基于ARM微處理器的十回路智能配電監(jiān)控單元的設(shè)計(jì)

O 引言

　　配電自動(dòng)化技術(shù)正朝著數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、多功能的方向飛速發(fā)展。本文以內(nèi)含ARM7TDMI—STM CPU的微控制器LPC2132芯片作為系統(tǒng)主控制器，針對(duì)電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)信號(hào)的采集和數(shù)據(jù)通信，以及電力系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)為研究主題，研究設(shè)計(jì)出了一種具備智能配電，并可同時(shí)監(jiān)控十個(gè)用戶回路的終端控制單元，其具備測(cè)量各回路中有功功率、無功功率、能量、電壓、電流、功率因數(shù)等電力參數(shù)功能。

　　1 電力參量的測(cè)量原理

　　對(duì)稱三相電源通常由三個(gè)頻率相同、幅值相等和初相角為1200的正弦電壓源按一定方式連接而成，三相信號(hào)可依次稱為A、B、C相，記為uA、uB、uC，它們的瞬時(shí)表達(dá)式如下：

　　在交流電路中，電壓與電流之間的相位差的余弦叫做功率因數(shù)，在數(shù)值上，功率因數(shù)是有功功率和視在功率的比值，即：

　　功率因數(shù)反映的是輸出功率中無功功率所占的比例。提高用電器的功率因數(shù)一般有兩方面的意義．一是減小輸電線路上的功率損失；二是充分發(fā)揮電力設(shè)備(如發(fā)電機(jī)、變壓器等)的潛力。因此，提高功率因數(shù)，對(duì)于提高電源設(shè)備的利用率，改善供電質(zhì)量，節(jié)約電能都有積極的作用。

　　2 硬件設(shè)計(jì)

　　2．1 總體結(jié)構(gòu)

　　為了避免強(qiáng)電信號(hào)對(duì)弱電信號(hào)的干擾，本系統(tǒng)在整體結(jié)構(gòu)上采用三層電路板，即：底層的信號(hào)采集電路板，中間層的信號(hào)處理電路板，上層的LCD顯示電路板。底層板上布置了很多大而重的元器件，這有利于整個(gè)單元實(shí)物的穩(wěn)定性；中間層的主要功能是將信號(hào)采集層傳遞過來的信號(hào)加以處理，因此這層板也是本設(shè)計(jì)的主控電路板；上層板主要是實(shí)現(xiàn)顯示功能，對(duì)從中間層傳送過來的測(cè)量參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，整個(gè)監(jiān)控單元的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　2．2 微控制器的選擇

　　本系統(tǒng)選用LPC2132為微控制器，這是一個(gè)支持實(shí)時(shí)仿真和嵌入式跟蹤的32／16位ARM7TD—MI—STM CPU的微控制器，并帶有64／128／256／512KB的嵌入式高速Flash存儲(chǔ)器。LPC2132具有多個(gè)32位定時(shí)器、1個(gè)(LPC2132)10位8路ADC、1O位DAC、PWM通道和多達(dá)47個(gè)GPIO，以及9個(gè)邊沿或電平觸發(fā)的外部中斷。其系統(tǒng)中的LPC2132外接口示意圖如圖2所示。

　　2．3 AIT7022B的功能與特點(diǎn)

　　ATT7022B是由炬力公司生產(chǎn)的一種高精度的多功能防竊電基波三相電能專用計(jì)量芯片，可用于測(cè)量各相及合相的基波、諧波和全波有功功率、無功功率、視在功率、有功能量、無功能量、功率因數(shù)、相角參數(shù)等，能充分滿足三相復(fù)費(fèi)率多功能電能表的需求，AT7022B的內(nèi)部功能結(jié)構(gòu)如圖3所示。其中V1P／V1N，V3P／V3N，V5P／V5N分別為A、B、C相電流信道的正、負(fù)模擬輸入引腳，V2P／V2N，V4P／V4N，V6P／V6N分別為A、B、C相電壓信道的正、負(fù)模擬輸入引腳。V7P／V7N為第七路ADC的正、負(fù)模擬輸入引腳。CFl、CF2、CF3、CF4分別為有功電能脈沖輸出、無功電能脈沖輸出、基波有功電能脈沖輸出、基波無功電能脈沖輸出。DIN是SPI串行數(shù)據(jù)輸入口，DOUT是SPI串行數(shù)據(jù)輸出口，CS為SPI片選信號(hào)，SCLK為SPI串行時(shí)鐘輸入端口。

　　由圖3可以看出，ATT7022B的內(nèi)部結(jié)構(gòu)大致可分為A／D模數(shù)轉(zhuǎn)化模塊、數(shù)字信號(hào)處理模塊(DSP)、SPI通信接口模塊、脈沖生成模塊等幾部分，ATT7022B提供了一個(gè)SPI接口，以方便與外部控制器之間進(jìn)行計(jì)量參數(shù)和校表參數(shù)的傳遞。所有計(jì)量參數(shù)都可以通過SPI接口讀出。其內(nèi)部的電壓監(jiān)測(cè)電路可以保證在加電和斷電時(shí)正常工作，其應(yīng)用電路如圖4所示。

　　2．4 RS485總線接口

　　本設(shè)計(jì)中的智能終端與上位機(jī)的通訊采用的RS485串行通信接口技術(shù)是從RS232、RS422技術(shù)發(fā)展而來的。RS一485標(biāo)準(zhǔn)的最大傳輸距離約1219米，最大傳輸速率為10Mbps。RS一485在20kbps速率下能獲得最長的電纜長度能力。本智能終端設(shè)計(jì)中使用的SN65HVDl2芯片，可以直接嵌入到實(shí)際的RS一485應(yīng)用電路中。其微處理器的標(biāo)準(zhǔn)串行口可通過RXD直接連接SN65HVDl2芯片的R引腳。通過TXD直接連接SP485R芯片的D引腳，其具體電路如圖5所示。

　　3 軟件設(shè)計(jì)

　　3．1 Modbus通信協(xié)議

　　本監(jiān)控終端與上位機(jī)之間的通信采用Modbus通信協(xié)議。該協(xié)議是用于電子控制器上的一種通用語言。通過此協(xié)議，控制器相互之間、控制器經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)(例如以太網(wǎng))和其它設(shè)備之間就可以通信，該協(xié)議也支持傳統(tǒng)的RS232、RS422和RS485等接口。傳統(tǒng)的Modbus協(xié)議分為ASCII模式和RTU模式，考慮到配電系統(tǒng)的高效性和安全性，這里采用RTU模式。使用RTU模式，消息發(fā)送至少要以3．5個(gè)字符時(shí)間的停頓間隔開始。并在最后一個(gè)傳輸字符之后，應(yīng)通過一個(gè)至少3．5個(gè)字符時(shí)間的停頓來標(biāo)定消息的結(jié)束。一個(gè)新消息可在此停頓后再開始。整個(gè)消息幀必須作為一個(gè)連續(xù)的流來傳輸。如果在幀完成之前，有超過1．5個(gè)字符時(shí)間的停頓時(shí)間，那么，接收設(shè)備將刷新不完整的消息并假定下一字節(jié)是一個(gè)新消息的地址域。同樣地，如果一個(gè)新消息在小于3．5個(gè)字符時(shí)間內(nèi)接著前個(gè)消息開始，則接收設(shè)備也將認(rèn)為它是前一消息的延續(xù)，而這將導(dǎo)致一個(gè)錯(cuò)誤，但該錯(cuò)誤可以利用CRC校驗(yàn)來發(fā)現(xiàn)，其典型的RTU消息幀如表l所列。

　　3．2 軟件設(shè)計(jì)

　　本設(shè)計(jì)采用C語言在keil C平臺(tái)上來編寫操作軟件，以完成上位機(jī)(PC機(jī))與終端間的相互通信。系統(tǒng)軟件主要包括主程序、初始化程序、ATT7022B復(fù)位程序、SPI通訊程序、數(shù)據(jù)采集序、數(shù)據(jù)發(fā)送程序、以及中斷程序等。圖6所示是其軟件程序主流程。

　　系統(tǒng)中的上位機(jī)通過RS485串口與系統(tǒng)通信,其功能芯片ATT7022B也利用串行模式與系統(tǒng)控制核心LPC2132相互交流數(shù)據(jù)，圖7所示為本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。

　　4 結(jié)束語

　　數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化的電力監(jiān)測(cè)是工業(yè)遠(yuǎn)程監(jiān)控與監(jiān)測(cè)的必然趨勢(shì)，也是工業(yè)遠(yuǎn)程監(jiān)控的最佳選擇，在今后一段時(shí)間，高效、快速、準(zhǔn)確、安全的電力遠(yuǎn)程控制監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，即智能電力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)仍是我們研究的主要對(duì)象。本文以LPC2132微處理器為核心，給出了測(cè)量有功、無功、視在功率、雙向有功和四象限無功電能、LCD顯示、備自投功能的電能監(jiān)控單元的硬件電路。下階段的工作將是為系統(tǒng)配置功能軟件，調(diào)試系統(tǒng)，以使系統(tǒng)可以安全、有效的運(yùn)行于現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)之中。