基于ARM的十回路智能配電監(jiān)控單元設(shè)計(jì)

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(wú)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(chēng)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(chēng)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(wú)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(guò)來(lái)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(guò)來(lái)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(zhuān)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(wú)功功率、視在功率、有功能量、無(wú)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(wú)功電能脈沖輸出、基波有功電能脈沖輸出、基波無(wú)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)、SP

　　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(lái)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(zhǎng)的電纜長(zhǎng)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(guò)RXD直接連接SN65HVDl2芯片的R引腳。通過(guò)TXD直接連接SP485R芯片的D引腳，其具體電路如圖5所示。