基于STM32的電能質(zhì)量檢測技術(shù)研究

標(biāo)簽：電能質(zhì)量 STM32  檢測

摘要： 目前國內(nèi)外已有多種檢測電能質(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)計的方案。利用STM32 內(nèi)置A/ D 以及ATT7022B 芯片對信號進(jìn)行多通道采集， 對各電能參數(shù)進(jìn)行檢測和分析。運(yùn)用處理器自帶的SD 卡和U SB 接口對所測大量數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲和傳輸， 并通過彩色液晶屏實(shí)時顯示所測數(shù)據(jù)， 檢測設(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)量檢測標(biāo)準(zhǔn)， 有必要對電網(wǎng)供電的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行測試， 分析電網(wǎng)的電能質(zhì)量。

國內(nèi)外已有不少方法對電能質(zhì)量進(jìn)行檢測。但是傳統(tǒng)的基于8、16 位的單片機(jī)的電能檢測設(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)計的方案。STM32 具有杰出的功耗控制及眾多外設(shè)。設(shè)計時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 可對信號進(jìn)行高速采集和處理，其自帶的USB 接口可對數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傳輸， 以及通過電阻式彩色觸摸屏T FT 對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時顯示等。系統(tǒng)具有設(shè)計結(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)時現(xiàn)場操作， 具有較高的應(yīng)用價值。

1 電能質(zhì)量檢測設(shè)備總體設(shè)計方案

本電能質(zhì)量檢測系統(tǒng)的主要設(shè)計思路是： 根據(jù)國家制定的電能質(zhì)量相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計、開發(fā)， 系統(tǒng)框圖如圖1 所示。通過高精度的模擬信號采集電路對公用電網(wǎng)的電壓、電流進(jìn)行采集; 通過FFT 算法對諧波進(jìn)行檢測分析， 以及運(yùn)用電能檢測芯片對電壓幅值、電流值、功率因素等一系列參數(shù)進(jìn)行檢測; 最后將測試結(jié)果顯示在液晶屏幕上， 同時將數(shù)據(jù)存儲在SD 卡上， 檢測設(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)時的數(shù)據(jù)到上位機(jī)， 以便上位機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲和分析。

圖1 系統(tǒng)框圖

2 硬件設(shè)計

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12 位的A/D、3 個通用16 位定時器和1 個PWM 定時器， 還包含標(biāo)準(zhǔn)和先進(jìn)的通信接口： 多達(dá)2 個IIC 接口和SPI 接口、3 個USART 接口、一個USB 接口和一個CAN 接口。STM32較市場上同種類的單片機(jī)具有價格低、功能強(qiáng)、使用簡單、開發(fā)方便等優(yōu)勢。

2. 2 電能數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計

對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轉(zhuǎn)換成小信號， 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量芯片模塊。

是通過STM32 處理器內(nèi)置的A/ D 轉(zhuǎn)換器對采集的信號運(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 個通道， 可測量16 個外部和2 個內(nèi)部信號源。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)果可以左對齊或右對齊方式存儲在16 位數(shù)據(jù)寄存器中。其模擬看門狗特性允許應(yīng)用程序檢測輸入電壓是否超出用戶的高/ 低閥值。

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

AT T7022B 是一款三相電能計量專用芯片， 該芯片適用于三相三線和三相四線的應(yīng)用。它集成了7 路二階sigma??deat lA/ D, 其中3 路用于三相電壓采樣， 3 路用于電流采樣， 還有1 路可用于零線電流或其他防竊電參數(shù)的采樣、輸出采樣數(shù)據(jù)有效值， 使用方便。它集成了參考電壓電路以及所有包括基波、諧波和全波的各項(xiàng)電參數(shù)測量的數(shù)字信號處理電路， 能夠測量各相及合相包括基波、諧波和全波的有功功率、無功功率、視在功率、有功能量以及無功能量， 同時還能測量頻率、各相電流及電壓有效值、功率因數(shù)、相角等參數(shù)[6??8] 。

AT T7022B 內(nèi)部集成了6 路16 位A /D 轉(zhuǎn)換器， 采用雙端差模信號輸入。電流通道有效值在2 mV ~ 1 V 的范圍內(nèi)線性誤差小于0. 1%; 電壓通道有效值在10 mV~1 V 的范圍內(nèi)線性誤差小于0. 1%。所以電壓取值在0. 2~ 0. 6 V , 電流通道取值在2 mV ~ 1 V 比較合適。最后通過芯片自帶的SPI 接口和STM32 處理器進(jìn)行通信，控制相關(guān)參數(shù)以及存儲、發(fā)送數(shù)據(jù)。圖2 所示為電壓電流信號輸入典型連接電路。

圖2AT T7022B 電壓電流信號輸入典型連接電路

2. 4 電能數(shù)據(jù)儲存及通信、顯示模塊

為了實(shí)現(xiàn)電能檢測參數(shù)的的存儲， 該系統(tǒng)采用了SD卡來存儲數(shù)據(jù)。SD 卡是一種基于半導(dǎo)體記憶的新一代記憶設(shè)備， 被廣泛應(yīng)用于便攜式裝置上。其體積小、質(zhì)量輕，但卻擁有高記憶容量、快速數(shù)據(jù)傳輸、極大的移動靈活性以及很好的安全性。利用STM32 自帶的SPI 接口， 最大通信速率可達(dá)18 kbps, 每秒可傳輸2 M 字節(jié)以上的數(shù)據(jù)，對于系統(tǒng)的設(shè)計要求已足夠了。

在數(shù)據(jù)通信上， 系統(tǒng)設(shè)計了兩種通信方式。一種是現(xiàn)今較為流行的基于USB 通信協(xié)議的U SB 通信方式， 實(shí)現(xiàn)處理器與上位機(jī)的快速通信。另外一種是額外的無線通信方式， 該通信方式也叫做2. 4 G 頻段無線通信， 應(yīng)用全球開放的ISM 頻段可免費(fèi)使用。本系統(tǒng)采用的是NRF24L01 無線模塊， 其最高工作速率為2 Mbps, 高效的GFSK 調(diào)制， 抗干擾能力強(qiáng)可以方便實(shí)現(xiàn)2 個電能檢測設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換、傳輸。

系統(tǒng)采用2. 8 寸T FT 彩色電阻式液晶屏， 其屏幕分辨率高( 320 240) 、體積小、功耗低、壽命長， 能夠清晰的顯示所需要的數(shù)據(jù)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3. 1 軟件設(shè)計平臺及構(gòu)成

系統(tǒng)設(shè)計采用RealView MDK3. 80A 為開發(fā)平臺， 用于編寫調(diào)試STM32 代碼。系統(tǒng)軟件設(shè)計包括主程序、數(shù)據(jù)采集存儲、數(shù)據(jù)通信、按鍵設(shè)置及液晶顯示等模塊。系統(tǒng)軟件總體設(shè)計流程圖如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)程序流程

3. 2 電能數(shù)據(jù)采集及處理分析設(shè)計

3. 2. 1 諧波的測量、分析

根據(jù)國家規(guī)定的諧波測量方法， 為了區(qū)別暫態(tài)現(xiàn)象和諧波， 每次測量結(jié)果可取3 s 內(nèi)所測量的平均值。采用式( 1) 計算：

式中： Uhk 為3 s 內(nèi)第k 次測得的h 次諧波的均方根植;m 為3 s 內(nèi)取均勻間隔的測量次數(shù)， m≥6。

以此Uh ( 第h 次諧波電壓的均方根值) 的值計算下列參數(shù)：

1) 第h 次諧波電壓含有率H R Uh

式中： Uh 為第h 次諧波電壓( 均方根值) ; U1 為基波電壓( 均方根值) 。

2) 諧波電壓含量UH

3) 電壓總諧波畸變率TH D u

電流的相關(guān)計算以此類推， 通過這些參數(shù)對電能諧波進(jìn)行分析， 檢測是否合格。

3. 2. 2 其他電能檢測參數(shù)測量

通過AT T 7022B 芯片內(nèi)置的24 位DSP 數(shù)字信號處理， 來獲得有功功率、無功功率、視在功率、電壓電流有效值、功率因素和頻率等電能參數(shù)。

4 測試結(jié)果與分析

根據(jù)我國規(guī)定的諧波測量方法， 測試取0~ 19 次諧波[ 9] 。通過系統(tǒng)輸出值與實(shí)際幅值的對比， 若在Uh ??

1% UN 和Uh < 1% UN 的情況下， 即為允許范圍內(nèi)， 符合國家對B 級諧波測試儀器的相關(guān)精度的要求。其他電能測試結(jié)果也可按國家標(biāo)準(zhǔn)給定的精度范圍進(jìn)行逐項(xiàng)計量。

經(jīng)實(shí)驗(yàn)本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信和彩色液晶顯示也滿足實(shí)用要求。

通過測試結(jié)果表明， 系統(tǒng)測試結(jié)果準(zhǔn)確、精度較高， 完全符合電能檢測儀器的相關(guān)要求。

5 結(jié)束語

本文介紹了基于STM32 的便攜式電能質(zhì)量檢測設(shè)備的設(shè)計過程及測試結(jié)果。運(yùn)用的STM32 處理器擁有豐富的片上資源， 內(nèi)置的A /D 轉(zhuǎn)換芯片、SPI 通信接口、U SB通信接口以及無線通信模塊， 極大的簡化了系統(tǒng)的硬件設(shè)計。系統(tǒng)具有功耗低、攜帶方便、操作便捷、測量精度較高等優(yōu)勢， 采用USB 通信和無線通信兩種通信模式， 使得數(shù)據(jù)的傳輸多樣化及較強(qiáng)選擇性。彩屏液晶顯示使得操作人員對結(jié)果一目了然。在電能檢測市場上， 鑒于本系統(tǒng)的諸多特點(diǎn)， 將會有十分廣闊的應(yīng)用和發(fā)展前景。