基于ARM的十回路智能配電監(jiān)控單元設計

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，針對電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)信號的采集和數(shù)據(jù)通信，以及電力系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)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(jiān)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(shù)等電力參數(shù)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(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)揮電力設備(如發(fā)電機、變壓器等)的潛力。因此，提高功率因數(shù)，對于提高電源設備的利用率，改善供電質(zhì)量，節(jié)約電能都有積極的作用。

　　2 硬件設計

　　2.1 總體結(jié)構(gòu)

　　為了避免強電信號對弱電信號的干擾，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(wěn)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(xiàn)顯示功能，對從中間層傳送過來的測量參數(shù)進行實時顯示，整個監(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(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

　　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(shù)、相角參數(shù)等，能充分滿足三相復費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(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，SCLK為SPI串行時鐘輸入端口。

　　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)字信號處理模塊(DSP)、SP

　　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(shù)是從RS232、RS422技術(shù)發(fā)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。