基于ARM和ATT7022C的電能質(zhì)量監(jiān)測終端的設(shè)計(jì)

束 慧，陳衛(wèi)兵

（南通職業(yè)大學(xué)，南通 226007）

0 引言

隨著公配網(wǎng)自動化的發(fā)展和用戶對供電可靠性要求的提高，對現(xiàn)場一次儀表的性能也提出了更高的要求，目前市面上一次儀表主要包括如下兩種設(shè)計(jì)方式：其一是以單片機(jī)控制為主，如文獻(xiàn)[1]中所述，主要功能是對有功功率和無功功率進(jìn)行監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)公配網(wǎng)的無功補(bǔ)償；其二如文獻(xiàn)[2]中所述，利用DSP的FFT強(qiáng)大計(jì)算能力，采用DSP芯片對AD采集到的信號進(jìn)行諧波計(jì)算，為諧波治理提供控制依據(jù)。但二者均有不足之處，單片機(jī)在計(jì)算方面能力較差，而DSP在顯示控制方面能力較差，需要單片機(jī)、CPLD或ARM進(jìn)行配合使用。隨著ARM技術(shù)的不斷發(fā)展，ARM芯片已具備很高的運(yùn)行速度和強(qiáng)大的運(yùn)算能力，將很好的彌補(bǔ)了單片機(jī)和DSP芯片在計(jì)算和控制的不足。

本文介紹了一種以ARM STM32F103VE6芯片為核心，以電表芯片進(jìn)行參數(shù)檢測，實(shí)現(xiàn)了一種性價(jià)比很高的電能質(zhì)量監(jiān)測終端，為公用配電網(wǎng)電能監(jiān)測和優(yōu)化控制系統(tǒng)[3]提供控制手段和依據(jù)。

1 硬件電路設(shè)計(jì)

電能質(zhì)量監(jiān)測終端的硬件設(shè)計(jì)如圖1所示，主要包括：參數(shù)測量、人機(jī)接口、數(shù)據(jù)存儲、通信模塊、無功補(bǔ)償和諧波治理等控制電路組成。由于篇幅原因，關(guān)于無功補(bǔ)償和諧波治理控制電路請參考相關(guān)文獻(xiàn)，在此不再贅述。

圖1 硬件設(shè)計(jì)總框圖

1.1 主控芯片選擇

主控制器選用ARM? Cortex?-M332位的RISC內(nèi)核STM32F103VE6芯片，工作電壓為2.0V至3.6V，工作頻率高達(dá)72MHz，且內(nèi)置高達(dá)512K字節(jié)的閃存和64K字節(jié)的SRAM的高速存儲 器， RTC， 5個(gè) USART、2個(gè) I2C、3個(gè) SPI、1個(gè)USB、1個(gè)CAN和1個(gè) SDIO等13個(gè)通信接口，還具有3個(gè)12位的ADC、4個(gè)通用16位定時(shí)器和2個(gè)PWM定時(shí)器以及單周期乘法和硬件除法等資源，因而非常適用于各種復(fù)雜的計(jì)算和控制。除芯片工作要求的電源、晶振等電路外，還必須為RTC配置后備電池，以保證實(shí)時(shí)時(shí)鐘在市電掉電后還能正常運(yùn)行。

1.2 模擬信號輸入電路

ATT7022C是珠海炬力集成電路設(shè)計(jì)有限公司生產(chǎn)的一款高精度三相電能計(jì)量芯片，該芯片能對有功、無功、視在功率、雙向有功和四角限無功電能、電壓和電流有效值、相位、頻率等電參數(shù)進(jìn)行測量。并具有軟件校表功能，簡化了硬件設(shè)計(jì)。

ATT7022C片內(nèi)集成了六路16位的ADC，采用雙端差分信號輸入[4]，其中三路電流輸入VIP/VIN引腳為V1P/V1N,V3P/V3N,V5P/V5N，三路電壓輸入VUI/VUN 引腳為V2P/V2N、V4P/V4N、V6P/V6N，在本設(shè)計(jì)中采用如圖2所示的模擬信號輸入電路。電流互感器的次級額定輸出為5mA，電壓互感器的次級額定輸出為0.5V，這樣確保輸入電壓滿足芯片最大輸入1.5V要求，其中REFOUT為芯片的參考電壓2.4V。

圖2 電流電壓采樣輸入電路

1.3 A TT7022C接口電路

ATT7022C通過標(biāo)準(zhǔn)的SPI接口與ARM進(jìn)行通信，由于ATT7022C正常工作電壓為5V±5%，而STM32F103VE6工作電壓為2.0V至3.3V，為了信號電平匹配，同時(shí)增強(qiáng)系統(tǒng)抗干擾能力，在ATT7022C 和STM32F103VE6之間采用ADuM5401進(jìn)行隔離，如圖3所示。

圖3 ATT7022C與ARM接口

ADuM5401 是基于 ADI 公司 iCoupler? 技術(shù)的四通道數(shù)字隔離器。它用在外側(cè)和系統(tǒng)的微控制器之間提供 2.5 KV 的電壓隔離。ADuM5401 還集成有 DC-DC 轉(zhuǎn)換器，能夠提供 5 V 或 3.3 V 的500 mW 的穩(wěn)壓隔離電源。此設(shè)計(jì)用 ADuM5401為所有模擬電路的輸入部分提供 5 V 電源供應(yīng)。

1.4 數(shù)據(jù)存儲電路

本系統(tǒng)采用鐵電存儲器FM24CL64實(shí)時(shí)保存設(shè)置的參數(shù)以及現(xiàn)場采集到的各實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，如對ATT7022C的校正參數(shù)、諧波測量的權(quán)值等保存。FM24CL64是采用先進(jìn)的高可靠性的鐵電材料加工制成的64K位鐵電非易失性存儲器，能像RAM一樣快速讀寫，同時(shí)掉電后數(shù)據(jù)可保存10年，采用標(biāo)準(zhǔn)I2C接口與ARM STM32F103VE6連接，如圖4所示。

圖4 FM24CL64接口

1.5 通信接口

為了與其他終端進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊，以便統(tǒng)一管理和控制，為此，采用STM32F103VE6的UART口外接RSM3485E實(shí)現(xiàn)RS485通訊，接口電路如圖5所示。

圖5 RSM3485E通訊接口

RSM3485E是廣州致遠(yuǎn)電子有限公司推出的隔離收發(fā)器模塊，該模塊集隔離及總線保護(hù)功能于一身，單一的+3.3V供電，最大波特率1Mbps，同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)最大可連接32個(gè)節(jié)點(diǎn)，電磁抗干擾EMI性極高。

2 軟件設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)采用Keil uVision4集成開發(fā)環(huán)境進(jìn)行開發(fā)，除該集成開發(fā)環(huán)境本身提供了豐富的數(shù)據(jù)處理函數(shù)庫外，相關(guān)網(wǎng)站也為STM32F103VE6

圖6 主程序流程圖

的開發(fā)提供了很多的C語言函數(shù)，在編程時(shí)可以直接調(diào)用。為此在軟件設(shè)計(jì)中采用C語言進(jìn)行編程，主要包括初始化程序、ATT7022C數(shù)據(jù)采集子程序、諧波監(jiān)測子程序、數(shù)據(jù)處理子程序、數(shù)據(jù)通信子程序、按鍵處理及液晶顯示程序等，流程圖如圖6所示。

2.1 諧波測量

通常諧波分析的算法都是采用FFT算法[5]，但由于柵欄效應(yīng)和泄漏的存在，以及實(shí)際電網(wǎng)中基波頻率的波動，使得很難保證采樣的同步以及準(zhǔn)確測定各次諧波分量，在相關(guān)文獻(xiàn)中，介紹了采用各種窗函數(shù)作處理，但是效果不理想。而準(zhǔn)同步是一種利用軟件算法來修正同步誤差的方法，對采樣周期不要求與信號周期嚴(yán)格同步，只需通過設(shè)置適當(dāng)?shù)牟蓸宇l率，增加采樣的周期數(shù)，即可通過算法獲得理想的準(zhǔn)確度。

準(zhǔn)同步算法的遞推公式[6]如下：

式中n=2,3,…,p

k =0,1, … ,( p-n)·N

N—每個(gè)周期內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)；

ρi—對應(yīng)數(shù)值求積公式所確定的系數(shù)。

準(zhǔn)同步算法是充分利用MCU的計(jì)算能力，以軟件算法對同步誤差進(jìn)行修正的方法。這里就要求MCU具有快速的運(yùn)算能力，而STM32F103VE6頻率最高可達(dá)72MHz，單周期乘法和硬件除法等資源，完全能滿足計(jì)算速度和精度。

經(jīng)過軟件仿真和現(xiàn)場測試，利用準(zhǔn)同步技術(shù)和FFT 相結(jié)合的方法來測量諧波，采用復(fù)化梯形求積，即 ρ0=ρN=1/2, ρ1=ρN-1=1,每周期采樣 128 個(gè)點(diǎn)，三次遞推，即N=128，n=3， 即可滿足現(xiàn)場控制要求。

具體設(shè)計(jì)思路為：按n×N +1計(jì)算采樣點(diǎn)數(shù)為3×128+1=385點(diǎn)，計(jì)算長度為385的數(shù)組，將該數(shù)組值保存在存儲器FM24CL64中，作為對應(yīng)385個(gè)采樣數(shù)據(jù)的權(quán)值，在每次采樣時(shí)，利用這權(quán)值對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，再采用FFT運(yùn)算便可實(shí)現(xiàn)諧波的測量。

2.2 控制策略

該監(jiān)測終端和無功補(bǔ)償、諧波治理裝置結(jié)合使用，可以實(shí)現(xiàn)一種性價(jià)比高的具有濾波功能的無功補(bǔ)償裝置，通過RS485串口通訊，將各裝置連接起來，可實(shí)現(xiàn)一種多級級聯(lián)的串接式無功補(bǔ)償和諧波治理系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中，根據(jù)主機(jī)競爭機(jī)制，自動產(chǎn)生一臺主機(jī)，其余為從機(jī)，主機(jī)負(fù)責(zé)采集計(jì)算，從機(jī)只作為過零投切運(yùn)行、自身保護(hù)和備用主機(jī)，所有的從機(jī)均服從主機(jī)的統(tǒng)一管理和控制，當(dāng)主機(jī)發(fā)生故障時(shí)，從機(jī)接收不到主機(jī)的命令后，則所有的主機(jī)立刻啟動主機(jī)競爭程序，再次自動產(chǎn)生一臺主機(jī)，其余仍作為從機(jī)使用。這種多級串接式補(bǔ)償控制系統(tǒng)，大大提高了補(bǔ)償容量和可靠性。

由于STM32F103VE6具有多個(gè)獨(dú)立串口，可以采用RS232接口與GPRS DTU或CDMA DTU進(jìn)行連接，構(gòu)成遠(yuǎn)程無線通信網(wǎng)絡(luò)或直接采用手抄器或U盤完成對控制器數(shù)據(jù)的收集。在緊急情況下還可以通過遠(yuǎn)程遙控拉閘/合閘來保證用電安全。

3 結(jié)束語

本文介紹的電能質(zhì)量監(jiān)測終端在硬件設(shè)計(jì)上追求簡單可靠，在軟件設(shè)計(jì)上追求計(jì)算精確。 隨著ARM技術(shù)和電表芯片的不斷發(fā)展，以ARM為核心，以電表芯片為檢測手段，結(jié)合各種新的算法，將為公用配電網(wǎng)能源監(jiān)測與優(yōu)化控制系統(tǒng)提供更簡單方便的手段。

[1] 束慧, 陳衛(wèi)兵.限流式低壓電力電容器動態(tài)開關(guān)的研制[J].儀表技術(shù), 2004(6): 54-55, 71

[2] 李燁, 劉智勇, 阮太元.基于DSP的低壓動態(tài)無功補(bǔ)償控制器的設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測量與控制, 2009, 17(9): 1744-1746

[3] 陳兵飛, 陳衛(wèi)兵.公共配電能源檢測和優(yōu)化控制系統(tǒng)的研制[J].儀表技術(shù), 2010(3): 4-7

[4] 劉飛, 施火泉, 孫曉武.電能計(jì)量芯片ATT7702C在配變監(jiān)測終端中的應(yīng)用 [J].儀表技術(shù), 2009(10): 18-20

[5] 段樹華, 黃杰.DSP和ARM支持下的電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測量與控制, 2010, 18(7): 1503-1506

[6] 胡麗麗, 吳旭光, 董衛(wèi)民.準(zhǔn)同步采樣法在有源電力濾波器中的應(yīng)用[J].工業(yè)儀表與自動化裝置, 2010(6): 45-47