基于ARM微處理器的十回路智能配電監控單元的設計

O 引言

　　配電自動化技術正朝著數字化、智能化、網絡化、多功能的方向飛速發展。本文以內含ARM7TDMI—STM CPU的微控制器LPC2132芯片作為系統主控制器，針對電力系統數據信號的采集和數據通信，以及電力系統狀態監測為研究主題，研究設計出了一種具備智能配電，并可同時監控十個用戶回路的終端控制單元，其具備測量各回路中有功功率、無功功率、能量、電壓、電流、功率因數等電力參數功能。

　　1 電力參量的測量原理

　　對稱三相電源通常由三個頻率相同、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，三相信號可依次稱為A、B、C相，記為uA、uB、uC，它們的瞬時表達式如下：

　　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，在數值上，功率因數是有功功率和視在功率的比值，即：

　　功率因數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；二是充分發揮電力設備(如發電機、變壓器等)的潛力。因此，提高功率因數，對于提高電源設備的利用率，改善供電質量，節約電能都有積極的作用。

　　2 硬件設計

　　2．1 總體結構

　　為了避免強電信號對弱電信號的干擾，本系統在整體結構上采用三層電路板，即：底層的信號采集電路板，中間層的信號處理電路板，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，這有利于整個單元實物的穩定性；中間層的主要功能是將信號采集層傳遞過來的信號加以處理，因此這層板也是本設計的主控電路板；上層板主要是實現顯示功能，對從中間層傳送過來的測量參數進行實時顯示，整個監控單元的總體結構如圖1所示。

　　2．2 微控制器的選擇

　　本系統選用LPC2132為微控制器，這是一個支持實時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存儲器。LPC2132具有多個32位定時器、1個(LPC2132)10位8路ADC、1O位DAC、PWM通道和多達47個GPIO，以及9個邊沿或電平觸發的外部中斷。其系統中的LPC2132外接口示意圖如圖2所示。

　　2．3 AIT7022B的功能與特點

　　ATT7022B是由炬力公司生產的一種高精度的多功能防竊電基波三相電能專用計量芯片，可用于測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、相角參數等，能充分滿足三相復費率多功能電能表的需求，AT7022B的內部功能結構如圖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、負模擬輸入引腳。V7P／V7N為第七路ADC的正、負模擬輸入引腳。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串行數據輸入口，DOUT是SPI串行數據輸出口，CS為SPI片選信號，SCLK為SPI串行時鐘輸入端口。

　　由圖3可以看出，ATT7022B的內部結構大致可分為A／D模數轉化模塊、數字信號處理模塊(DSP)、SPI通信接口模塊、脈沖生成模塊等幾部分，ATT7022B提供了一個SPI接口，以方便與外部控制器之間進行計量參數和校表參數的傳遞。所有計量參數都可以通過SPI接口讀出。其內部的電壓監測電路可以保證在加電和斷電時正常工作，其應用電路如圖4所示。

　　2．4 RS485總線接口

　　本設計中的智能終端與上位機的通訊采用的RS485串行通信接口技術是從RS232、RS422技術發展而來的。RS一485標準的最大傳輸距離約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。本智能終端設計中使用的SN65HVDl2芯片，可以直接嵌入到實際的RS一485應用電路中。其微處理器的標準串行口可通過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 軟件設計

　　3．1 Modbus通信協議

　　本監控終端與上位機之間的通信采用Modbus通信協議。該協議是用于電子控制器上的一種通用語言。通過此協議，控制器相互之間、控制器經由網絡(例如以太網)和其它設備之間就可以通信，該協議也支持傳統的RS232、RS422和RS485等接口。傳統的Modbus協議分為ASCII模式和RTU模式，考慮到配電系統的高效性和安全性，這里采用RTU模式。使用RTU模式，消息發送至少要以3．5個字符時間的停頓間隔開始。并在最后一個傳輸字符之后，應通過一個至少3．5個字符時間的停頓來標定消息的結束。一個新消息可在此停頓后再開始。整個消息幀必須作為一個連續的流來傳輸。如果在幀完成之前，有超過1．5個字符時間的停頓時間，那么，接收設備將刷新不完整的消息并假定下一字節是一個新消息的地址域。同樣地，如果一個新消息在小于3．5個字符時間內接著前個消息開始，則接收設備也將認為它是前一消息的延續，而這將導致一個錯誤，但該錯誤可以利用CRC校驗來發現，其典型的RTU消息幀如表l所列。

　　3．2 軟件設計

　　本設計采用C語言在keil C平臺上來編寫操作軟件，以完成上位機(PC機)與終端間的相互通信。系統軟件主要包括主程序、初始化程序、ATT7022B復位程序、SPI通訊程序、數據采集序、數據發送程序、以及中斷程序等。圖6所示是其軟件程序主流程。

　　系統中的上位機通過RS485串口與系統通信,其功能芯片ATT7022B也利用串行模式與系統控制核心LPC2132相互交流數據，圖7所示為本系統的軟件設計結構。

　　4 結束語

　　數字化、網絡化的電力監測是工業遠程監控與監測的必然趨勢，也是工業遠程監控的最佳選擇，在今后一段時間，高效、快速、準確、安全的電力遠程控制監測系統，即智能電力監測系統仍是我們研究的主要對象。本文以LPC2132微處理器為核心，給出了測量有功、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控單元的硬件電路。下階段的工作將是為系統配置功能軟件，調試系統，以使系統可以安全、有效的運行于現場生產之中。