遠程電網電流數據采集系統的設計

樓嘉宇　馬琪

摘 要： 介紹一個由數據采集終端和數據處理主機組成的遠程電網電流數據采集系統設計，采集終端對電網電流進行實時數據采集，通過GPRS/互聯網發送至云端的數據處理主機，數據處理主機對數據接收及處理。數據采集終端由STM32完成對A/D采集和GPRS數據發送的控制。

關鍵詞： 電網電流數據采集； 互聯網； 數據處理； 數據采集

中圖分類號： TN99?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）05?0017?02

Design of remote current data acquisition system for power grid

LOU Jia?yu， MA Qi

（Microelectronics CAD Institute， Hangzhou Dianzi University， Hangzhou 310018， China）

Abstract： The design of a power?grid′s remote current data acquisition system consisting of data acquisition terminal and data processing host is introduced in this paper. The data acquisition terminal executes real?time data acquisition of power?grid current and transmits the data to the data processing host through GPRS/ Internet. The data processing host receives and processes the data. The chip STM32 is used in the data acquisition terminal to control A/D acquisition and GPRS transmission.

Keyword： current data acquisition of power grid； Internet； data processing； data acquisition

0 引 言

隨著計算機與集成電路的發展，遠程數據采集向著遠距離與智能化的方向發展，遠程采集數據技術在國內外得到了很多應用，尤其在國外有著很多的研究成果，但由于工業需求不同，導致數據采集技術與形式有著眾多的方向，許多技術相對單一[1]。針對電網信號更精確的監控需求，需要對電網波形進行實時的采集，并傳輸到云端的數據處理主機上進行數據儲存和分析。基于這種需求，本文設計了一個由數據采集終端和數據處理主機組成的遠程電網電流采集系統，數據采集終端以STM32芯片控制A/D芯片進行電網電流數據采集，通過GPRS發送數據。數據處理主機接收數據，也可以對數據采集終端進行時間校準、重啟以及改變觸發條件等操作[2]。

1 系統結構

如圖1所示，遠程采集系統在功能上包括數據采集、數據傳輸和數據處理，在結構上則由數據采集終端來完成數據采集和數據傳輸，由數據處理主機完成數據處理。數據采集終端由STM32控制芯片、ADC、時鐘芯片、GPRS模塊、電流互感器等組成，將市電通過電流互感器接入電路中，經ADC采集后將數據儲存在控制芯片的內存中，時鐘芯片用于獲取數據采集時間，最后由GPRS模塊通過互聯網把數據傳輸到數據處理主機。數據的內容包括數據采集觸發時間、市電電壓初相位以及經過A/D轉換后的市電電流采樣數據。數據處理主機用于數據的接收、儲存以及電流電壓相位差的計算。

2 硬件設計

數據采集終端的硬件電路如圖2所示，STM32控制芯片選用STM32F103，ADC芯片選用MAX1110，時鐘芯片選用RX8025，GPRS模塊選用M590。市電電流通過電流互感器接入，經過信號放大電路放大后接入ADC芯片采樣，并將采樣數據傳輸至主控芯片儲存。電壓處理電路將接入的正弦波電壓轉換成方波信號輸入至主控芯片。供電電路分別給主控芯片、ADC模塊、RTC時鐘模塊、GPRS通信模塊、SD卡儲存模塊供以不同的直流電壓。

STM32控制芯片通過對GPIO口的PB6、PB7引腳設置高低電平完成對時鐘芯片的初始化以及采樣觸發時間的讀取，通過對GPIO口PA4、PA5引腳設置高低電平以及發送控制量實現對ADC芯片的采樣控制，通過PB11、PA3、PA2控制GPRS模塊的開關機和數據收發，通過PB5、PD2、PC8～PC12引腳控制SD卡的初始化和數據儲存[3]。

3 軟件設計

3.1 數據采集終端軟件設計

數據采集終端的軟件流程如圖3所示。程序的整體采用循環機制，程序進行相關的初始化設置后進入循環程序，同時開啟中斷服務以及看門狗程序。程序在循環內運行時，如果有A/D定時器中斷、DMA中斷及SD卡拔出中斷產生時，優先處理中斷服務，同時程序循環運行過程不停進行“喂狗”（即初始化看門狗程序的定時時間），當發生意外，程序不在循環內運行時，看門狗程序可以使STM32重新啟動，從而保證了系統的可靠性[4]。

（1） 電流數據采樣

程序初始化時通過設定定時器中斷時間設置了采樣率。STM3通過定時器T3中斷服務函數啟動ADC芯片采樣電流信號，采樣數據通過SPI接口采用DMA傳輸方式傳輸給STM32。DMA半滿中斷服務函數則將數據寫入STM32內存中的取名為AD_Buffer的數組中。AD_Buffer數組可存放5×20個周波的電流數據，每個周波包括有128個電流采樣點數據（采樣點數為[2N，]便于FFT變換）。

（2） 電壓初相位數據獲得

市電電壓經過電路轉換輸入到STM32的信號為矩形波，對應STM32輸入端口的外部中斷模式設置為下降沿中斷，根據從開始采樣到下降沿中斷之間的時間，可計算出電壓的初相位。

（3） SD卡初始化與數據存儲

程序循環中首先進行SD卡初始化，初始化完成后其狀態為“TRUE”，當程序運行過程中若SD卡被拔出時，其中斷服務函數會將其狀態改為“FALSE”。當其狀態為TRUE時，說明初始化完成，自動跳過初始化程序段；若被改為“FALSE”狀態，程序運行到這個地方時將不再跳過，將重新檢測和初始化。當數據發送成功后，程序將發送成功的數據儲存到SD卡，包括觸發時間，電壓初相位和電流采樣數據，用于進行數據備份。

（4） GPRS上線及數據發送

數據在發送之前需要保證GPRS的在線狀態。在系統初始化中啟動GPRS模塊，在循環中則完成GPRS在線注冊，采用TCP協議，先建立PPP連接，后建立TCP連接，并保持GPRS的在線狀態。因為長時間沒有數據發送或接收GPRS模塊連接會自動斷開，因此如果2 min內沒有數據的傳輸則發送一個“心跳包”即一個字符“1”，以保證GPRS模塊不會自動斷開；當采樣數據的數量滿足發送條件時，STM32將數據以AT指令格式通過UART傳輸至GPRS模塊，一個AT指令發送的數據為一個包，GPRS模塊M590每包不超過1 024 B，每包數據包括“采集終端ID+采集觸發時間+電壓初相位+電流采樣數據”[5]。

發送數據過程中，GPRS模塊不斷通過UART返回“返回值”至STM32內開辟的串口緩沖區，而STM32通過緩沖區的“返回值”判斷是否發送成功，是否需要重發。

3.2 數據處理主機軟件設計

數據處理主機軟件主要實現以下功能：

（1） 配置通信端口號：端口號必須與數據采集終端發送鏈接請求的 ID號一致。

（2） 對數據采集終端進行時間校正：通過TCP通道把當前時間信息發送至數據采集終端，從而使數據采集終端獲得當前的時間信息（年月日時分秒）。

（3） 數據的接收與處理：因為有心跳包的存在，需要對收到的數據進行判斷，心跳包不寫入數據文件，只將有效數據寫入數據文件。

（4） 電流電壓相位差的計算，對采樣電流數據進行快速傅里葉變換，通過基波分量可求得電流初相位，而數據采集終端傳來的數據中已包含了電壓初相位，電流初相位與電壓初相位之差得出相位差。

接收數據過程中，必須開辟足夠大的緩存區，否則容易出現丟包的現象。

4 結 語

本文設計了一個基于GPRS的遠程電網電流數據采集系統，系統包括數據采集終端和數據處理主機兩部分。數據采集終端通過互感器實時采樣供電電網電流，將其轉換成數字信號，經過適當的數據處理形成傳輸數據包格式，然后將數據包通過GPRS傳送給網絡端的數據處理主機，并將數據處理主機發送的控制命令傳輸給數據采集模塊。數據處理主機將收集到的數據信息存儲于數據文件中以便用戶進行波形顯示、數據查詢和分析。

參考文獻

[1] 劉博.基于GPRS的遠程數據采集傳輸系統設計[D].大連：大連海事大學，2008.

[2] 張曉剛.仿真駕駛模擬器數據采集系統設計[J].科技信息，2010，14（3）：221?222.

[3] 李寧.基于MDK的STM32處理器開發應用[M].北京：北京航天航空大學出版社，2008.

[4] 王永虹，徐煒，郝立平.STM32系列ARM Cortex?M3微控制器原理與實踐[M].北京：北京航空航天大學出版社，2008.

[5] BENTHAM Jeremy. TCP/IP lean web servers for embedded systems [J]. CMP Books， 2003， 20（4）： 134?140.

[6] 李秋雙，原明亭.基于STM32芯片的電能質量在線檢測裝置的設計與實現[J].現代電子技術，2012，35（20）：180?182.