基于ARM和ATT7022C的電能質量監測終端的設計

束 慧，陳衛兵

（南通職業大學，南通 226007）

0 引言

隨著公配網自動化的發展和用戶對供電可靠性要求的提高，對現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計方式：其一是以單片機控制為主，如文獻[1]中所述，主要功能是對有功功率和無功功率進行監測，實現公配網的無功補償；其二如文獻[2]中所述，利用DSP的FFT強大計算能力，采用DSP芯片對AD采集到的信號進行諧波計算，為諧波治理提供控制依據。但二者均有不足之處，單片機在計算方面能力較差，而DSP在顯示控制方面能力較差，需要單片機、CPLD或ARM進行配合使用。隨著ARM技術的不斷發展，ARM芯片已具備很高的運行速度和強大的運算能力，將很好的彌補了單片機和DSP芯片在計算和控制的不足。

本文介紹了一種以ARM STM32F103VE6芯片為核心，以電表芯片進行參數檢測，實現了一種性價比很高的電能質量監測終端，為公用配電網電能監測和優化控制系統[3]提供控制手段和依據。

1 硬件電路設計

電能質量監測終端的硬件設計如圖1所示，主要包括：參數測量、人機接口、數據存儲、通信模塊、無功補償和諧波治理等控制電路組成。由于篇幅原因，關于無功補償和諧波治理控制電路請參考相關文獻，在此不再贅述。

圖1 硬件設計總框圖

1.1 主控芯片選擇

主控制器選用ARM? Cortex?-M332位的RISC內核STM32F103VE6芯片，工作電壓為2.0V至3.6V，工作頻率高達72MHz，且內置高達512K字節的閃存和64K字節的SRAM的高速存儲 器， RTC， 5個 USART、2個 I2C、3個 SPI、1個USB、1個CAN和1個 SDIO等13個通信接口，還具有3個12位的ADC、4個通用16位定時器和2個PWM定時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雜的計算和控制。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，以保證實時時鐘在市電掉電后還能正常運行。

1.2 模擬信號輸入電路

ATT7022C是珠海炬力集成電路設計有限公司生產的一款高精度三相電能計量芯片，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、頻率等電參數進行測量。并具有軟件校表功能，簡化了硬件設計。

ATT7022C片內集成了六路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，在本設計中采用如圖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通過標準的SPI接口與ARM進行通信，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，同時增強系統抗干擾能力，在ATT7022C 和STM32F103VE6之間采用ADuM5401進行隔離，如圖3所示。

圖3 ATT7022C與ARM接口

ADuM5401 是基于 ADI 公司 iCoupler? 技術的四通道數字隔離器。它用在外側和系統的微控制器之間提供 2.5 KV 的電壓隔離。ADuM5401 還集成有 DC-DC 轉換器，能夠提供 5 V 或 3.3 V 的500 mW 的穩壓隔離電源。此設計用 ADuM5401為所有模擬電路的輸入部分提供 5 V 電源供應。

1.4 數據存儲電路

本系統采用鐵電存儲器FM24CL64實時保存設置的參數以及現場采集到的各實時數據，如對ATT7022C的校正參數、諧波測量的權值等保存。FM24CL64是采用先進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，同時掉電后數據可保存10年，采用標準I2C接口與ARM STM32F103VE6連接，如圖4所示。

圖4 FM24CL64接口

1.5 通信接口

為了與其他終端進行實時通訊，以便統一管理和控制，為此，采用STM32F103VE6的UART口外接RSM3485E實現RS485通訊，接口電路如圖5所示。

圖5 RSM3485E通訊接口

RSM3485E是廣州致遠電子有限公司推出的隔離收發器模塊，該模塊集隔離及總線保護功能于一身，單一的+3.3V供電，最大波特率1Mbps，同一個網絡最大可連接32個節點，電磁抗干擾EMI性極高。

2 軟件設計

軟件系統采用Keil uVision4集成開發環境進行開發，除該集成開發環境本身提供了豐富的數據處理函數庫外，相關網站也為STM32F103VE6

圖6 主程序流程圖

的開發提供了很多的C語言函數，在編程時可以直接調用。為此在軟件設計中采用C語言進行編程，主要包括初始化程序、ATT7022C數據采集子程序、諧波監測子程序、數據處理子程序、數據通信子程序、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]，但由于柵欄效應和泄漏的存在，以及實際電網中基波頻率的波動，使得很難保證采樣的同步以及準確測定各次諧波分量，在相關文獻中，介紹了采用各種窗函數作處理，但是效果不理想。而準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格同步，只需通過設置適當的采樣頻率，增加采樣的周期數，即可通過算法獲得理想的準確度。

準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—每個周期內的采樣點數；

ρi—對應數值求積公式所確定的系數。

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

經過軟件仿真和現場測試，利用準同步技術和FFT 相結合的方法來測量諧波，采用復化梯形求積，即 ρ0=ρN=1/2, ρ1=ρN-1=1,每周期采樣 128 個點，三次遞推，即N=128，n=3， 即可滿足現場控制要求。

具體設計思路為：按n×N +1計算采樣點數為3×128+1=385點，計算長度為385的數組，將該數組值保存在存儲器FM24CL64中，作為對應385個采樣數據的權值，在每次采樣時，利用這權值對采樣數據進行修正，再采用FFT運算便可實現諧波的測量。

2.2 控制策略

該監測終端和無功補償、諧波治理裝置結合使用，可以實現一種性價比高的具有濾波功能的無功補償裝置，通過RS485串口通訊，將各裝置連接起來，可實現一種多級級聯的串接式無功補償和諧波治理系統，在該系統中，根據主機競爭機制，自動產生一臺主機，其余為從機，主機負責采集計算，從機只作為過零投切運行、自身保護和備用主機，所有的從機均服從主機的統一管理和控制，當主機發生故障時，從機接收不到主機的命令后，則所有的主機立刻啟動主機競爭程序，再次自動產生一臺主機，其余仍作為從機使用。這種多級串接式補償控制系統，大大提高了補償容量和可靠性。

由于STM32F103VE6具有多個獨立串口，可以采用RS232接口與GPRS DTU或CDMA DTU進行連接，構成遠程無線通信網絡或直接采用手抄器或U盤完成對控制器數據的收集。在緊急情況下還可以通過遠程遙控拉閘/合閘來保證用電安全。

3 結束語

本文介紹的電能質量監測終端在硬件設計上追求簡單可靠，在軟件設計上追求計算精確。 隨著ARM技術和電表芯片的不斷發展，以ARM為核心，以電表芯片為檢測手段，結合各種新的算法，將為公用配電網能源監測與優化控制系統提供更簡單方便的手段。

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

[2] 李燁, 劉智勇, 阮太元.基于DSP的低壓動態無功補償控制器的設計[J].計算機測量與控制, 2009, 17(9): 1744-1746

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

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

[5] 段樹華, 黃杰.DSP和ARM支持下的電能質量監測系統的設計[J].計算機測量與控制, 2010, 18(7): 1503-1506

[6] 胡麗麗, 吳旭光, 董衛民.準同步采樣法在有源電力濾波器中的應用[J].工業儀表與自動化裝置, 2010(6): 45-47