王 路 王 寧 華北理工大學 以升創(chuàng)新教育基地 河北唐山 063000

基于ARM的電能參數(shù)RTU設計

王 路 王 寧 華北理工大學 以升創(chuàng)新教育基地 河北唐山 063000

本設計開發(fā)的RTU以STM32系列單片機嵌入式MCU為主要核心，整體設計將OLED顯示模塊、STM32單片機和ATT7022B 電能計量芯片進行高效整合，對電能參數(shù)進行檢測和處理，能夠讓用戶實現(xiàn)電能參數(shù)的實時讀取、存儲，導出，同時，利用串口通信技術(shù)，可與上位機進行數(shù)據(jù)的傳送和接收，便于計算機網(wǎng)絡共享，設計的RTU系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、能根據(jù)功能的的需求進行擴展，有一定的市場價值。

STM32單片機；ATT7022B；串口通信；嵌入式

0　引言

近年來，綜合自動化電網(wǎng)的控制裝置，主要以遠程測控終端系統(tǒng)（RTU）為核心，科技發(fā)展過程中，低壓配電系統(tǒng)的運行以及智能化管理也開始需要更可靠更及時的監(jiān)測控制，所以RTU在我國加快發(fā)展是必然趨勢。供配電系統(tǒng)的電壓、電流、功率等多項電能參數(shù)的檢測是監(jiān)測供配電線路和設備運行狀態(tài)的主要基礎，本項目設計的RTU具有功能穩(wěn)定、測量精度高、帶有串口通信、可實現(xiàn)遠程監(jiān)控等特點，非常適合當前智能電網(wǎng)網(wǎng)絡化發(fā)展的需要。

1　RTU總體設計

該RTU系統(tǒng)主要由電源電路、電能計量模塊、MCU模塊、通訊模塊、OLED顯示模塊組成。首先電壓、電流等模擬信號經(jīng)信號調(diào)理電路調(diào)理后，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再由STM32進行數(shù)據(jù)處理；開關(guān)量信號則通過I/O口輸入，STM32通過中斷或查詢方式進行讀取。電力數(shù)據(jù)經(jīng)采集處理后，由OLED屏進行顯示，同時進行儲存以便對歷史數(shù)據(jù)進行查詢。為了使數(shù)據(jù)顯示更加直觀以及能夠遠程監(jiān)控，該RTU 具有強大的通信組網(wǎng)能力，采用多種通信方式兼容，如TCP/IP、 RS232、RS485 通信等等。

系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)總體框圖

圖2

1.1電能計量模塊設計

計量電路主要是以電能專用計量芯片ATT7022B為核心。是三相四線或三相三線系統(tǒng)的專用電能數(shù)據(jù)采集芯片，集成了六路二階sigma-delta ADC、參考電壓電路以及所有功率、能量、有效值、功率因數(shù)以及頻率測量的數(shù)字信號處理等電路。能夠測量各相以及合相的有功功率、無功功率、視在功率、有功能量以及無功能量，同時還能測量各相電流、電壓有效值、功率因數(shù)、相角、頻率等參數(shù)，充分滿足三相復費率多功能電能表的需求。該芯片支持純軟件方式校表，簡化了硬件設計，降低了生產(chǎn)成本，大大提高了調(diào)試效率，減少了人為錯誤的發(fā)生。 ATT7022B 提供了一個標準的SPI 接口，通過這個接口與MCU 進行計量數(shù)據(jù)及校表參數(shù)的傳遞。

ATT7022B內(nèi)部集成了6路16位A/D轉(zhuǎn)換器，電流通道有效值在2mV至1V的范圍內(nèi)線性誤差小于0.1%；電壓通道有效值在10mv 至1V的范圍內(nèi)線性誤差小于0.1%；電壓取值在0.2V到0.6V，電壓采樣信號小于0.2V，可用電壓通道ADC增益選擇，將采樣信號適當放大，電流取值在2mV至1V，電能線性誤差小于0.1%。

ATT7022B支持全數(shù)字域的增益、相位校正、即純軟件校表。有功無功功電能脈沖輸出CF1、 CF2提供瞬間有功、無功功率信息，可以直接接到標準表，進行誤差校正ATT7022B的內(nèi)部框圖如圖2所示，內(nèi)部主要包括模擬信號采樣、數(shù)字信號處理及SPI通信接口等電路。

1.2MCU模塊

MCU模塊以STM32F103ZE作為控制核心，最高工作頻率可達到72 MHz，具有512 K字節(jié)的閃存，可以用于小數(shù)據(jù)存儲，還有64 K字節(jié)的SRAM，單片機上豐富的資料大大簡化了系統(tǒng)的硬件設計，同時，外圍硬件均分配到了獨立的物理接口，避免了以往在使用8 位單片機時端口功能復用對性能的影響。芯片擁有2個12位的A/D、1個PWM定時器和3個通用16位定時器，還包含標準和先進的通信接口：多達2個IIC接口和3個USART接口、SPI接口、一個USB接口和一個CAN總接口。較市場上同種類的單片機STM32具有性價比高、功能強大、便于開發(fā)，實用性強等優(yōu)勢。由于使用的單片機系統(tǒng)運算速度快，數(shù)據(jù)處理功能強大，接口豐富， 便于設計的RTU擴展更多功能。

1.3通信模塊設計

通信功能是遠程終端測控系統(tǒng)功能中重要的部分，電力系統(tǒng)可以通過串口通信將采集的數(shù)據(jù)直觀的顯示在上位機中，極大方便了電力配電系統(tǒng)的的實時監(jiān)測控制，數(shù)據(jù)在傳送后可以通過計算機網(wǎng)絡共享。本系統(tǒng)設計的RTU具有強大的通信組網(wǎng)能力，該 RTU 有 一個USB串口、 1個RS232 通信接口、 1個 RS485通信接口和 1個以太網(wǎng)接口。其中， RS232通信接口還可以擴展外接一個 ZigBee 模塊，實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸。

1.4OLED模塊

OLED顯示屏，即有機發(fā)光二極管（Organic Light-Emitting Diode）又稱為有機電激光顯示， OLED的特點是自己發(fā)光，不像TFT LCD那樣需要背光，因此可視度和亮度均高，其次是電壓需求低且省電效率高，近幾年來， OLED的應用范圍越來越廣，加上顯示效果出色，有逐漸代替其他產(chǎn)品的趨勢。

本RTU選用的是一款3.2寸OLED顯示屏，該模塊有單色和雙色兩種可選，單色為純藍色，而雙色則為黃藍雙色，特點是分辨率高，顯示速度快、重量輕、厚度薄，視角廣闊，板載LDO，支持5V-3.3V供電范圍，對比度高，可實現(xiàn)軟屏顯示，結(jié)構(gòu)簡易，性價比高等， 極大地提高了數(shù)據(jù)的可視效果和可讀取性，用戶可以直觀讀取數(shù)據(jù)。

2　系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)設計采用KEIL MDK4.122A為開發(fā)平臺，用于編寫錄入STM32程序代碼。

程序設計采用模塊化思想，以初始化程序、SPI接口程序、ATT7022B復位程序，存儲讀取數(shù)據(jù)、串口通信、按鍵設置及OLED顯示為系統(tǒng)軟件設計的主要模塊。由于電能參數(shù)為動態(tài)數(shù)據(jù)，主程序采用循環(huán)，從而達到工作要求。

系統(tǒng)軟件總體設計流程圖如圖3所示。

圖3　系統(tǒng)總體軟件流程圖

3　實驗結(jié)果與分析

本設計在完成整體設計后，將三相負載分別接到A、 B、 C三相電壓電流互感器上，A、 B、 C三相負載額定功率分別為20w、50w、 80w，有本RTU測得電力數(shù)據(jù)由表1所示。

表1　實驗結(jié)果

實驗結(jié)果表明，本系統(tǒng)運行正常，測量數(shù)據(jù)精確，測量精度高，而且實時性強，能夠滿足電力儀表的設計需求，和傳統(tǒng)電力儀表相比有很大的優(yōu)點。

4　結(jié)束語

本文介紹了基于ARM的電能參數(shù)RTU設計過程及結(jié)果，設計的RTU將OLED 顯示模塊、STM32 芯片和ATT7022B 計量芯片進行了高效的整合。 ATT7022B電能計量芯片能夠準確測出需要的電力參數(shù)，測量精度高，可靠性強，通過SPI通訊接口與STM32單片機進行數(shù)據(jù)處理，人機界面選用了OLED作為顯示屏，極大地提高了數(shù)據(jù)的可讀取性，清晰度高，方便用戶讀取。設計的儀表系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、實時處理能力強，能根據(jù)用戶的需求進行擴展，具有較高的經(jīng)濟價值，市場應用前景廣泛。

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王路，男，籍貫：河北唐山，1993年9月出生，本科 學生，研究方向：電氣工程及其自動化。