基于ARM的十回路智能配电监控单元设计

 

　　本文以内含ARM7TDMI—STM CPU的微控制器LPC2132芯片作为系统主控制器，针对电力系统数据信号的采集和数据通信，以及电力系统状态监测为研究主题，研究设计出了一种具备智能配电，并可同时监控十个用户回路的终端控制单元，其具备测量各回路中有功功率、无功功率、能量、电压、电流、功率因数等电力参数功能。

　　1 电力参量的测量原理

　　对称三相电源通常由三个频率相同、幅值相等和初相角为1200的正弦电压源按一定方式连接而成，三相信号可依次称为A、B、C相，记为uA、uB、uC，它们的瞬时表达式如下：

　　

 

　　在交流电路中，电压与电流之间的相位差的余弦叫做功率因数，在数值上，功率因数是有功功率和视在功率的比值，即：

　　

 

　　功率因数反映的是输出功率中无功功率所占的比例。提高用电器的功率因数一般有两方面的意义.一是减小输电线路上的功率损失;二是充分发挥电力设备(如发电机、变压器等)的潜力。因此，提高功率因数，对于提高电源设备的利用率，改善供电质量，节约电能都有积极的作用。

　　2 硬件设计

　　2.1 总体结构

　　为了避免强电信号对弱电信号的干扰，本系统在整体结构上采用三层电路板，即：底层的信号采集电路板，中间层的信号处理电路板，上层的LCD显示电路板。底层板上布置了很多大而重的元器件，这有利于整个单元实物的稳定性;中间层的主要功能是将信号采集层传递过来的信号加以处理，因此这层板也是本设计的主控电路板;上层板主要是实现显示功能，对从中间层传送过来的测量参数进行实时显示，整个监控单元的总体结构如图1所示。

　　

 

　　2.2 微控制器的选择

　　本系统选用LPC2132为微控制器，这是一个支持实时仿真和嵌入式跟踪的32/16位ARM7TD—MI—STM CPU的微控制器，并带有64/128/256/512KB的嵌入式高速Flash存储器。LPC2132具有多个32位定时器、1个(LPC2132)10位8路ADC、1O位DAC、PWM通道和多达47个GPIO，以及9个边沿或电平触发的外部中断。其系统中的LPC2132外接口示意图如图2所示。

　　

 

　　2.3 AIT7022B的功能与特点

　　ATT7022B是由炬力公司生产的一种高精度的多功能防窃电基波三相电能专用计量芯片，可用于测量各相及合相的基波、谐波和全波有功功率、无功功率、视在功率、有功能量、无功能量、功率因数、相角参数等，能充分满足三相复费率多功能电能表的需求，AT7022B的内部功能结构如图3所示。其中V1P/V1N，V3P/V3N，V5P/V5N分别为A、B、C相电流信道的正、负模拟输入引脚，V2P/V2N，V4P/V4N，V6P/V6N分别为A、B、C相电压信道的正、负模拟输入引脚。V7P/V7N为第七路ADC的正、负模拟输入引脚。CFl、CF2、CF3、CF4分别为有功电能脉冲输出、无功电能脉冲输出、基波有功电能脉冲输出、基波无功电能脉冲输出。DIN是SPI串行数据输入口，DOUT是SPI串行数据输出口，CS为SPI片选信号，SCLK为SPI串行时钟输入端口。

　　

 

　　由图3可以看出，ATT7022B的内部结构大致可分为A/D模数转化模块、数字信号处理模块(DSP)、SP

　　

 

　　2.4 RS485总线接口

　　本设计中的智能终端与上位机的通讯采用的RS485串行通信接口技术是从RS232、RS422技术发展而来的。RS一485标准的最大传输距离约1219米，最大传输速率为10Mbps。RS一485在20kbps速率下能获得最长的电缆长度能力。本智能终端设计中使用的SN65HVDl2芯片，可以直接嵌入到实际的RS一485应用电路中。其微处理器的标准串行口可通过RXD直接连接SN65HVDl2芯片的R引脚。通过TXD直接连接SP485R芯片的D引脚，其具体电路如图5所示。

　　3 软件设计

　　3.1 Modbus通信协议

　　本监控终端与上位机之间的通信采用Modbus通信协议。该协议是用于电子控制器上的一种通用语言。通过此协议，控制器相互之间、控制器经由网络(例如以太网)和其它设备之间就可以通信，该协议也支持传统的RS232、RS422和RS485等接口。传统的Modbus协议分为ASCII模式和RTU模式，考虑到配电系统的高效性和安全性，这里采用RTU模式。使用RTU模式，消息发送至少要以3.5个字符时间的停顿间隔开始。并在最后一个传输字符之后，应通过一个至少3.5个字符时间的停顿来标定消息的结束。一个新消息可在此停顿后再开始。整个消息帧必须作为一个连续的流来传输。如果在帧完成之前，有超过1.5个字符时间的停顿时间，那么，接收设备将刷新不完整的消息并假定下一字节是一个新消息的地址域。同样地，如果一个新消息在小于3.5个字符时间内接着前个消息开始，则接收设备也将认为它是前一消息的延续，而这将导致一个错误，但该错误可以利用CRC校验来发现，其典型的RTU消息帧如表l所列。

　　

 

　　3.2 软件设计

　　本设计采用C语言在keil C平台上来编写操作软件，以完成上位机(PC机)与终端间的相互通信。系统软件主要包括主程序、初始化程序、ATT7022B复位程序、SPI通讯程序、数据采集序、数据发送程序、以及中断程序等。图6所示是其软件程序主流程。

　　

 

　　系统中的上位机通过RS485串口与系统通信,其功能芯片ATT7022B也利用串行模式与系统控制核心LPC2132相互交流数据，图7所示为本系统的软件设计结构。

　　

 

　　4 结束语

　　数字化、网络化的电力监测是工业远程监控与监测的必然趋势，也是工业远程监控的最佳选择，在今后一段时间，高效、快速、准确、安全的电力远程控制监测系统，即智能电力监测系统仍是我们研究的主要对象。本文以LPC2132微处理器为核心，给出了测量有功、无功、视在功率、双向有功和四象限无功电能、LCD显示、备自投功能的电能监控单元的硬件电路。下阶段的工作将是为系统配置功能软件，调试系统，以使系统可以安全、有效的运行于现场生产之中。