins επικοινωνίας 3, 4, 5 (oversampling pins) αρχικοποιείται με μηδέν, όπως επίσης και το pin 6 (parallel) αρχικοποιείται με μηδέν. Αντίθετα με τιμή ένα θα αρχικοποιηθούν τα pins 8 ( εύρος +-10 V) και 34 ( η τάση αναφοράς θα είναι εσωτερική). Με κάθε πτώση του παλμού NOT(RD) (δηλαδή του Pin 12) θα γίνεται διάβασμα μιας νέας τιμής τάσης και όταν η έξοδος FRSTDATA βρίσκεται στο λογικό ένα θα είναι γνωστό ότι η τιμή που διαβάζεται είναι η τιμή V1. Καθώς γίνεται η μετατροπή το pin 14 (Busy) θα βρίσκεται σε λογικό high, ενώ για να αρχίζει η δειγματοληψία απαιτείται rising edge στις εισόδους των pins 9 και 10 (CONVSTA και CONVSTB), οι οποίες είσοδοι είναι βραχυκυκλωμένες μεταξύ τους. Στην αρχή αυτής της διαδικασίας είναι απαραίτητο το ανέβασμα και το κατέβασμα της εισόδου του pin 11 (RESET). Η διαδικασία αυτή φαίνεται από το παρακάτω σχήμα: 46

47 Σχήμα 27: Διαδικασία Λήψης τιμών με χρήση του Interface Τέλος τα pins τα οποία αντιστοιχούν στα 16 bits εξόδου (DB[0:15]) συνδέονται με τον μικροεπεξεργαστή Σύνδεση με την αναπτυξιακή πλακέτα ATMEL UC3-A3 XPLAINED Για να είναι δυνατή η επικοινωνία μεταξύ του UC3 μικροεπεξεργαστή και του μετατροπέα αναλογικού σε ψηφιακό θα πρέπει η τάση εξόδου VDDIO του UC3 να συμβαδίζει με την τιμή της τάσης εξόδου του AD Η τάση εισόδου VDDIO του UC3 είναι 3 3.6V ενώ η τάση εξόδου του UC3 είναι (VDDIO 0.4V), τιμές οι οποίες συμβαδίζουν με τις αντίστοιχες τιμές του AD οι οποίες είναι 3.3 και 0.9*3.3V. Στο σχήμα 16 βλέπουμε πως στην πλακέτα υπάρχουν τέσσερα ports εξόδου τα οποία διαθέτουν 32 GPIO pins επικοινωνίας. Για να πραγματοποιηθεί η σύνδεση της αναπτυξιακής πλακέτας της ATMEL μαζί με τον Analog to Digital Converter θα πρέπει να γίνει σύνδεση των pins αυτών με τους αντίστοιχους ακροδέκτες του ADC. Συγκεκριμένα θα χρησιμοποιηθούν και τα 4 ports, τα οποία τα δύο θα χρησιμοποιούνται για την απόκτηση 16 bits και δύο για την επικοινωνία με το interface και τις αρχικοποιήσεις. Το port 1 θα χρησιμοποιηθεί για το interface, το port 3 για τις αρχικοποιήσεις, το port 4 για το Most Significant Byte (MSB) της εξόδου και τέλος το port 2 για το Least Significant Byte (LSB) της εξόδου. Παρακάτω ακολουθούν οι πίνακες αντιστοίχισης των ports με τα αντίστοιχα pins. 47

48 PORT 1 (Interface) PIN NUMBER UC3 PIN ADC PIN 1 PA PA PX PX PB PB PB PB GND V - Πίνακας 6: Αντιστοίχιση του Port 1 Pins PORT 2 (LSB Εξόδου) PIN NUMBER UC3 PIN ADC PIN 1 PA PA PX PA PA PA PA PA GND V - Πίνακας 7: Αντιστοίχιση του Port 2 - Pins 48

49 PORT 3 (Αρχικοποιήσεις) PIN NUMBER UC3 PIN ADC PIN 1 PA PA PA PA PA PB00-7 PB PX19-9 GND V - Πίνακας 8: Αντιστοίχιση του Port 3 - Pins PORT 4 (MSB Εξόδου) PIN NUMBER UC3 PIN ADC PIN 1 PA PA PA PA PA PΑ PΑ PΑ GND V - Πίνακας 9: Αντιστοίχιση του Port 4 - Pins Μετρητική Διάταξη Η μετρητική διάταξη αποτελείται τελικώς από το μορφοτροπέα τάσης, το μορφοτροπέα ρεύματος, το μετατροπέα αναλογικού σε ψηφιακό σήμα και τον μικροεπεξεργαστή και την αναπτυξιακή πλακέτα του. Οι διατάξεις αυτές ύστερα από τη μεταξύ τους σύνδεση και τον 49

50 προγραμματισμό τους μπορούν να επιτελέσουν το ζητούμενο έργο της μέτρησης ηλεκτρικής ισχύος πραγματικού χρόνου σε οικιακές εγκαταστάσεις. Η λογική και η αρχή λειτουργίας της μετρητικής διάταξης είναι με βάση τα διαθέσιμα εξαρτήματα. Ο μορφοτροπέας ρεύματος και ο μορφοτροπέας τριφασικής τάσης λαμβάνουν αρχικά τα ζητούμενα δεδομένα, τα οποία ύστερα από επεξεργασία τα μετατρέπουν σε τάση ανάλογη της τάσης που μπορεί να δεχτεί ο μετατροπέας αναλογικού σε ψηφιακό. Στη συνέχεια, εφόσον έχουν πραγματοποιηθεί οι πρώτες μετατροπές, ο analog to digital converter λαμβάνει τις τάσεις που προέρχονται από τους δύο μετατροπείς και όποτε είναι σε ετοιμότητα μπορεί να ξεκινήσει τη διαδικασία της δειγματοληψίας. Ουσιαστικά ο ADC είναι αυτός που δίνει το σήμα ώστε οι μετατροπείς τάσης και ρεύματος να λάβουν τις απαιτούμενες τιμές. Ύστερα εφόσον ο ADC ολοκληρώσει τη διαδικασία της δειγματοληψίας στέλνει τις τιμές που βρίσκονται στα bits εξόδου του, μέσω τον pins και ports του UC3 στον μικροεπεξεργαστή. Ο μικροεπεξεργαστής αφού λάβει τις ζητούμενες τιμές από τον ADC ξεκινά τη διαδικασία της επεξεργασίας και της αποθήκευσης των τιμών που είναι χρήσιμες στον εκάστοτε χρήστη. Σχήμα 28: Σχήμα όλων των Διασυνδέσεων 50

51 3. Υλοποίηση Λογισμικού 3.1. Εισαγωγή Καθώς στο προηγούμενο κεφάλαιο αναλύθηκαν τα κομμάτια υλικού που χρησιμοποιήθηκαν για την σχεδίαση της μετρητικής διάταξης, σε αυτό το κεφάλαιο πραγματοποιείται η ανάλυση του λογισμικού που υλοποιήθηκε. Εφόσον η υλοποίηση του λογισμικού αποτελεί το κύριο κομμάτι της παρούσας διπλωματικής κρίθηκε αναγκαία η λεπτομερής ανάλυσή του. Η δομή του λογισμικού η οποία αναλύεται στο υπόλοιπο κεφάλαιο είναι η παρακάτω: Δειγματοληψία σήματος. Αναγνώριση αλλαγής φορτίου. Αποθήκευση των τιμών των δειγμάτων. Επεξεργασία των δειγμάτων που ελήφθησαν. Αποστολή των δειγμάτων μέσω της θύρας USB στον ηλεκτρονικό υπολογιστή Στόχος και Περιορισμοί Όπως αναφέρθηκε και στα προηγούμενα κεφάλαια, ο στόχος της παρούσας διπλωματικής είναι η σχεδίαση μίας μετρητικής διάταξης, η οποία θα έχει την δυνατότητα μέτρησης οικιακού φορτίου σε πραγματικό χρόνο. Καθώς το υλικό το οποίο επιλέχθηκε για την υλοποίηση της διάταξης εκπληρώνει αυτόν το στόχο, θα πρέπει και το λογισμικό το οποίο αναπτύχθηκε να μπορεί να εκπληρώσει τον ίδιο στόχο. Επομένως, υπάρχουν ορισμένοι περιορισμοί και χαρακτηριστικά αναφορικά με το λογισμικό, οι οποίοι προέκυψαν από τις ανάγκες και τις απαιτήσεις των χρηστών της μετρητικής διάταξης. Οι περιορισμοί του λογισμικού το οποίο υλοποιήθηκε είναι οι παρακάτω: Οι πόροι του μικροελεγκτή πρέπει να αξιοποιούνται όσο το δυνατόν καλύτερα ώστε να γίνονται κατά το δυνατόν περισσότεροι υπολογισμοί. Η αποστολή πληροφορίας από τον μικροελεγκτή στον υπολογιστή, η οποία έχει υποστεί επεξεργασία, θα πρέπει να γίνεται με τέτοιο τρόπο ώστε να μην υφίσταται απώλειες. Επίσης το λογισμικό του υπολογιστή θα πρέπει να λειτουργεί με τέτοιο τρόπο ώστε και αυτό να αποθηκεύει τις πληροφορίες χωρίς απώλειες. Η λειτουργία του λογισμικού και κατά συνέπεια του όλου συστήματος θα πρέπει γίνεται αδιάλειπτα. Αυτό συνεπάγεται πως η δειγματοληψία του σήματος θα πρέπει να γίνεται με τον υψηλότερο δυνατό ρυθμό, ώστε το σύστημα λογισμικού να θεωρείται αυστηρώς πραγματικού χρόνου. 51

52 Η συχνότητα δειγματοληψίας, εκτός του ότι παίζει ρόλο στον ρυθμό της δειγματοληψίας, παίζει ρόλο και στην μέτρηση του φασματικού περιεχομένου του σήματος. Αυτό σημαίνει πως η συχνότητα με την οποία δειγματοληπτούνται τιμές θα πρέπει να έχει τη μέγιστη δυνατή τιμή, ώστε να υπάρχει η δυνατότητα μέτρησης πολύ υψηλών αρμονικών του σήματος. Τέλος θα πρέπει να υπάρχει ρολόι υψηλής ακρίβειας για την επίτευξη σταθερής συχνότητας δειγματοληψίας. Επίσης απαιτείται η ύπαρξη συστήματος ρολογιού, το οποίο θα χρησιμοποιείται για την αποτίμηση και τον υπολογισμό της χρονικής στιγμής που γίνεται η δειγματοληψία ενός σήματος. Όλοι οι παραπάνω περιορισμοί επηρέασαν σημαντικά τη διαμόρφωση του λογισμικού. Αξίζει να αναφερθεί πως κυρίαρχο ρόλο στη λειτουργία του λογισμικού παίζει ο μικροελεγκτής, ο οποίος καθορίζει κατά πόσο, με βάση το λογισμικό που σχεδιάστηκε, είναι εφικτοί οι στόχοι οι οποίοι τέθηκαν Μέρη του Λογισμικού Γενική Περιγραφή Ο μικροελεγκτής είναι υπεύθυνος για την λήψη των δειγμάτων από τον μετατροπέα αναλογικού σήματος σε ψηφιακό (Analog-Digital Converter), την επεξεργασία αυτών και τελικά την αποστολή τους μέσω μιας θύρας USB. Είναι σημαντικό να τονιστεί πως η λειτουργία του μικροελεγκτή καθορίζεται από την πραγματοποίηση όλων των παραπάνω μέσα σε αυστηρά χρονικά περιθώρια, έτσι ώστε η μετρητική διάταξη να έχει συνεχή λειτουργία και να πραγματοποιεί αδιάλειπτα τη δειγματοληψία του σήματος. Η μετρητική διάταξη, εφόσον καθορίστηκε από τους περιορισμούς ότι πρέπει να είναι πραγματικού χρόνου και να πραγματοποιεί δειγματοληψία σε αυστηρά καθορισμένες χρονικές στιγμές, καθιστά απαραίτητη τη χρήση ενός ρολογιού πραγματικού χρόνου το οποίο έχει τη δυνατότητα ειδοποίησης τους συστήματος για το πότε μπορεί να λαμβάνει και κατά συνέπεια να επεξεργάζεται το επόμενο δείγμα. Ο μικροελεγκτής AT32UC3256 που χρησιμοποιήθηκε για την σχεδίαση της μετρητικής διάταξης διαθέτει ένα τέτοιου είδους ρολόι. Το ρολόι αυτό είναι ένας μετρητής πραγματικού χρόνου (Real Time Counter), ο οποίος έχει τη δυνατότητα μέτρησης χρονικών διαστημάτων (intervals) και εκχώρησης διακοπών (interrupts) στην κεντρική μονάδα επεξεργασίας του μικροεπεξεργαστή (CPU) εφόσον έχει μεσολαβήσει το εκάστοτε χρονικό διάστημα. Οι διάφορες διακοπές που πραγματοποιούνται από τον μετρητή πραγματικού χρόνου εκτελούνται μέσω μιας ρουτίνας εξυπηρέτησης διακοπών. Ο Real Time Counter δίνει τη δυνατότητα στη μετρητική διάταξη να επιτυγχάνει σταθερή και αδιάλειπτη δειγματοληψία με μέγιστη συχνότητα τα 16KHz, η οποία είναι και η τελική συχνότητα δειγματοληψίας του συνολικού συστήματος. 52

53 Εφόσον η λειτουργία του μικροεπεξεργαστή βασίζεται σε διακοπές (interrupts), επιτρέπεται σε αυτόν, εκτός της σταθερής και αδιάλειπτης δειγματοληψίας σημάτων, η εκτέλεση διάφορων υπολογισμών και η επεξεργασία των δεδομένων με τελικό στόχο την αποστολή τους μέσω μιας θύρας USB. Με αυτόν τον τρόπο ο μικροελεγκτής δεν είναι υποχρεωμένος να ελέγχει συνεχώς αν υπάρχει κάποιο καινούργιο δείγμα που πρέπει να λάβει. Συμπερασματικά ο μικροεπεξεργαστής και κατά συνέπεια η μετρητική διάταξη είναι ελεγχόμενα από διακοπές (interrupt driven) και δεν είναι απαραίτητος ο συνεχής έλεγχος κάποιων σημαιών (polling), ώστε να πραγματοποιηθεί η διαδικασία της δειγματοληψίας. Με αυτόν τον τρόπο οι πόροι του συστήματος δεν καταναλώνονται και είναι δυνατή η ορθότερη χρήση αυτών. Η λειτουργία των διακοπών δεν καθορίζει μόνο τη μέτρηση σταθερών χρονικών διαστημάτων μεταξύ δύο διαδοχικών δειγμάτων αλλά και τη διαδικασία αποστολής των δεδομένων μέσω της θύρας USB. Αρχικά, ο μικροεπεξεργαστής εκτελεί τις κατάλληλες αρχικοποιήσεις ώστε να μπορεί να χρησιμοποιηθεί η θύρα USB. Συγκεκριμένα ορίζεται το πρότυπο (mode) με το οποίο θα λειτουργεί η συσκευή, τίθεται σε λειτουργία το ρολόι λειτουργίας του υλικού του USB και καθορίζεται το διάνυσμα εξυπηρέτησης διακοπών του USB. Επίσης όταν περάσει το στάδιο των αρχικοποιήσεων, δηλαδή ο μικροεπεξεργαστής βρίσκεται σε κανονική λειτουργία, εφόσον ο μικροεπεξεργαστής επιθυμεί να στείλει κάποια δεδομένα, τα δεδομένα αυτά αποθηκεύονται σε μια περιοχή προσωρινής αποθήκευσης (buffer), από όπου ο Ελεγκτής Απευθείας Πρόσβασης στη μνήμη (DMA) του ελεγκτή του USB τα μεταφέρει στον ελεγκτή του USB ώστε να μπορεί να ολοκληρωθεί η αποστολή. Τέλος μέσω κατάλληλης διακοπής ο μικροεπεξεργαστής ενημερώνεται για την ολοκλήρωση της μεταφοράς. Επιπρόσθετα, τμήμα του λογισμικού που υλοποιήθηκε είναι και η ρουτίνα λήψης των δειγμάτων από τον αναλογικό σε ψηφιακό μετατροπέα (Analog to Digital Converter). Η ρουτίνα λήψης των δειγμάτων αποτελεί τμήμα της ρουτίνας εξυπηρέτησης της διακοπής λόγω του μετρητή πραγματικού χρόνου. Η διαδικασία λήψης των δειγμάτων είναι η παρακάτω: Αρχικά, ο μικροεπεξεργαστής αρχικοποιεί τον αναλογικό σε ψηφιακό μετατροπέα έτσι ώστε να καθοριστεί ο τρόπος λειτουργίας του, δηλαδή αν θα δίνονται οι τιμές στην έξοδο του ADC σειριακά ή παράλληλα, αν η λειτουργία του μετατροπέα από αναλογικό σε ψηφιακό είναι για τριφασική τάση κτλ. Εφόσον γίνει η αρχικοποίηση του ADC, τότε ο τελευταίος είναι έτοιμος να χρησιμοποιηθεί. Μετά την αρχικοποίηση, για την λήψη του κάθε δείγματος ακολουθούνται ορισμένα βήματα. Ο μικροελεγκτής λαμβάνει τις τιμές που βρίσκονται στην έξοδο του μετατροπέα A/D και στη συνέχεια του δίνει το κατάλληλο σήμα ώστε να αρχίσει πάλι τη διαδικασία για τη λήψη νέων τιμών. Καθώς δίνεται το σήμα, ο μικροελεγκτής δεν αναμένει τον μετατροπέα A/D να ολοκληρώσει τη διαδικασία της μετατροπής αλλά 53

54 επεξεργάζεται τα δεδομένα και με αυτόν τον τρόπο κερδίζει και αξιοποιεί πολύτιμο χρόνο. Καθώς ο μετατροπέας από αναλογικό σε ψηφιακό λαμβάνει δείγματα, πραγματοποιείται έλεγχος για την αναγνώριση ύπαρξης φορτίου. Αυτό σημαίνει πως ύστερα από τον έλεγχο κάποιων κριτηρίων αποφασίζεται εάν όντως υπάρχει αλλαγή φορτίου στο οικιακό σύστημα και εάν τα δείγματα που ελήφθησαν είναι προς αποθήκευση ή όχι. Ο ρόλος της διαδικασίας αυτής είναι σημαντικός καθώς με αυτόν τον τρόπο ο χώρος αποθήκευσης δεν χρειάζεται να είναι μεγάλος και ο μικροεπεξεργαστής δεν είναι αναγκαίο να εκτελεί ενέργειες οι οποίες δεν είναι απαραίτητες. Οι τιμές που λαμβάνονται από τον μετατροπέα αναλογικού σήματος σε ψηφιακό αποθηκεύονται είτε στην μνήμη του μικροεπεξεργαστή είτε στον χώρο μνήμης που είναι διαθέσιμος χρησιμοποιώντας τον SDRAM ελεγκτή (SDRAM Controller). Στη συνέχεια και εφόσον έχει πραγματοποιηθεί η αποθήκευση των τιμών, ο μικροελεγκτής πραγματοποιεί τους απαραίτητους υπολογισμούς. Οι υπολογισμοί που εκτελούνται μπορεί να είναι: Αποθήκευση της ακριβούς χρονικής στιγμής λήψης του εκάστοτε δείγματος Υπολογισμός της ενεργού τιμής τάσης και ρεύματος (, ) Υπολογισμός του μέτρου της ισχύος (S) Υπολογισμός της μέσης τιμής ισχύος κάθε φάσης Υπολογισμός του συντελεστή ισχύος κάθε φάσης(pf) Εφόσον ολοκληρωθεί και ο υπολογισμός των παραπάνω μεγεθών, ο μικροεπεξεργαστής έχει τη δυνατότητα αποστολής αυτών μέσω της θύρας USB στον υπολογιστή. Τα δεδομένα που αποστέλλονται στον υπολογιστή μπορούν να είναι και περισσότερα ανάλογα με τις ανάγκες της μετρητικής διάταξης Μετρητής Πραγματικού Χρόνου Η μέτρηση δύο χρονικών διαστημάτων μεταξύ δύο δειγμάτων πραγματοποιείται με την χρήση ενός μετρητή πραγματικού χρόνου (Real Time Counter). Ο μετρητής αυτός αποτελεί τμήμα του υλικού του μικροεπεξεργαστή (ΑΤ32UC3256). Η λειτουργία του μετρητή αυτού είναι καθοριστικής σημασίας καθώς καθορίζει το πότε λαμβάνονται τα δείγματα. Παρακάτω γίνεται ανάλυση του τρόπου λειτουργίας του RTC. 54

55 Ο μετρητής πραγματικού χρόνου (Real Time Counter) αυξάνει την τιμή του κατά ένα χτύπο ενός ρολογιού, η οποία καθορίζεται από την εκάστοτε εφαρμογή. Η παραγωγή του χτύπου αυτού πραγματοποιείται από έναν ταλαντωτή ή ένα κύκλωμα αντίστασης πυκνωτή (RC) που λειτουργεί ως ταλαντωτής. Επίσης είναι απαραίτητη η χρήση ενός διαιρέτη συχνότητας (prescaler), η τιμή του οποίου καθορίζεται από την εφαρμογή. Με τη χρήση κατάλληλου διαιρέτη συχνότητας προκύπτει ρολόι με καθορισμένη συχνότητα. Η τιμή του διαιρέτη συχνότητας καθορίζεται με βάση την τιμή ενός 16- bit καταχωρητή που λαμβάνει την τιμή του με βάση τον παρακάτω τύπο: : Η συχνότητα που προκύπτει από το ρολόι του Real Time Counter : Η συχνότητα του ταλαντωτή που χρησιμοποιείται για την παραγωγή του ρολογιού PSEL: Η τιμή, η οποία καθορίζεται από την εφαρμογή, έτσι ώστε να επιλεγεί η επιθυμητή συχνότητα του ρολογιού Το ρολόι αυξάνει την τιμή του μετρητή κάθε φορά κατά ένα χτύπο του ρολογιού. Μετά από N+1 αυξήσεις της τιμής του μετρητή προκαλείται μια διακοπή στην κεντρική μονάδα επεξεργασίας (CPU) του μικροεπεξεργαστή έτσι ώστε να εκτελεστεί η κατάλληλη ρουτίνα διακοπής. Πρέπει να τονιστεί ότι ο αριθμός των αυξήσεων N καθορίζεται επίσης από την εκάστοτε εφαρμογή. Τελικά η ρουτίνα διακοπής είναι υπεύθυνη να επαναθέσει τη μάσκα της διακοπής, έτσι ώστε το ρολόι να αρχίσει ξανά την λειτουργία του. Συγκεκριμένα στο υπό υλοποίηση λογισμικό οι παράμετροι που επιλέχθηκαν είναι οι παρακάτω: Ταλαντωτής: Ταλαντωτής συστήματος με συχνότητα λειτουργίας 32 KHz. PSEL: Η τιμή που επιλέχθηκε για το PSEL είναι το 0. Τιμή Αναφοράς (Ν): Τιμή αναφοράς του μετρητή επιλέχθηκε επίσης το 0. Η επιλογή των παραπάνω τιμών έχει ως αποτέλεσμα η κάθε αύξηση της τιμής του μετρητή πραγματικού χρόνου κατά 1 να προκαλεί διακοπή στο σύστημα. Αυτό σημαίνει ότι ο μετρητής θα προκαλεί στο σύστημα διακοπές το δευτερόλεπτο, δηλαδή μία διακοπή κάθε 62.5μsec. Είναι σημαντικό να τονιστεί πως εφόσον η ρουτίνα εξυπηρέτησης της διακοπής του μετρητή πραγματικού χρόνου (RTC) είναι υπεύθυνη για τη δειγματοληψία του σήματος, 55

56 επιτυγχάνεται δειγματοληψία του αρχικού σήματος με συχνότητα ίση με 16KHZ, δηλαδή λαμβάνονται δείγματα το δευτερόλεπτο ( ) Λειτουργία Ελεγκτή SDRAM Καθώς η χρήση μόνο της μνήμης SRAM δεν είναι αρκετή ώστε να υπάρχει αρκετός χώρος αποθήκευσης για τα απαραίτητα δεδομένα, είναι αναγκαία η χρήση του ελεγκτή SDRAM (SDRAM Controller SDRAMC). Εφόσον ο ελεγκτής μνήμης SDRAM έχει ρυθμιστεί να λειτουργεί σωστά, μπορεί στη συνέχεια η διαθέσιμη εξωτερική SDRAM να χρησιμοποιηθεί ως συμπλήρωμα στην μνήμη του μικροεπεξεργαστή. Η λειτουργία του ελεγκτή αυτού κρίνεται σημαντική διότι καθιστά δυνατή την τοποθέτηση όλων των μεταβλητών και των δεδομένων στην εξωτερική αυτή μνήμη και επιτρέπει την πρόσβαση σε αυτά, ως μέρος του χάρτη φυσικής μνήμης του μικροελεγκτή [9]. Αρχικά προκειμένου να χρησιμοποιηθεί ο ελεγκτής θα πρέπει να γίνει η αρχικοποίηση και η ενεργοποίηση του μέσω της συνάρτησης sdramc_init η οποία είναι διαθέσιμη στο λογισμικό (AVR Software Framework) το οποίο είναι διαθέσιμο από την εταιρία της ATMEL. Εφόσον γίνει η ενεργοποίηση, ο χώρος εξωτερικής μνήμης μπορεί να θεωρηθεί ως τμήμα της φυσικής μνήμης του μικροεπεξεργαστή. Η χρήση του ελεγκτή δίνει τη δυνατότητα χρησιμοποίησης ενός απομονωτή (Buffer) αρκετά μεγάλου, ώστε να είναι ικανός να εξυπηρετεί τις ανάγκες χωρητικότητας της υλοποιήσιμης εφαρμογής Επικοινωνία Μέσω Θύρας USB Η θύρα USB του μικροεπεξεργαστή είναι αυτή που είναι υπεύθυνη για την αποστολή των δεδομένων στον υπολογιστή. Ο μικροεπεξεργαστής έχει τη δυνατότητα να υποστηρίξει διαφορετικά πρότυπα επικοινωνίας με εξωτερικές συσκευές, καθώς μπορεί σε ένα δίκτυο συνδεδεμένων συσκευών να λειτουργήσει και ως «συσκευή» (device) αλλά και ως «οικοδεσπότης» (host). Το πρότυπο αυτό λειτουργίας που παρέχει ονομάζεται On The Go (OTG) και του παρέχει τη δυνατότητα να αποτελεί είτε τον «αφέντη» (Master) είτε τον «σκλάβο» (slave) σε ένα δίκτυο υπολογιστών [10]. Το υλικό που διαθέτει ο μικροελεγκτής μπορεί να λειτουργήσει σύμφωνα με τα παρακάτω πρότυπα: USB HID (Human Interface Device Class): Αποτελεί κλάση λειτουργίας του USB που του επιτρέπει να μπορεί να αλληλεπιδρά με τον άνθρωπο. Παραδείγματα τέτοιας χρήσης είναι το ποντίκι (mouse) και το πληκτρολόγιο (keyboard) προσωπικού υπολογιστή. USB CDC (Composite Device Communication): Αποτελεί πρωτόκολλο το οποίο ενσωματώνει και περιλαμβάνει διαφορετικά είδη διεπαφών μεταξύ μιας συσκευής και ενός οικοδεσπότη. Η χρήση αυτής της κλάσης δίνει τη δυνατότητα να αναπτυχθεί μία 56

57 διεπαφή η οποία θα προσομοιάζει μία απλή σειριακή επικοινωνία (RS232, RS485), με ταχύτητα όμως πολύ μεγαλύτερη των απλών προτύπων. USB MSC (Mass Storage Device Class): Αποτελεί κλάση λειτουργίας του USB, η οποία του δίνει τη δυνατότητα μεταφοράς και αποθήκευσης αρχείων και δεδομένων σε εξωτερικά αποθηκευτικά μέσα όπως εξωτερικούς σκληρούς δίσκους και εξωτερικές μνήμες flash. Με αυτόν τον τρόπο ο μικροεπεξεργαστής μπορεί για παράδειγμα, να αποθηκεύει δεδομένα σε κάρτες SD. Το πρωτόκολλο που χρησιμοποιήθηκε κατά την υλοποίηση του λογισμικού είναι το USB CDC. Αυτό είχε ως αποτέλεσμα τη δημιουργίας μίας εικονικής σειριακής επικοινωνίας (Virtual Serial Communication) μεταξύ της μετρητικής διάταξης και του εκάστοτε υπολογιστή. Τα πλεονεκτήματα από τη χρήση αυτής της κλάσης είναι τα παρακάτω: Η απλότητα που παρέχει καθώς δεν απαιτείται η ανάπτυξη οδηγών ειδικού σκοπού (Drivers) από την πλευρά του οικοδεσπότη (host). Η ευκολία λειτουργίας σε διαφορετικά λειτουργικά συστήματα των προσωπικών υπολογιστών, καθώς αυτά παρέχουν κατάλληλη διεπαφή προγραμματισμού εφαρμογών. Η μεγάλη εξοικείωση των προγραμματιστών ενσωματωμένων συστημάτων με αυτό το πρωτόκολλο επικοινωνίας. Η δομή της αρχιτεκτονικής μιας «εικονικής» σειριακής θύρας (Virtual Com Port) φαίνεται στο παρακάτω σχήμα: 57

58 Σχήμα 29: Επικοινωνία με USB Όπως φαίνεται παραπάνω, αρχικά, η ενσωματωμένη εφαρμογή απαιτεί τους οδηγούς ειδικού σκοπού (drivers) για επικοινωνία μέσω θύρας USB (UART USB drivers). Στη συνέχεια οι οδηγοί χρησιμοποιούν αυτήν την θύρα για την αποστολή δεδομένων. Το επόμενο βήμα είναι η θύρα USB του εκάστοτε ηλεκτρονικού υπολογιστή να λάβει τα δεδομένα και οι οδηγοί USB (CDC Drivers) να τα διαχειριστούν. Τελικά η εφαρμογή που εκτελείται από τον ηλεκτρονικό υπολογιστή λαμβάνει τα δεδομένα που ελήφθησαν μέσω της θύρας USB, χρησιμοποιώντας την ίδια διεπαφή με την περίπτωση της απλής σειριακής θύρας. 58

59 Ανάλυση USB Firmware Η προγραμματιστική διεπαφή, προκειμένου να διαχειρίζεται η λειτουργία της θύρας USB μέσω λογισμικού, πραγματοποιείται με τη χρήση ειδικού λογισμικού (Firmware), το οποίο εκτελείται από τον επεξεργαστή του μικροελεγκτή. Αυτό το ειδικό Firmware έχει αναπτυχθεί από την εταιρία ATMEL και αποτελεί τμήμα του πακέτου λογισμικού AVR Software Framework (ASF) [11]. Πιο συγκεκριμένα, το Firmware παρέχει κατάλληλη προγραμματιστική διεπαφή (API) για τη διαχείριση της δυνατότητας αποστολής δεδομένων μέσω της θύρας USB από της εφαρμογή που αναπτύσσεται για τον μικροελεγκτή. Αναλυτικά το Firmware το οποίο πρέπει να ενσωματωθεί στο λογισμικό ώστε να μπορεί να διαχειριστεί η θύρα USB ονομάζεται USB Device Stack. Το πρότυπο επικοινωνίας που ενσωματώθηκε στην υλοποιημένη εφαρμογή είναι τύπου CDC για την αποστολή μεγάλων πακέτων πληροφορίας (Bulk Transfer). Το Firmware του USB Device Stack ουσιαστικά αποτελείται από τα παρακάτω τρία τμήματα: Τον Ελεγκτή συσκευής USB Device Controller (UDC) Την διεπαφή της συσκευής USB Device Interface (UDI) Τον οδηγό συσκευής USB Device Driver (UDD) Ο τρόπος με τον οποίο ενσωματώνεται το Firmware με την υλοποιήσιμη εφαρμογή είναι ο παρακάτω [10]: Σχήμα 30: Διασύνδεση USB Device Stack με την Εφαρμογή Το USB Device Controller (UDC) παρέχει την κατάλληλη διεπαφή για τον χειρισμό της συσκευής του USB. Η διεπαφή αυτή διαθέτει κατάλληλες συναρτήσεις ώστε να παρέχει τη δυνατότητα στη συσκευή USB να εκκινήσει, να σταματήσει, να συνδεθεί στον δίαυλο ή να αποσυνδεθεί 59

60 από αυτόν. Οι πιο σημαντικές συναρτήσεις είναι οι παρακάτω: udc_start, udc_stop, udc_attach. Το USB Device Driver (UDD) παρέχει μια χαμηλού επιπέδου διεπαφή για τους οδηγούς (drivers) που χειρίζονται το υλικό της συσκευής του USB. Όταν προκαλείται μια διακοπή από το υλικό του USB στον μικροελεγκτή τότε ο οδηγός του υλικού του USB που είναι αρμόδιος για την διακοπή καλεί τις κατάλληλες συναρτήσεις του USB Device Driver ώστε να εκτελεστούν οι κατάλληλες ενέργειες. Οι πιο σημαντικές συναρτήσεις είναι οι παρακάτω: udd_include_vbus_monitoring, udd_enable, udd_attach, udd_is_high_speed, udd_set_address. Το USB Device Interface (UDI) παρέχει μία κοινή προγραμματιστική διεπαφή (API) για όλες τις κλάσεις της συσκευής του USB που μπορούν να υλοποιηθούν. Επίσης διαθέτει συναρτήσεις τύπου callbacks, οι οποίες χρησιμοποιούνται από το USB Device Controller για το χειρισμό της διεπαφής της συσκευής USB. Το UDI εκτός από την γενική προγραμματιστική διεπαφή περιλαμβάνει και μία συγκεκριμένη διεπαφή για την υλοποίηση της κλάσης USB τύπου CDC (UDI_CDC). Η συγκεκριμένη προγραμματιστική διεπαφή παρέχει κατάλληλο API παρόμοιο με αυτό μιας απλής σειριακής θύρας RS-232 ενώ ταυτόχρονα περιλαμβάνει και τους περιγραφείς της γενικής κλάσης CDC. Οι πιο σημαντικές συναρτήσεις της κλάσης UDI_CDC είναι οι παρακάτω: udi_cdc_ctrl_signal_dcd, udi_cdc_getc, udi_cdc_is_rx_ready, udi_cdc_read_buf και άλλες. Ενσωμάτωση USB Firmware Στην Εφαρμογή Οι συναρτήσεις που χρησιμοποιήθηκαν για την υλοποίηση της εφαρμογής με βάση το USB Firmware είναι οι παρακάτω: Αρχικά στο στάδιο των αρχικοποιήσεων καλείται η συνάρτηση udc_start ώστε να επιτευχθεί η ενεργοποίηση της συσκευής USB στο κατάλληλο mode λειτουργίας συσκευής (USB Device Mode). Στο επόμενο στάδιο καλείται η συνάρτηση udc_include_vbus_monitoring ώστε να γίνει ο απαραίτητος έλεγχος αν είναι απαραίτητη η σύνδεση και αποσύνδεση της συσκευής από τον δίαυλο μέσω του λογισμικού. Εφόσον η μετρητική διάταξη δεν θα τροφοδοτείται συνεχώς από τον δίαυλο είναι απαραίτητη η σύνδεση και η αποσύνδεση της συσκευής από το λογισμικό, το οποίο επιτυγχάνεται χρησιμοποιώντας τις συναρτήσεις udc_attach και udc_detach, μέσω της χρήσης της συνάρτησης usb_vbus_event. Στο τελευταίο στάδιο, το οποίο αποτελείται από την αποστολή των δεδομένων χρησιμοποιείται η συνάρτηση udi_cdc_write_buf. Η συνάρτηση αυτή λαμβάνει την διεύθυνση μνήμης της αρχής ενός απομονωτή της RAM τις τιμές του οποίου 60

61 επιθυμούμε να αποστείλουμε μέσω της γραμμής CDC καθώς και τον αριθμό των δεδομένων τα οποία είναι απαραίτητο να αποσταλούν. Πρέπει να τονιστεί εδώ πως εφόσον η μετρητική διάταξη οφείλει να είναι πραγματικού χρόνου, θεωρείται πως η σύνδεση της με ηλεκτρονικό υπολογιστή δεν θα είναι συνεχής. Αυτό σημαίνει πως δεν θα υπάρχει συνεχής σύνδεση με θύρα USB. Για τον λόγο αυτό χρησιμοποιήθηκε η συνάρτηση stdio_usb_vbus_event ώστε η εφαρμογή να έχει τη δυνατότητα να αντιλαμβάνεται πότε έχει συνδεθεί μέσω της θύρας USB ένας ηλεκτρονικός υπολογιστής ή κάποια άλλη ηλεκτρονική συσκευή. Ρυθμίσεις Λειτουργίας Θύρας USB Για να καθορισθούν τα χαρακτηριστικά λειτουργίας της θύρας USB είναι απαραίτητη η χρήση της βιβλιοθήκης conf_usb, η οποία βρίσκεται στο AVR Software Framework, από την εφαρμογή. Τα χαρακτηριστικά τα οποία εν τέλει καθορίζονται από την βιβλιοθήκη αυτή είναι τα παρακάτω: Το Product ID (PID) της συσκευής. Σε ότι αφορά την παρούσα εφαρμογή, το PID είναι αυτό που παρέχει η εταιρία της Atmel για τους μικροελεγκτές της που υλοποιούν την κλάση επικοινωνίας CDC. Το Vendor ID (VID) της συσκευής. Στην περίπτωση του λογισμικού που αναπτύχθηκε το VID είναι αυτό που παρέχει η εταιρία της Atmel για τις συσκευές της. Τα ειδικά χαρακτηριστικά της επικοινωνίας της θύρας. Τα χαρακτηριστικά αυτά μπορεί να είναι ο αριθμός των stop bits, το είδος της ισοτιμίας και ο αριθμός των bits πληροφορίας. Όσον αφορά το λογισμικό, επιλέχθηκε να χρησιμοποιηθεί ένα stop bit, να μην γίνει χρήση bits ισοτιμίας και ο αριθμός των bits ισοτιμίας επιλέχθηκε στα 8 bits. Η ταχύτητα λειτουργίας της επικοινωνίας. Στην περίπτωση του λογισμικού που αναπτύχθηκε επιλέχθηκε επικοινωνία υψηλής ταχύτητας (High Speed Mode) καθώς ο μικροεπεξεργαστής AT32UC3256 έχει τη δυνατότητα υποστήριξης αυτού του τρόπου λειτουργίας Ανάλυση Αλγορίθμων και Λογισμικού Μικροελεγκτή Ο μικροεπεξεργαστής έχει την αρμοδιότητα να διαχειρίζεται και να επεξεργάζεται όλα τα δεδομένα τα οποία έχουν προέλθει από τον μετατροπέα αναλογικού σήματος σε ψηφιακό και στη συνέχεια ύστερα από κατάλληλες ενέργειες να τα διοχετεύει μέσω της θύρας USB στον ηλεκτρονικό υπολογιστή. Η λειτουργία του λογισμικού του μικροελεγκτή καθορίζεται από την χρήση των διακοπών. Με αυτόν τον τρόπο η λειτουργία του συστήματος είναι παρόμοια με αυτήν της εκτέλεσης δύο 61

62 διαφορετικών διεργασιών από έναν μονοπύρηνο επεξεργαστή. Η ρουτίνα εξυπηρέτησης της διακοπής του μετρητή πραγματικού χρόνου μπορεί να θεωρηθεί ως η μία διεργασία, ενώ η ρουτίνα της κυρίως διεργασίας του λογισμικού θεωρείται η δεύτερη διεργασία. Οι δύο διεργασίες που αναφέρθηκαν διαχειρίζονται κοινές μεταβλητές. Για να επιτευχθεί αυτό πρέπει να υπάρχει ένα είδος συγχρονισμού μεταξύ αυτών των δύο. Η ρουτίνα εξυπηρέτησης διακοπής του μετρητή πραγματικού χρόνου είναι υπεύθυνη για την επεξεργασία και τον υπολογισμό των τιμών που πρέπει να αποσταλούν στον ηλεκτρονικό υπολογιστή ενώ η ρουτίνα της κυρίως διεργασία του λογισμικού είναι υπεύθυνη για την αποστολή αυτών μέσω της θύρας του USB. Τελικώς φαίνεται πως οι δύο αυτές ρουτίνες έχουν μια δυναμική σχέση μεταξύ τους ώστε να μπορούν να εκπληρώσουν το στόχο της σχεδίασης μίας μετρητικής διάταξης πραγματικού χρόνου Αλγόριθμος Διαχείρισης Ρουτίνας Διακοπής Μετρητή Πραγματικού Χρόνου Η διεργασία της διαχείρισης ρουτίνας διακοπής του μετρητή πραγματικού χρόνου είναι επιφορτισμένη στην εκτέλεση των παρακάτω ενεργειών: 1. Επανεκκίνηση του μετρητή πραγματικού χρόνου 2. Υπολογισμός της χρονικής στιγμής λήψης του κάθε δείγματος 3. Επικοινωνία με τον μετατροπέα από αναλογικό σε ψηφιακό για την δειγματοληψία των σημάτων 4. Χρήση Ψηφιακού Φίλτρου 5. Υπολογισμός των τιμών της ενεργού τιμής τάσης (Vrms), της μέσης τιμής της Ισχύος και του συντελεστή απόδοσης κάθε φάσης. Επανεκκίνηση Μετρητή Πραγματικού Χρόνου Η επανεκκίνηση του μετρητή πραγματικού χρόνου πετυχαίνει μία νέα διακοπή στον επεξεργαστή κάθε 62.5μsec θέτοντας την τιμή 1 στην κατάλληλη σημαία διακοπής. Συγκεκριμένα, θέτοντας ως 1 το bit Top Interrupt (TOPI) του καταχωρητή IER (Interrupt Enable Register). Υπολογισμός Χρονικής Στιγμής Ένα από τα μεγέθη τα οποία είναι επιθυμητό να στέλνονται στον ηλεκτρονικό υπολογιστή είναι η χρονική στιγμή κατά την οποία λαμβάνονται τα δείγματα από τον μικροεπεξεργαστή. Αν θεωρήσουμε ως χρονική στιγμή 0 την στιγμή όπου λαμβάνεται το πρώτο δείγμα του σήματος και εφόσον έχει υπολογιστεί παραπάνω πως πραγματοποιείται νέα διακοπή κάθε 62

63 62.μsec είναι απαραίτητη, η αύξηση μίας μεταβλητής (t) κατά Η μεταβλητή αυτή αντιπροσωπεύει την χρονική στιγμή λήψης δείγματος σε τάξη μεγέθους τα milliseconds. Επιπρόσθετα επειδή επιλέχθηκε η μεταβλητή αυτή να έχει μέγεθος 4 bytes (δηλαδή να είναι τύπου float), πρέπει να τονιστεί ότι μπορεί να μετρήσει χρόνο της τάξης των milliseconds χωρίς απώλεια ακρίβειας λόγω της στρογγυλοποίησης. Στην περίπτωση που η μεταβλητή (t) αποκτήσει την τιμή msec τότε πρέπει να αυξηθεί μία άλλη μεταβλητή (t_temp), η οποία έχει και αυτή μέγεθος 4 bytes, κατά ενώ η τιμή της μεταβλητής t μηδενίζεται. Τελικώς ο τύπος για να υπολογιστεί η χρονική στιγμή κατά την οποία λήφθηκε ένα δείγμα είναι: Επομένως η ανάγκη σχεδίασης μιας μετρητικής διάταξης πραγματικού χρόνου με συνεχή και αδιάλειπτη λειτουργία απαιτεί από το λογισμικό να έχει την ικανότητα να μετράει μεγάλα χρονικά διαστήματα με απόλυτη ακρίβεια. Τέλος θα πρέπει να τονιστεί πως ο μικροεπεξεργαστής στέλνει στον υπολογιστή τις μεταβλητές t και t_temp. Επικοινωνία με τον ADC Η επικοινωνία μεταξύ του μικροελεγκτή και του μετατροπέα από αναλογικό σε ψηφιακό πραγματοποιείται παράγοντας τα κατάλληλα σήματα. Καταρχάς ο ADC αφού λάβει το κατάλληλο σήμα ξεκινά τη διαδικασία της λήψης δειγμάτων. Η διαδικασία αυτή διαρκεί τουλάχιστον 3μsec. Ώστε να μην υπάρχει χρονική καθυστέρηση στην όλη διαδικασία προτιμήθηκε αρχικά ο μικροελεγκτής να λαμβάνει τις τιμές που βρίσκονται στην έξοδο του ADC και στη συνέχεια να του δίνει κατάλληλη εντολή ώστε να αρχίσει τη δειγματοληψία. Με αυτόν τον τρόπο όσο ο μετατροπέας από αναλογικό σε ψηφιακό εκτελεί την μετατροπή των τιμών, ο μικροελεγκτής θα μπορεί να επεξεργάζεται τις τιμές που έχει λάβει από τη προηγούμενη διαδικασία δειγματοληψίας. Καθώς αρχικά στην έξοδο του A/D Converter δεν υπάρχουν δείγματα, οι πρώτες τιμές που λαμβάνει ο μικροεπεξεργαστής δεν είναι πραγματικές και το σύστημα θεωρεί ότι τα πρώτα αυτά δείγματα ελήφθησαν τη χρονική στιγμή ms. Επομένως το σύστημα δεν αναμένει την ολοκλήρωση της μετατροπής με αποτέλεσμα να γίνεται ουσιαστικότερη αξιοποίηση του μικροεπεξεργαστή. Οι τιμές των δύο δειγμάτων τάσης και ρεύματος που λαμβάνονται από τον μικροελεγκτή είναι της μορφής των 16bits οπότε και αποθηκεύονται σε 2 μεταβλητές των 16 bits. Ύστερα από την λήψη και την αποθήκευση των τιμών αυτών ακολουθεί η επεξεργασία τους ώστε να προκύψουν τα απαιτούμενα μεγέθη. Η παραπάνω διαδικασία εκτελείται στέλνοντας κατάλληλα σήματα από τον μικροεπεξεργαστή στον A/D Converter. Τα σήματα αυτά προκύπτουν από τον προγραμματισμό των pins της 63

64 αναπτυξιακής πλακέτας AT32UC3256, τα οποία pins έχουν συνδεθεί κατάλληλα με τους αντίστοιχους ακροδέκτες του A/D Converter (όπως αναφέρεται και στο κεφάλαιο ). Οπότε με βάση τον παρακάτω αλγόριθμο [12] προκύπτει η διαδικασία δειγματοληψίας τιμών από τον ADC. Έναρξη_λειτουργίας() { Θέσε το pin 7 (not(standby)) σε λογικό high Περίμενε 30 ms } Αρχικοποιήσεις() { //Οι παρακάτω αρχικοποιήσεις αφορούν τη ρύθμιση ορισμένων παραμέτρων //λειτουργίας του μετατροπέα Θέσε το pin 3 (OS0) σε λογικό low Θέσε το pin 4 (OS1) σε λογικό low Θέσε το pin 5 (OS2) σε λογικό low Θέσε το pin 6 (not(par)/ser/byte select) σε λογικό low Θέσε το pin 8 (range) σε λογικό high Θέσε το pin 34 (ref select) σε λογικό high //Οι παρακάτω αρχικοποιήσεις δίνουν τις αρχικές τιμές σε pin εξόδου που //θα χρησιμοποιηθούν στη διαδικασία της δειγματοληψίας Θέσε το pin 13 (not(cs)) σε λογικό high Θέσε το pin 11 (reset) σε λογικό low Θέσε το pin 9 (convsta) σε λογικό low Θέσε το pin 10 (convstb) σε λογικό low //θα χρησιμοποιηθεί και το convstb //επειδή αυτό δειγματοληπτεί τις τρεις τελευταίες εισόδους Θέσε το pin 12 (not(rd)) σε λογικό high } Δειγματοληψία() { Θέσε το pin 11 (reset) από low σε high //σβήσιμο προηγούμενης τιμής Περίμενε 50 ns Θέσε το pin 11 (reset) από high σε low Θέσε τα pins 9,10 (CONVSTA και CONVSTB) από low σε high 64

65 } //Οι καταστάσεις high και low των εισόδων αυτών πρέπει σε κάθε περίπτωση //να κρατάνε τουλάχιστον 25ns Περίμενε 40 ns //αρχίζει το conversion και κρατάει όσο το pin 14 (BUSY) είναι σε λογικό high άμα //θέλουμε να κρατήσουμε τη χρονική στιγμή που έγινε η μέτρηση (timestamp) //είναι ακριβώς αυτή εδώ Δες πότε το pin 14 (BUSY) πηγαίνει σε λογικό low //αυτό γίνεται περίπου 3 μs μετά οπότε ο μικροεπεξεργαστής στο ενδιάμεσο αντί //να περιμένει μπορεί να κάνει και άλλους υπολογισμούς Θέσε το pin 13 (not(cs)) σε λογικό low //υπάρχει και η δυνατότητα να είναι και μόνιμα γειωμένο Για i από 1 μέχρι 4{ Θέσε το pin 12 (not(rd)) σε λογικό high Περίμενε 15 ns Θέσε το pin 12 (not(rd)) σε λογικό low Περίμενε 30 ns //η τιμή του χρόνου αναμονής εξαρτάται από τη Vdrive Αν το pin 15 (FRSTDATA) είναι 1, τότε η εν λόγω τιμή είναι η Vi Λάβε την τιμή Vi } Θέσε το pin 13 (not(cs)) σε λογικό high Λήξη_λειτουργίας() { Θέσε το pin 7 (not(standby)) σε λογικό low Θέσε το pin 8 (range) σε λογικό low } Ψηφιακό Φίλτρο Πίνακας 10: Αλγόριθμος επικοινωνίας Μικροελεγκτή με τον AD Καθώς έπρεπε να ληφθούν υπόψη τα σφάλματα, τα οποία μπορεί να προκύψουν από το θόρυβο του σήματος επιλέχθηκε να χρησιμοποιηθεί ένα ψηφιακό φίλτρο σε επίπεδο λογισμικού. Το φίλτρο που επιλέχθηκε είναι το λεγόμενο φίλτρο ακίδας θορύβου [13] και εξομαλύνει τις απότομες και μικρής διάρκειας μεταβολές του πλάτους του θορύβου (Noise Spikes) που προκαλούνται από ηλεκτρικές τάσεις που επάγονται στο περιβάλλον των αισθητηρίων κατά την εκκίνηση κινητήρων ή από υπερκείμενες γραμμές μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας. Άρα όταν το πλάτος του θορύβου που υπάρχει σε ένα αναλογικό σήμα 65

66 αλλάζει απότομα και λαμβάνει εξαιρετικά μεγάλη τιμή σε σχέση με αυτή που είχε στην προηγούμενη περίοδο δειγματοληψίας και λαμβάνει την αρχική του τιμή στην επόμενη περίοδο δειγματοληψίας, τότε ενδείκνυται η χρήση του φίλτρου που περιγράφεται από την παρακάτω σχέση: Όπου το είναι το τελικό νέο δείγμα του σήματος, το είναι το αποτέλεσμα της μετατροπής από τον ADC, και το είναι το προηγούμενο δείγμα του σήματος. Στην περίπτωση του φίλτρου που υλοποιήθηκε το επιλέχθηκε να έχει την τιμή Υπολογισμός Μεγεθών Σε κάθε αποστολή δεδομένων από τον μικροεπεξεργαστή στον ηλεκτρονικό υπολογιστή στέλνονται οι χρονικές τιμές λήψης των δειγμάτων ρεύματος, οι τιμές των δειγμάτων ρεύματος, η ενεργός τιμή της τάσης ( ) της κάθε φάσης, η συνολική ισχύς (S) κάθε φάσης και ο συντελεστής απόδοσης (pf) κάθε φάσης. Εφόσον η συχνότητα του σήματος λαμβάνεται στα 50Hz, η περίοδος του σήματος θα ισούται με και εφόσον η συχνότητα δειγματοληψίας υπολογίστηκε παραπάνω ότι είναι της τάξης των 16 KHz ο αριθμός των δειγμάτων που συλλέγονται σε μία περίοδο είναι: Συνεπώς από τον μικροεπεξεργαστή στον υπολογιστή στέλνονται 320 τιμές ρεύματος, όπου για κάθε τιμή ρεύματος έχουμε δύο τιμές που αναπαριστούν τη χρονική στιγμή όπου ελήφθησαν τα δείγματα αυτά. Σε σύνολο οι παραπάνω τιμές προκύπτουν 960. Αν συνυπολογιστούν όμως και οι 3 τιμές ενεργού τάσης, οι 3 τιμές συνολικής ισχύος και οι 3 τιμές συντελεστή απόδοσης που αντίστοιχα αναλογούν σε κάθε φάση τότε το σύνολο των τιμών που προκύπτει είναι 969 τιμές των 4 bytes (float) η κάθε μία. Η αποθήκευση των παραπάνω τιμών γίνεται σε έναν αρκετά μεγάλο απομονωτή (Buffer), η λειτουργία του οποίου θα αναλυθεί σε παρακάτω κεφάλαιο. t_temp t I(t) t_temp t I(t) Πίνακας 11: Σειρά Αποθήκευσης Τιμών 66

67 Εφόσον γίνει η αποθήκευση των 4 μεταβλητών που περιέχουν τα δείγματα των τιμών τάσεων και ρεύματος τότε πρέπει οι τιμές αυτές να υποστούν επεξεργασία. Καταρχάς περνάνε από το ψηφιακό φίλτρο ώστε να μην υπάρχουν σφάλματα. Ύστερα για να αποκτηθεί η πραγματική τιμή του ρεύματος, η τιμή που λήφθηκε από τον μετατροπέα αναλογικού σε ψηφιακό πολλαπλασιάζεται επί μία σταθερά. Το αποτέλεσμα του πολλαπλασιασμού αυτού είναι η πραγματική τιμή ρεύματος. : Η σταθερά με την οποία πολλαπλασιάζεται η τιμή ρεύματος που λήφθηκε από τον ADC : Η τιμή του ρεύματος στην έξοδο του Analog Digital Converter : Η πραγματική τιμή του ρεύματος : Η τιμή του κέρδους του μετασχηματιστή ρεύματος. Εφόσον ο μετασχηματιστής υποβιβάζει την τιμή κατά 20 φορές θα ισχύει ότι =20. Αντίστοιχα για να υπολογιστούν οι πραγματικές τιμές των τάσεων κάθε φάσης, πρέπει οι τιμές που λήφθηκαν από τον μετατροπέα αναλογικού σε ψηφιακό σήμα να πολλαπλασιαστούν επί μία σταθερά. Το αποτέλεσμα του πολλαπλασιασμού αυτού είναι οι πραγματικές τιμές τάσης. : Η σταθερά με την οποία πολλαπλασιάζεται η τιμή τάσης που λήφθηκε από τον ADC : Η τιμή της τάσης στην έξοδο του Analog Digital Converter : Η πραγματική τιμή της τάσης : Η τιμή του κέρδους του μετασχηματιστή τάσης. Εφόσον ο μετασχηματιστής υποβιβάζει την τιμή κατά 20 φορές θα ισχύει ότι =20. Με βάση τα δείγματα των στιγμιαίων τιμών τάσης και ρεύματος μπορεί να υπολογιστούν οι τιμές,,,,,,, και για κάθε περίοδο των σημάτων (ως περίοδος θεωρείται η περίοδος του σήματος τάσης, δηλαδή ). Αν θεωρηθεί πως 67

68 είναι το n-οστό δείγμα τάσης για την πρώτη φάση μιας περιόδου του σήματος, είναι το n-οστό δείγμα τάσης για την δεύτερη φάση, είναι το n-οστό δείγμα τάσης για την τρίτη φάση και το αντίστοιχο δείγμα του ρεύματος τότε η τιμή των ενεργών τιμών τάσης και του ρεύματος προκύπτουν ως εξής: Και όπου είναι ίσο με τον αριθμό των δειγμάτων για μια περίοδο του σήματος των τάσεων, δηλαδή το δείγματα για συχνότητα δειγματοληψίας 16KHz. Με βάση τις παραπάνω τιμές των ενεργών τιμών τάσης και ρεύματος μπορεί να προκύψει η τιμή της συνολικής ισχύος,, κάθε φάσης:, και Η τιμή του συντελεστή απόδοσης,, κάθε φάσης προκύπτει από την παρακάτω σχέση:, και Όπου για κάθε φάση είναι η μέση τιμή της ισχύος του συνολικού φορτίου και προκύπτει: 68

69 Τελικώς με βάση τους παραπάνω τύπους η ρουτίνα διακοπής υπολογίζει τις τιμές,,,,,,, και ακολούθως: Κατά τη λήψη νέων δειγμάτων τάσης και ρεύματος υπολογίζεται το τετράγωνο της τιμής των τάσεων και του ρεύματος καθώς και τα μεταξύ τους γινόμενα και τελικά οι τιμές αυτές προστίθενται σε επτά διαφορετικές ακέραιες μεταβλητές,,,,,, αντίστοιχα. Όταν ο αριθμός των δειγμάτων που έχουν ληφθεί αποκτήσει την τιμή 320 τότε έχουν ληφθεί τα δείγματα των σημάτων που αντιστοιχούν σε μια περίοδο του σήματος τάσης, επομένως μπορεί να γίνει ο υπολογισμός των,,,,,,, και. Άρα οι μεταβλητές,,,,,, έχουν τιμή:,,,, Οπότε υπολογίζονται οι ζητούμενες τιμές ως εξής:, και 69

70 Οι τιμές αυτές αποθηκεύονται τελικά στην κατάλληλη θέση στον απομονωτή έτσι ώστε να αποσταλούν, ενώ οι τιμές των μεταβλητών,,,,,, μηδενίζουν έτσι ώστε να γίνεται επανάληψη της παραπάνω διαδικασίας σε κάθε επόμενη περίοδο του σήματος τάσης. Τρόπος Υπολογισμού Δεκαδικών Αριθμών Καθώς ο μικροελεγκτής AT32UC3A3256 δε διαθέτει κατάλληλο υλικό που να του επιτρέπει να διαχειρίζεται δεκαδικούς αριθμούς (Floating Point Unit) η εκτέλεση πράξεων μεταξύ δεκαδικών αριθμών μπορεί να γίνει είτε επιτρέποντας στον ελεγκτή να εκτελεί υπολογισμούς χρησιμοποιώντας δεκαδικούς αριθμούς είτε ακεραίους σταθερής υποδιαστολής. Το πλεονέκτημα χρήσης δεκαδικών αριθμών (Float) είναι ότι θα είναι πιο ακριβείς τα αποτελέσματα των απαιτούμενων πράξεων μεταξύ των υπολογιζόμενων μεγεθών. Το μειονέκτημα όμως χρήσης δεκαδικών αριθμών είναι ότι απαιτούνται αρκετοί κύκλοι μηχανής ώστε να πραγματοποιηθούν οι πράξεις. Αντίθετα με την χρήση ακεραίων σταθερής υποδιαστολής (Fixed Point Integers) γίνεται προσπάθεια μείωσης των απαιτούμενων κύκλων μηχανής έχοντας ως μειονέκτημα την μείωση της ακρίβειας των αποτελεσμάτων. Με τον όρο Fixed Point Integers εννοούνται ακέραιοι οι οποίοι χρησιμοποιούνται για να αναπαραστήσουν δεκαδικούς αριθμούς. Ορισμένα bits των ακεραίων αυτών χρησιμοποιούνται για να αναπαραστήσουν το ακέραιο μέρος ενός δεκαδικού αριθμού ενώ τα υπόλοιπα το δεκαδικό μέρος. Αν και ακέραιοι αριθμού αναπαριστούν δεκαδικούς αριθμούς το σύστημα τους διαχειρίζεται ως ακεραίους. Η χρήση ακεραίων βελτιώνει την απόδοση του συστήματος λόγω του ότι γίνεται καλύτερη χρήση του υλικού της συσκευής. Αξίζει να τονιστεί πως ο μεταγλωττιστής παρέχει στον προγραμματιστή τη δυνατότητα να διαχειρίζεται αριθμούς κινητής υποδιαστολής, παρόλο που το υλικό δεν είναι κατάλληλο. Αντίθετα όταν χρησιμοποιούνται ακέραιοι το υλικό μπορεί να τους διαχειριστεί απευθείας. Αυτός είναι και ο λόγος της μείωσης των κύκλων μηχανής με χρήση ακεραίων σταθερής υποδιαστολής. Οι ακέραιοι σταθερής υποδιαστολής που χρησιμοποιούνται για την αναπαράσταση της τιμής των δειγμάτων μπορούν να έχουν την παρακάτω μορφή: Ακέραιος των 16 bits Πρόσημο Ακέραιο Μέρος Δεκαδικό Μέρος Πίνακας 12: Ακέραιος σταθερής υποδιαστολής 70

71 Δηλαδή έχουν 4 bits ακέραιο μέρος και 11 bits δεκαδικό μέρος. Η μορφή αυτή επιλέχθηκε καθώς ο Analog to Digital Converter δίνει στην έξοδο του τιμές από -10 έως και 10V, συνεπώς χρειάζονται 4 bits για το ακέραιο μέρος της τιμής. Ιδιότητες Πράξεων Ακεραίων Σταθερής Υποδιαστολής: Ο ακέραιος σταθερής υποδιαστολής που προκύπτει από το άθροισμα δύο ακεραίων κινητής υποδιαστολής αναπαριστά έναν δεκαδικό αριθμό που είναι ίσος με το άθροισμα των δεκαδικών αριθμών που αναπαριστούν οι δύο ακέραιοι κινητής υποδιαστολής. Συνεπώς εκτελώντας τις πράξεις αυτές μεταξύ των ακεραίων μπορούμε να υπολογίσουμε τον ζητούμενο δεκαδικό αριθμό. Συγκεκριμένα όσον αφορά την πρόσθεση, από το άθροισμα δύο ακεραίων σταθερής υποδιαστολής μπορεί να προκύψει ένας αριθμός με ίδιο αριθμό bits δεκαδικού μέρους και με αριθμό bits ακέραιου μέρους ίσο με τον αριθμό bits του ακέραιου μέρους των δύο αριθμών αυξημένο κατά ένα. Για την αφαίρεση ισχύουν τα ίδια ακριβώς. Όσον αφορά τον πολλαπλασιασμό, από το γινόμενο δύο ακεραίων σταθερής υποδιαστολής μπορεί να προκύψει ένας αριθμός με διπλάσιο αριθμό bits τόσο στο ακέραιο όσο και στο δεκαδικό μέρος. Τέλος για την διαίρεση, το αποτέλεσμα της διαίρεσης δύο αριθμών σταθερής υποδιαστολής είναι ίδιο με το αποτέλεσμα της διαίρεσης των δεκαδικών αριθμών που αυτοί αναπαριστούν. Υπολογισμός S και pf κάθε φάσης: Ο τρόπος με τον οποίον υπολογίζονται οι παραπάνω τιμές αλλάζει έτσι ώστε οι υπολογισμοί αυτοί να πραγματοποιούνται γρηγορότερα και με λιγότερους κύκλους μηχανής. Καθώς οι τύποι για τον υπολογισμό των παραπάνω μεγεθών είναι οι παρακάτω:,, και, Ο υπολογισμός των παραμέτρων γίνεται ως εξής: Αρχικά υπολογίζονται τα αθροίσματα τα οποία αποθηκεύονται σε επτά ακεραίους σταθερής υποδιαστολής μεγέθους των 32 bits. Καθώς οι τιμές της τάσης και του ρεύματος είναι 16 bits ακέραιοι σταθερής υποδιαστολής 71

72 αποτελούμενοι από 11 bits δεκαδικό μέρος και 4 bits ακέραιο, το γινόμενο τους είναι ένας αριθμός των 8 bits ακέραιου μέρους και 22 bits δεκαδικού. Αφού υπολογιστούν τα παραπάνω αθροίσματα, διαιρούνται με τον αριθμό N=320 (αριθμός δειγμάτων) και υπολογίζεται η τετραγωνική τους ρίζα. Αξίζει να τονιστεί πως ο υπολογισμός της τετραγωνικής ρίζας μπορεί να πραγματοποιηθεί είτε χρησιμοποιώντας την ενσωματωμένη συνάρτηση sqrt της βιβλιοθήκης math.h είτε αναπτύσσοντας ειδική συνάρτηση υπολογισμού της τετραγωνικής ρίζας. Η ειδική συνάρτηση είναι προτιμότερο να χρησιμοποιηθεί αν και εφόσον γίνει χρήσης ακεραίων σταθερής υποδιαστολής. Εφόσον δεν γίνει χρήση της συνάρτησης sqrt θα βελτιωθεί η απόδοση του συστήματος αφού πλέον απαιτούνται λιγότεροι κύκλοι μηχανής. Βέβαια η ακρίβεια της υπό ανάπτυξη συνάρτησης θα είναι μικρότερη από μία συνάρτηση που υπολογίζει την τετραγωνική ρίζα ενός αριθμού κινητής υποδιαστολής (float) Αλγόριθμος Αναγνώρισης Γεγονότων Καθώς ο στόχος της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η σχεδίαση μίας μετρητικής διάταξης πραγματικού χρόνου, κρίθηκε απαραίτητη η χρήση ενός αλγορίθμου ο οποίος θα είναι σε θέση να αναγνωρίσει συμβάντα που οφείλονται σε ενεργοποιήσεις και απενεργοποιήσεις συσκευών σε ένα σύστημα μιας οικιακής ηλεκτρικής εγκατάστασης. Ο αλγόριθμος που χρησιμοποιήθηκε λέγεται αλγόριθμος Εύρεσης Συμβάντος [14]. Το διάγραμμα ροής του υπό χρησιμοποίηση αλγορίθμου είναι το παρακάτω: 72

73 Σχήμα 31: Συνοπτικό Διάγραμμα Ροής Αλγορίθμου Ως είσοδος στον αλγόριθμο αυτόν θεωρείται η χρονική μεταβολή του ρεύματος εισόδου, ενώ τα υπόλοιπα στοιχεία του αλγορίθμου προκύπτουν ύστερα από υπολογισμούς. Επιλογή Χρονικού Παραθύρου: Το πρώτο βήμα του αλγορίθμου είναι η επιλογή ενός χρονικού παραθύρου το οποίο θεωρείται μια τμηματική υποδιαίρεση μικρής διάρκειας, σε σύγκριση με το σύνολο της καταγραφής, του συνολικού χρονικού διαστήματος της μέτρησης. Στα όρια του χρονικού αυτού παραθύρου γίνεται η απαραίτητη επεξεργασία για να διαπιστωθεί η ύπαρξη συμβάντος. Η διαδικασία αυτή προφανώς επαναλαμβάνεται συνεχώς μέχρις ότου σταματήσει τη λειτουργία της η μετρητική διάταξη. Το χρονικό παράθυρο που επιλέχθηκε κατά το σχεδιασμό είναι μία περίοδος του σήματος τάσης, δηλαδή μέχρι να γίνει η καταγραφή 320 δειγμάτων ρεύματος. Κανονικοποίηση Δεδομένων: Το δεύτερο βήμα του αλγορίθμου είναι η κανονικοποίηση των δεδομένων. Αξίζει να τονιστεί πως πρέπει προφανώς προτού γίνει η κανονικοποίηση να έχει αποθηκευτεί το σύνολο των δεδομένων που αντιστοιχεί στο επιλεγμένο χρονικό παράθυρο. Επομένως πραγματοποιούνται 73

74 οι κατάλληλες ενέργειες για την κανονικοποίηση του σήματος εισόδου ως προς τη μέγιστη στιγμιαία τιμή που εμφανίζεται στο εξεταζόμενο χρονικό παράθυρο. Εύρεση Ακρότατων: Η εύρεση των θετικών ακρότατων της κυματομορφής του ρεύματος εισόδου της μετρητικής διάταξης αποτελεί το σημαντικότερο υπολογιστικό βήμα του αλγορίθμου, διότι με βάση τις τιμές των ακρότατων υπολογίζονται όλες οι παράμετροι σύμφωνα με τις οποίες διαπιστώνεται η ύπαρξη συμβάντος. Υπολογισμός Παραμέτρων: Η τελική εκτίμηση για την ύπαρξη συμβάντος καθορίζεται από τις τιμές που λαμβάνουν διάφοροι παράμετροι. Η ανάλυση των παραμέτρων γίνεται παρακάτω: Υπολογισμός Ολικής Αρμονικής Παραμόρφωσης (Total Harmonic Distortion THD): Ο παράγοντας που παίζει το σημαντικότερο ρόλο στην εκτίμηση για την ύπαρξη συμβάντος είναι ο THD. Η ολική αρμονική παραμόρφωση ενός σήματος ορίζεται ως ο λόγος του αθροίσματος όλων των αρμόδιων αρμονικών συνιστωσών προς την αρμόδια θεμελιώδη συνιστώσα. Ο υπολογισμός του THD κατά τη διαδικασία εκτίμησης λειτουργεί επικουρικά με σκοπό να πιστοποιηθεί πως το ρεύμα εισόδου παρουσιάζει αρμονική παραμόρφωση στα επιτρεπτά όρια. Αν διαπιστωθεί μία ραγδαία αλλαγή στην ολική αρμονική παραμόρφωση μεταξύ δύο διαδοχικών εξεταζόμενων χρονικών διαστημάτων θα μπορούσε να υποδηλώνει την ύπαρξη συμβάντος, χωρίς να χρειαστεί ο περαιτέρω υπολογισμός των υπόλοιπων παραμέτρων. Υπολογισμός Μέσης τιμής των τιμών των κορυφών του ρεύματος: Ο τύπος ο οποίος υπολογίστηκε η μέση τιμή των κορυφών του ρεύματος κατά το διάστημα που εκτείνεται το εξεταζόμενο χρονικό παράθυρο για n αριθμό κορυφών είναι: Πρέπει να τονιστεί πως για να πραγματοποιηθεί εκτίμηση ύπαρξης συμβάντος βασιζόμενη στην τιμή του στατιστικού μεγέθους της μέσης τιμής και γενικά με βάση άλλα στατιστικά μεγέθη θα πρέπει να προηγηθεί η κανονικοποίηση των δεδομένων. Με βάση τον 74

75 αλγόριθμο αν η μέση τιμή έχει τιμή κοντά στη μονάδα τότε συμπεραίνεται πως δεν παρουσιάζεται είσοδος φορτίου αλλά αν έχει τιμή αρκετά μικρότερη της μονάδας τότε είναι φανερή η ύπαρξη ενεργοποίησης μιας ηλεκτρικής συσκευής κατά τη διάρκεια του χρόνου μελέτης. Υπολογισμός Εύρους των τιμών των κορυφών του ρεύματος: Σε ένα κανονικοποιημένο δείγμα τιμών στο οποίο δεν παρουσιάζεται μεταβολή στη διάταξη, η τιμή του εύρους θα πρέπει να πλησιάζει τη μηδενική τιμή σε αντίθετη περίπτωση αναγνωρίζεται η ύπαρξη συμβάντος. Χρησιμοποιώντας το στατιστικό μέγεθος του εύρους είναι δυνατό ο αλγόριθμος να αντιλαμβάνεται απότομες αιχμές που οφείλονται σε μεταβατικά φαινόμενα κατά την εκκίνηση των συσκευών ή κατά την είσοδο φορτίων με έντονο αρμονικό περιεχόμενο. Υπολογισμός τυπικής απόκλισης των τιμών των κορυφών του ρεύματος: Με το μέγεθος της τυπικής απόκλισης του δείγματος n τιμών των τοπικών ακρότατων του ρεύματος εισόδου παρέχεται μια επιπλέον πληροφορία σχετικά με τον τρόπο που κατανέμονται οι τιμές του εξεταζόμενου δείγματος. Εφόσον η τιμή της τυπικής απόκλισης κυμαίνεται κοντά στο μηδέν τότε υπάρχει η ένδειξη ύπαρξης συμβάντος. Σε αντίθετη περίπτωση αν η τιμή της τυπικής απόκλισης βρίσκεται κοντά στη μονάδα τότε εκτιμάται η μη ύπαρξη συμβάντος. Αξίζει να τονιστεί πως η δυνατότητα του παραπάνω αλγορίθμου να αντιλαμβάνεται αλλαγές στον αριθμό και στην κλίμακα λειτουργίας των ηλεκτρικών συσκευών ενός συστήματος, εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από το μέγεθος της συνολικής φόρτισης της διάταξης κατά την ύπαρξη της εκάστοτε μεταβολής. Λαμβάνοντας υπόψη τα παραπάνω στατιστικά μεγέθη αλλά και την τιμή της μεταβλητής της ολικής αρμονικής παραμόρφωσης προκύπτει απόφαση για την ύπαρξη συμβάντος ή όχι. Αν όντως προκύψει με βάση τον αλγόριθμο πως υπάρχει συμβάν τότε ακολουθεί ο υπολογισμός και η αποθήκευση των ζητούμενων ηλεκτρικών μεγεθών, δηλαδή ο υπολογισμός της συνολικής ισχύος, του συντελεστή απόδοσης κάθε φάσης κλπ. 75

76 Αλγόριθμος Αποθήκευσης και Αποστολής Τιμών Όλες οι τιμές οι οποίες υπολογίζονται και είναι απαραίτητο να σταλούν από τον μικροεπεξεργαστή στον ηλεκτρονικό υπολογιστή πρέπει πρώτα να αποθηκευτούν με κάποιο τρόπο σε μνήμη του μικροελεγκτή. Για αυτόν τον λόγο δημιουργήθηκε ένας απομονωτής (Buffer) ο οποίος θα έχει δυναμικό μέγεθος ώστε να μπορεί η μετρητική διάταξη να αποθηκεύει δεδομένα μέχρις ότου καλυφθεί πλήρως η μνήμη του μικροελεγκτή. Η ρουτίνα της κυρίως διεργασίας είναι υπεύθυνη για την αποστολή των τιμών μέσω της θύρας USB. Αυτό επιτυγχάνεται ως εξής: Εφόσον το λογισμικό αντιληφθεί σύνδεση της αναπτυξιακής πλακέτας Xplained της Atmel τότε μπορεί να αρχίσει την αποστολή δεδομένων μέσω της θύρας. Για την αποστολή των ήδη αποθηκευμένων τιμών καλείται η συνάρτηση udi_cdc_write_buf. Η συνάρτηση αυτή λαμβάνει δύο ορίσματα: Τη διεύθυνση μνήμης του πρώτου στοιχείου ενός μπλοκ μνήμης που είναι επιθυμητό να αποσταλεί μέσω της θύρας. Τον αριθμό των byte του συνεχόμενου μπλοκ μνήμης που είναι επιθυμητό να αποσταλεί. Στην περίπτωση του λογισμικού που αναπτύχθηκε η διεύθυνση μνήμης που δίνεται ως όρισμα είναι η θέση μνήμης του πρώτου στοιχείου του απομονωτή, ενώ ο αριθμός των byte που είναι προς αποστολή είναι: αριθμός αποθηκευμένων δεδομένων επί 4 bytes, εφόσον οι τιμές είναι τύπου float. Για την αποστολή των δεδομένων από τον ελεγκτή της θύρας USB, οι τιμές που πρέπει να αποσταλούν πρέπει πρώτα να αποθηκευτούν σε έναν απομονωτή της θύρας USB. Η συνάρτηση udi_cdc_write_buf στέλνει το σύνολο των τιμών που θέλουμε να αποστείλουμε σε πακέτα συγκεκριμένου μεγέθους. Το μέγεθος του πακέτου εξαρτάται από τον τρόπο λειτουργίας της θύρας USB. Εφόσον έχει επιλεγεί να χρησιμοποιηθεί ως τρόπος λειτουργίας η πλήρης ταχύτητα (Full Speed) το μέγεθος του κάθε πακέτου είναι 512 bytes. Η συνάρτηση udi_cdc_write_buf εκτελεί έλεγχο αν υπάρχει διαθέσιμος χώρος στον απομονωτή της θύρας ώστε να προστεθεί και νέο πακέτο, αν υπάρχει το προσθέτει αλλιώς αναμένει μέχρις ότου ελευθερωθεί χώρος στον απομονωτή. Η παραπάνω διαδικασία επαναλαμβάνεται μέχρι το σύνολο των τιμών που επιθυμούμε να αποστείλουμε να αποθηκευτεί στον απομονωτή, έτσι ώστε να αποσταλούν από τον ελεγκτή της θύρας USB. Τέλος η συνάρτηση αυτή αποτελεί τη διεπαφή του κυρίως προγράμματος με το λογισμικό που είναι υπεύθυνο για την αποστολή των δεδομένων μέσω της θύρας USB. 76

77 4. Δοκιμές Αλγορίθμων Για να αποφασιστεί εάν οι παραπάνω αλγόριθμοι που σχεδιάσθηκαν είναι κατάλληλοι ώστε αν εφαρμοστούν να επιτελέσουν τη λειτουργία ενός έξυπνου μετρητή ηλεκτρικής ενέργειας κρίθηκε αναγκαία η δοκιμή και ο έλεγχος τους με πραγματικά δεδομένα. Τα δεδομένα που χρησιμοποιήθηκαν είναι από μετρήσεις ηλεκτρικής ενέργειας που πάρθηκαν από τον μετρητή FLUKE 1760 και τα οποία μπορούν να υποστούν επεξεργασία από την εφαρμογή PQ Analyzer. Οι δοκιμές οι οποίες ήταν εφικτές να πραγματοποιηθούν ήταν ως προς τον αλγόριθμο αναγνώρισης γεγονότων και ως προς τον αλγόριθμο επεξεργασίας των μεγεθών ηλεκτρικής ενέργειας. Ως είσοδος στον αλγόριθμο αναγνώρισης γεγονότων θεωρήθηκε πως είναι δείγματα του ρεύματος και η χρονική στιγμή κατά την οποία πραγματοποιήθηκε η μέτρηση. Ο αλγόριθμος αυτός όπως αναλύθηκε και παραπάνω (κεφάλαιο ) δεχόμενος τις τιμές των δειγμάτων του ρεύματος υπολογίζει τις κορυφές των τιμών αυτών. Οι παράγοντες που τελικά παίζουν ρόλο στην απόφαση του αν υπάρχει όντως κάποιο γεγονός είναι η μέση τιμή, το εύρος, η τυπική απόκλιση των τιμών των κορυφών και ο παράγοντας την ολικής αρμονικής παραμόρφωσης. Για να είναι έχει επιτυχία ο αλγόριθμος πρέπει κάθε φορά δύο από τα παραπάνω τέσσερα κριτήρια να βρίσκονται στα επιτρεπτά όρια. Παρακάτω υπάρχουν κάποια χαρακτηριστικά παραδείγματα περιπτώσεων που ο αλγόριθμος αναγνώρισε την ύπαρξη ή μη γεγονότος. Αξίζει να τονιστεί πως το πρώτο βήμα του αλγορίθμου είναι η κανονικοποίηση των τιμών του ρεύματος και πως το χρονικό παράθυρο που χρησιμοποιείται ώστε να γίνεται έλεγχος του αν συμβαίνει κάποιο γεγονός είναι τα 0.12sec (6 περίοδοι). Περίπτωση 1: Σχήμα 32: Διάγραμμα Ρεύματος - Χρόνου (1) 77

78 Στην παραπάνω περίπτωση ο αλγόριθμος στην περιοχή του 1 ου sec αναγνωρίζει την ύπαρξη γεγονότος. Το διάγραμμα των κανονικοποιημένων τιμών του ρεύματος με το χρόνο είναι το παρακάτω: Σχήμα 33: Χρονικό Παράθυρο 0.96sec sec Η αναγνώριση γεγονότος κρίνεται επιτυχημένη διότι το εύρος των τιμών των κορυφών του ρεύματος ισούται με και ο παράγοντας της ολικής αρμονικής παραμόρφωσης παρουσιάζει μεγάλη αλλαγή (στο προηγούμενο χρονικό παράθυρο είχε τιμή ενώ σε αυτό το χρονικό παράθυρο έχει 0.796). Περίπτωση 2: 78

79 Σχήμα 34: Διάγραμμα Ρεύματος - Χρόνου (2) Σε αυτήν την περίπτωση ο αλγόριθμος αναγνωρίζει την ύπαρξη γεγονότος στις χρονικές στιγμές του 1sec και 2.7sec. Στην περιοχή του 1sec το διάγραμμα ρεύματος χρόνου είναι το παρακάτω: Σχήμα 35: Χρονικό Παράθυρο 0.96sec sec Εδώ υπολογίζεται πως η μέση τιμή MeanValue= και η τυπική απόκλιση Smean= Εφόσον απαιτούνται μόνο δύο κριτήρια για να αναγνωρίζει ο αλγόριθμος την ύπαρξη κάποιου γεγονότος θεωρήθηκε πως στο συγκεκριμένο χρονικό παράθυρο υπήρξε αλλαγή φορτίου. Στην περιοχή του 3 ου sec: 79

80 Σχήμα 36: Χρονικό Παράθυρο 2.88sec - 3sec Στην παραπάνω περίπτωση η τυπική απόκλιση ήταν ίση με και η τιμή της ολικής αρμονικής παραμόρφωσης παρουσίασε μεγάλη αλλαγή, δηλαδή στο προηγούμενο χρονικό παράθυρο είχε τιμή ενώ στο υπό εξέταση χρονικό παράθυρο είχε τιμή Περίπτωση 3: Σχήμα 37: Διάγραμμα Ρεύματος - Χρόνου (3) Στο χρονικό παράθυρο από 0.96sec έως 1.08sec: 80