基于STM32的電能質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)研究

標(biāo)簽：電能質(zhì)量 STM32 檢測(cè)

摘要： 目前國內(nèi)外已有多種檢測(cè)電能質(zhì)量的方法， 介紹了一種基于ARM Co rtex- M3 內(nèi)核的32 位處理器STM32 內(nèi)嵌式智能儀器模式設(shè)計(jì)的方案。利用STM32 內(nèi)置A/ D 以及ATT7022B 芯片對(duì)信號(hào)進(jìn)行多通道采集， 對(duì)各電能參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)和分析。運(yùn)用處理器自帶的SD 卡和U SB 接口對(duì)所測(cè)大量數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和傳輸， 并通過彩色液晶屏實(shí)時(shí)顯示所測(cè)數(shù)據(jù)， 檢測(cè)設(shè)備間通過2. 4 G 無線通信模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。實(shí)際運(yùn)行表明該設(shè)備操作簡單、技術(shù)指標(biāo)完全符合國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)， 具有較好的應(yīng)用、推廣價(jià)值。

0 引言

近些年來， 隨著現(xiàn)代化工業(yè)設(shè)備和民用電器設(shè)備的普及， 電力用戶對(duì)供電質(zhì)量的要求越來越高。特別是大量非線性電力負(fù)荷用到日常生活和工業(yè)生產(chǎn)中， 使得公用電網(wǎng)中的電能質(zhì)量問題愈顯凸出， 已經(jīng)嚴(yán)重影響了電能供應(yīng)質(zhì)量。因此， 根據(jù)國家電能質(zhì)量檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)， 有必要對(duì)電網(wǎng)供電的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行測(cè)試， 分析電網(wǎng)的電能質(zhì)量。

國內(nèi)外已有不少方法對(duì)電能質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)。但是傳統(tǒng)的基于8、16 位的單片機(jī)的電能檢測(cè)設(shè)備存在處理速度慢， 硬件結(jié)構(gòu)不夠完善等缺點(diǎn)。而當(dāng)下比較流行的運(yùn)用DSP 處理器的電能檢測(cè)設(shè)備， 雖然其處理速度快、精度高，但是成本較高、功耗大， 不利于大規(guī)模的推廣。本文提出一種基于STM32 芯片以內(nèi)嵌入式智能儀器模式設(shè)計(jì)的方案。STM32 具有杰出的功耗控制及眾多外設(shè)。設(shè)計(jì)時(shí)可充分利用其豐富的片上資源， 大大節(jié)省了硬件的投資。

利用STM2 內(nèi)置的A/ D 可對(duì)信號(hào)進(jìn)行高速采集和處理，其自帶的USB 接口可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傳輸， 以及通過電阻式彩色觸摸屏T FT 對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示等。系統(tǒng)具有設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡單、攜帶方便、低成本、低功耗、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)， 適合實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)操作， 具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

1 電能質(zhì)量檢測(cè)設(shè)備總體設(shè)計(jì)方案

本電能質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)思路是： 根據(jù)國家制定的電能質(zhì)量相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)、開發(fā)， 系統(tǒng)框圖如圖1 所示。通過高精度的模擬信號(hào)采集電路對(duì)公用電網(wǎng)的電壓、電流進(jìn)行采集; 通過FFT 算法對(duì)諧波進(jìn)行檢測(cè)分析， 以及運(yùn)用電能檢測(cè)芯片對(duì)電壓幅值、電流值、功率因素等一系列參數(shù)進(jìn)行檢測(cè); 最后將測(cè)試結(jié)果顯示在液晶屏幕上， 同時(shí)將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在SD 卡上， 檢測(cè)設(shè)備之間可以通過2. 4 G 無線通信模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換， 還可運(yùn)用U SB 通信接口傳輸實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)到上位機(jī)， 以便上位機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和分析。

圖1 系統(tǒng)框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2. 1 STM32 處理器介紹

本系統(tǒng)采用的是由意法半導(dǎo)體公司推出的基于ARMCor tex??M3 內(nèi)核的STM32F103RBT 6 增強(qiáng)型32 位處理器。其工作頻率為72 MHz, 內(nèi)置高速存儲(chǔ)器( 高達(dá)128 K字節(jié)的閃存和20 K 字節(jié)的SRAM) , 豐富的增強(qiáng)型I/ O 端口和聯(lián)接到2 條APB 總線的外設(shè)。包含2 個(gè)12 位的A/D、3 個(gè)通用16 位定時(shí)器和1 個(gè)PWM 定時(shí)器， 還包含標(biāo)準(zhǔn)和先進(jìn)的通信接口： 多達(dá)2 個(gè)IIC 接口和SPI 接口、3 個(gè)USART 接口、一個(gè)USB 接口和一個(gè)CAN 接口。STM32較市場(chǎng)上同種類的單片機(jī)具有價(jià)格低、功能強(qiáng)、使用簡單、開發(fā)方便等優(yōu)勢(shì)。

2. 2 電能數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)

對(duì)于前端電壓電流的采集選用高精度的電壓電流互感器。其體積小、精度高、全封閉、機(jī)械和耐環(huán)境性能好，電壓隔離能力強(qiáng)， 安全可靠且工作頻率范圍在20 Hz ~20 kHz。運(yùn)用互感器將大電壓電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成小信號(hào)， 再通過分壓將其轉(zhuǎn)換成STM32 的A/D 輸入通道的合理電壓輸入范圍( 0~ 3. 3 V ) 。

2. 3 電能數(shù)據(jù)處理模塊

電能數(shù)據(jù)處理主要分為2 個(gè)模塊， 即諧波采集、分析模塊和AT T 7022B 高精度三相電能專用計(jì)量芯片模塊。

是通過STM32 處理器內(nèi)置的A/ D 轉(zhuǎn)換器對(duì)采集的信號(hào)運(yùn)用FFT 算法進(jìn)行諧波處理和分析。該模數(shù)轉(zhuǎn)換器是12 位的逐次逼近型的， 多達(dá)18 個(gè)通道， 可測(cè)量16 個(gè)外部和2 個(gè)內(nèi)部信號(hào)源。各通道的A /D 轉(zhuǎn)換可以單次、連續(xù)、掃描或間斷模式執(zhí)行。A/D 的結(jié)果可以左對(duì)齊或右對(duì)齊方式存儲(chǔ)在16 位數(shù)據(jù)寄存器中。其模擬看門狗特性允許應(yīng)用程序檢測(cè)輸入電壓是否超出用戶的高/ 低閥值。

該設(shè)計(jì)是運(yùn)用STM32 內(nèi)置A/ D 的同步規(guī)則模式將所測(cè)得的數(shù)據(jù)通過DMA 傳輸， 以節(jié)省CPU 資源。