祝 海 寧(上海電機(jī)學(xué)院 資產(chǎn)與實(shí)驗(yàn)室管理處, 上海 201306)

0 引 言

能源互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的到來(lái)推動(dòng)了我國(guó)電力行業(yè)的發(fā)展，使我國(guó)電力行業(yè)邁開(kāi)了新的發(fā)展步伐，進(jìn)入了新的篇章。我國(guó)正處于經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)主義發(fā)展的重要時(shí)期，快速發(fā)展的國(guó)民經(jīng)濟(jì)對(duì)電力需求越來(lái)越大，國(guó)家也在投入越來(lái)越多的人力和財(cái)力來(lái)發(fā)展電力行業(yè)。近幾年，國(guó)家提出建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)，來(lái)完善電力產(chǎn)業(yè)，支撐國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展。堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的建設(shè)對(duì)電力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性、高效性提出了更高的要求。

傳統(tǒng)的電力數(shù)據(jù)采集裝置存在芯片功能單一、存儲(chǔ)空間小、軟件程序算法復(fù)雜、實(shí)時(shí)性差、精度不夠、效率低等缺點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)了一種基于ATT7022E和STM32為主要芯片的新型的電力數(shù)據(jù)采集裝置。ATT7022E是多功能高精度三相電能專(zhuān)用計(jì)量芯片，其強(qiáng)大的測(cè)量功能完全滿(mǎn)足國(guó)家電網(wǎng)對(duì)智能電表實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性、存儲(chǔ)容量等各方面要求，再加上ARM處理器高速的數(shù)據(jù)處理速度、超低的功耗和豐富的片上資源，大大節(jié)約了硬件投資，非常有利于推廣應(yīng)用[1-2]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

如圖1所示。本系統(tǒng)采用專(zhuān)用電能計(jì)量芯片ATT7022E和STM32F103ZE主控單元完成多功能智能電表數(shù)據(jù)采集和處理。其中ATT7022E采集模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)SPI接口與外部MCU連接進(jìn)行計(jì)量與校表參數(shù)，STM32F103ZE主要完成數(shù)據(jù)的處理、存儲(chǔ)和通信，通信模塊可通過(guò)CAN、GPRS通信完成與上位機(jī)或其他裝置的通信功能，最終將所得數(shù)據(jù)通過(guò)液晶顯示器顯示[3-5]。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 電源模塊

本系統(tǒng)電源模塊采用LM2576穩(wěn)壓器芯片，24 V直流電壓經(jīng)穩(wěn)壓芯LM2576后能夠輸出3.3、5、12 V等固定電壓和電壓可調(diào)節(jié)的可調(diào)節(jié)電壓，分別給專(zhuān)用計(jì)量芯片ATT7022E和控制單元STM32F103ZE供電。同時(shí)，輸出的5 V電源經(jīng)穩(wěn)壓芯片CS5230A后得到3.8 V輸出電壓，為GPRS模塊的GTM900C芯片供電[6-7]。輸入24 V電源由電網(wǎng)電壓經(jīng)整流電路后得到。LM2576工作原理如圖2所示。

圖2 LM2576工作原理

2.2 電力數(shù)據(jù)采集模塊

電力數(shù)據(jù)采集模塊采用鉅泉光電科技(上海)股份有限公司的專(zhuān)用計(jì)量芯片ATT7022E作為電網(wǎng)電力數(shù)據(jù)采集裝置的核心芯片。ATT7022E芯片內(nèi)集成了7路19位的ADC，包含一套電源監(jiān)控電路，此外含有SPI串行通信接口，數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)10 Mb/s，可實(shí)現(xiàn)與MCU高速數(shù)據(jù)傳輸。

電源監(jiān)控特性如圖3所示，可對(duì)輸入的模擬電源進(jìn)行不間斷監(jiān)測(cè)，當(dāng)電源電壓低于(2.5±5%)V時(shí)芯片將被復(fù)位，可以保證芯片上電和斷電時(shí)正常工作，此外為保證芯片正常工作，對(duì)電源去耦，使模擬電源的波動(dòng)不超過(guò)(3.3±5%)V。

圖3 電源監(jiān)控特性

正常工作時(shí)，芯片內(nèi)7路模擬量輸入被分為電壓輸入通道和電流輸入通道。電力數(shù)據(jù)采集電路如圖4所示，電路中僅畫(huà)出了A相電壓、電流，B相和C相同理。其中電壓采樣電路有電壓互感器采樣電路和電阻分壓采樣電路，本文采用電阻分壓采樣，1 kΩ電阻和0.1 μF電容并聯(lián)組成抗混疊濾波器，抑制雜波對(duì)數(shù)據(jù)采集的影響。電流采樣電路采用電流互感器，R7的作用分別是把需要采集的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成ATT7022E專(zhuān)用計(jì)量芯片要求的電壓信號(hào)。多功能高精度三相電能專(zhuān)用計(jì)量芯片ATT7022E含有SPI串行通信接口，可以實(shí)現(xiàn)ATT7022E芯片與外部MCU之間進(jìn)行計(jì)量數(shù)據(jù)的傳輸。

圖4 ATT7022E電壓、電流采集電路

根據(jù)ATT7022E芯片的功能特點(diǎn)，采用多功能高精度三相電能專(zhuān)用計(jì)量芯片ATT7022E作為三相電網(wǎng)電力數(shù)據(jù)采集裝置的核心芯片，芯片的電源監(jiān)控電路有利于保障上電和斷電時(shí)芯片的正常啟動(dòng)和正常工作電源。把電源監(jiān)控電路安排在延時(shí)和過(guò)濾環(huán)節(jié)中可以最大程度減少由電源噪聲引起的誤差。系統(tǒng)自帶兩個(gè)獨(dú)立的硬件復(fù)位和軟件復(fù)位功能。最主要的是ATT7022E芯片可以完成三相三線(xiàn)或者三相四線(xiàn)模式下的電能質(zhì)量測(cè)量、有效值測(cè)量、有功計(jì)算、無(wú)功計(jì)算、視在計(jì)算、硬件端口檢測(cè)、片上溫度檢測(cè)、能量脈沖輸出、ADC采樣數(shù)據(jù)緩沖以及同步采樣數(shù)據(jù)緩沖等功能。以功能高精度三相電能專(zhuān)用計(jì)量芯片ATT7022E作為電力數(shù)據(jù)采集單元，可以簡(jiǎn)化傳統(tǒng)的電力監(jiān)測(cè)儀的復(fù)雜的硬件系統(tǒng)，同時(shí)可以極大地提高運(yùn)行速率，因此基于ATT7022E專(zhuān)用計(jì)量芯片的多功能電力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性高、準(zhǔn)確性高、存儲(chǔ)容量大等特點(diǎn)。

2.3 MCU模塊

MCU模塊采用意法半導(dǎo)體公司ARM Cortex-M3內(nèi)核STM32F103ZE。STM32F103ZE是32位微處理器，其片上資源豐富，工作頻率最高可達(dá)72 MHz，帶512 Kbyte的FLASH，內(nèi)部功耗較低，電源調(diào)節(jié)器有睡眠、停機(jī)和待機(jī)3種工作模式，含有3個(gè)12位ADC、11個(gè)定時(shí)器和13個(gè)通信接口，包括2個(gè)I2C接口、5個(gè)UART接口、3個(gè)SPI接口、CAN接口、USB2.0全速接口和SDIO接口，通用I/O口達(dá)到112個(gè)，具有高性能、低能耗、強(qiáng)大處理能力的優(yōu)點(diǎn)。

2.4 時(shí)鐘模塊設(shè)計(jì)

時(shí)鐘電路模塊主要由DS1307時(shí)鐘芯片來(lái)完成。DS1307是一種低功耗的時(shí)鐘芯片，可提供秒、分、小時(shí)、星期、日期、月和年等時(shí)鐘日歷數(shù)據(jù)。它的接口采用I2C兩線(xiàn)制串行接口，因此可通過(guò)SCL和SDA引腳與MCU單元連接。另外，DS1307時(shí)鐘芯片具有2.5～5.5 V的寬電壓供電范圍，同時(shí)還具有32.768 kHz 的外部晶振[8]。它的3號(hào)引腳接有備用電池，當(dāng)芯片供電輸入引腳出現(xiàn)故障時(shí)，可自動(dòng)切換到電池供電模式。時(shí)鐘電路原理圖如圖5所示。

圖5 時(shí)鐘電路原理圖

2.5 通信模塊

2.5.1CAN通信

控制器局域網(wǎng)(Controller Area Network，CAN)包含OSI中的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、傳輸層。STM32F103ZE中包含兩個(gè)CAN通信接口CAN1和CAN2。它的通信是通過(guò)幀格式，包括數(shù)據(jù)幀、遙控幀、錯(cuò)誤幀、過(guò)載幀、幀間隔，其中數(shù)據(jù)幀和遙控幀有標(biāo)準(zhǔn)格式的11位標(biāo)識(shí)符和擴(kuò)展格式的29位標(biāo)識(shí)符。CAN通過(guò)報(bào)文的形式發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，每組報(bào)文開(kāi)頭的11位字符為標(biāo)識(shí)符，它是站與站直接收發(fā)數(shù)據(jù)的標(biāo)志，同時(shí)當(dāng)有多個(gè)數(shù)據(jù)同時(shí)發(fā)送時(shí)，也可通過(guò)標(biāo)識(shí)符判斷發(fā)送數(shù)據(jù)的優(yōu)先級(jí)。

圖6所示為CAN通信電路原理圖。其中CTM1050 為帶隔離的高速CAN收發(fā)器芯片，該芯片通過(guò)CANRXB和CANTXB引腳與MCU相連，將CAN控制器的邏輯電平轉(zhuǎn)換為CAN總線(xiàn)的差分電平，通過(guò)CANH、CANL兩根總線(xiàn)的電位差判斷總電平的顯、隱性。另外該芯片還具有 2.5 kV直流隔離功能及ESD保護(hù)作用。

圖6 CAN通信原理圖

2.5.2GPRS通信

通用無(wú)線(xiàn)分組業(yè)務(wù)(General Packet Radio Service，GPRS)一種在GSM網(wǎng)絡(luò)上增加了SGSN(GPRS業(yè)務(wù)支持節(jié)點(diǎn))及GGSN(GPRS網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點(diǎn))的無(wú)線(xiàn)分組交換技術(shù)，支持點(diǎn)到點(diǎn)和點(diǎn)到多點(diǎn)數(shù)據(jù)服務(wù)。相較于其他無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)，GPRS無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)采用按流量計(jì)費(fèi)，減低用戶(hù)費(fèi)用，同時(shí)，GPRS無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)支持SMS業(yè)務(wù)，可作為備用通信方式，當(dāng)GPRS通信故障時(shí)，啟動(dòng)短信通道通信。

本系統(tǒng)采用華為的GTM900C作為GPRS通信模塊，該模塊支持3種頻率通信，內(nèi)部嵌有TCP/IP協(xié)議、異步串行接口、SIM卡接口，支持多種串口速率，同時(shí)可通過(guò)AT命令控制GPRS無(wú)線(xiàn)模塊，GTM900C引腳連接圖如圖7所示。GTM900C模塊輸入電壓為3.8 V，可通過(guò)穩(wěn)壓芯片CS5203A獲得。GPRS模塊和MCU之間通過(guò)UART串口進(jìn)行通信，端口UART_RXD和UART_TXD用于MCU模塊接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，同時(shí)，該模塊支持外接SIM卡，SIM卡接口分別于外置SIM卡上對(duì)應(yīng)接口CCVCC、CCGND、CCRST、CCCLK、CCIO連接。

圖7 GTM900C模塊

GPRS遠(yuǎn)程電力計(jì)量系統(tǒng)實(shí)時(shí)性強(qiáng)，集抄范圍廣，數(shù)據(jù)傳輸速率高，傳輸容量大，建設(shè)成本低，通信費(fèi)用低，充分利用當(dāng)前先進(jìn)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和控制技術(shù)，克服了傳統(tǒng)運(yùn)行的局限性，實(shí)現(xiàn)了對(duì)各個(gè)系統(tǒng)的自動(dòng)采集、傳輸、存儲(chǔ)、計(jì)算、分析和WEB的發(fā)布。用戶(hù)可以通過(guò)平臺(tái)訪(fǎng)問(wèn)到每塊表的數(shù)據(jù)，了解每時(shí)每刻的用電情況和電氣運(yùn)行狀態(tài)。

3 軟件部分設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要有以下模塊組成：主程序、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、通信模塊、顯示模塊等。軟件運(yùn)行中還包含：定時(shí)器中斷、外部中斷以及通信中斷程序等[9-10]。

軟件系統(tǒng)首先初始化，設(shè)置各個(gè)子系統(tǒng)參數(shù)，再通過(guò)ATT7022E模塊完成模擬量、開(kāi)關(guān)量的采集。采集完信息后，檢測(cè)通信標(biāo)志，完成數(shù)據(jù)發(fā)送，并判別數(shù)據(jù)是否發(fā)送錯(cuò)誤。經(jīng)MCU接收數(shù)據(jù)完成數(shù)據(jù)處理，最后傳送數(shù)據(jù)到顯示系統(tǒng)。主程序流程圖如8所示。

圖8 主程序流程圖

3.1 ATT7022E接口程序設(shè)計(jì)

ATT7022E和MCU之間通過(guò)SPI通信接口連接，SPI通信接口包含4條接口線(xiàn)。CS為片選，下降沿有效；DIN、DOUT分別為串行數(shù)據(jù)輸入和輸出，分別用于將數(shù)據(jù)傳輸?shù)紸TT7022E和從ATT7022E中讀出數(shù)據(jù)；SCLK為串行時(shí)鐘，在下升沿時(shí)將DIN數(shù)據(jù)采樣到ATT7022E中，上降沿時(shí)將ATT7022E中數(shù)據(jù)放到DOUT輸出。數(shù)據(jù)傳輸格式為8位命令和24位數(shù)據(jù)，其讀寫(xiě)操作時(shí)序圖如圖9所示。

圖9 ATT7022E操作時(shí)序圖

在程序設(shè)計(jì)時(shí)，首先初始化ATT7022E的SPI引腳功能配置，然后調(diào)用讀寫(xiě)數(shù)據(jù)函數(shù)，在ATT7022E指定地址的寄存器中實(shí)現(xiàn)讀寫(xiě)操作，當(dāng)CS引腳下降沿時(shí)，進(jìn)入讀寫(xiě)操作，依次完成4個(gè)字節(jié)的讀寫(xiě)后，將CS引腳拉高，完成一次數(shù)據(jù)傳輸。

3.2 中斷子程序設(shè)計(jì)

STM32F103ZE外部中斷寄存器由中斷屏蔽寄存器、事件屏蔽寄存器、上升沿觸發(fā)選擇寄存器、下降沿觸發(fā)選擇寄存器、軟件中斷事件寄存器、掛起寄存器。其中每個(gè)輸入線(xiàn)可以獨(dú)立配置輸入類(lèi)型和對(duì)應(yīng)的出發(fā)事件，也可以被獨(dú)立屏蔽。掛起寄存器保持著狀態(tài)線(xiàn)的終端要求。

EXTI寄存器部分中斷程序代碼：

Void EXTI0-IRQHandler(void)

{

OS-CPU-SR cpu-sr

INT32U temp;

OS-ENTER-CRITICAL();

OSIntNesting++;

OS-EXIT-CRITICAL();

if(EXTI-GetITStatus(KEY-DOWN-INTRUPT)!=RESET)

{ temp=EXTI->IMR;

temp &=～DISPLAY-TURN-DOWN-INTERUPT-EXTI-LINE;

EXTI->IMR=temp;

EXTI-ClearITPendingBit(KEY DOWN INTRUPT)

if(GPIO-ReadInputDataBit(DISPLAY-TURN-DOWN-PORT, DISPLAY-TURN-DOWN-PIN)==0)

{ Power-ctr.count=0;

OSSemPost(1cd-sem);

}

}

OSIntExit();

}

3.3 CAN通信程序設(shè)計(jì)

在使用CAN通信時(shí)，首先調(diào)用CAN_Int()初始化函數(shù)，完成對(duì)CAN的模式選擇、IO口配置和CAN參數(shù)的初始化，然后調(diào)用CAN_Transmit()函數(shù)來(lái)發(fā)送數(shù)據(jù)，其發(fā)送數(shù)據(jù)流程為：選擇空置的發(fā)送郵箱；設(shè)置標(biāo)識(shí)符、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度和待發(fā)送數(shù)據(jù)；然后對(duì)CAN_TIxR寄存器的TXRQ位置‘1’，請(qǐng)求發(fā)送。CAN數(shù)據(jù)的接收需要知道ID，因此設(shè)置了CAN的過(guò)濾器，屏蔽掉不想要的ID，STM32F103ZE中有14組過(guò)濾器，每組過(guò)濾器有兩個(gè)32位的寄存器，CAN過(guò)濾器可通過(guò)CAN_FilterInit()函數(shù)來(lái)設(shè)置。CAN發(fā)送和接收部分程序如下[11]：

(1) CAN發(fā)送函數(shù)。

Void CAN_SendMesg(uint32_t id,uint8_t len,uint8_t*dat)

{

Uint16_t i=0;

canTxMsg TxMessage;

if(len>8)

{

Return;

}

TxMessage.StdId=(id&0x7FF);//標(biāo)準(zhǔn)幀ID11位

TxMessage.ExtId=(id>>11);設(shè)置擴(kuò)展標(biāo)示符

TxMessage.RTR=CAN_RTR_DATA;

if((id&0x7FF)== 0x7FF)//檢測(cè)是標(biāo)準(zhǔn)幀還是拓展幀

{

TxMessage.IDE=CAN_ID_STD;//標(biāo)準(zhǔn)ID

}

else

{

TxMessage.IDE=CAN_ID_EXT;//拓展ID

}

TxMessage.DLC=len;//發(fā)送的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度

/*將數(shù)據(jù)放入到郵箱中*/

for(i=0;i

{

TxMessage.Data[i]=*dat;

Dat++;

}

/*開(kāi)始傳數(shù)據(jù)*/

CAN_Transmit(CAN,&TxMessage);

}

(2) CAN接收函數(shù)。

Void CAN_ReceiveMesg(uint8_t*receiveBuff)

{

Uint8_t i=0;

canRxMsg RxMessage;//設(shè)置接收郵箱

if((CAN_Messpagepending(CAN,CAN_FIFO0)!=0))

//檢查FIFO0里面是否有數(shù)據(jù)

{

CAN_Receive (CAN,CAN_FIFO0,&RxMessage);

//讀取FIFO0里面的數(shù)據(jù)

for(i=0;i

{

*receiveBUFF=RxMessage.Data[i];

receiveBuff++;

}

}

}

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

本采集系統(tǒng)采用STM32加專(zhuān)用計(jì)量芯片ATT7022E的設(shè)計(jì)方案，能精確測(cè)量各相電壓、電流、有功功率、無(wú)功功率、功率因數(shù)以及CF脈沖輸出等，有功測(cè)量滿(mǎn)足0.1 s、0.2 s，無(wú)功測(cè)量滿(mǎn)足1級(jí)、2級(jí)。已知電表基準(zhǔn)值為各相電壓有效值為220 V，各相電流為2.5 A，各相有功功率為550 W，功率因數(shù)為1，無(wú)功功率為0 var。表1為電能表實(shí)際測(cè)量值[12-15]。

表1 電能表測(cè)量值

由表中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，各相電壓有效值均為220 V，各相測(cè)量誤差接近于0%，A相、C相電流值為2.49A，誤差為0.4%，各相有功功率相對(duì)誤差為0.18%，無(wú)功功率為0 var,功率因數(shù)為0.999，基本接近于基準(zhǔn)值，誤差很小。因此電能表測(cè)量數(shù)據(jù)都在精度允許誤差范圍之內(nèi)，滿(mǎn)足國(guó)網(wǎng)公司對(duì)智能電表技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一款基于ATT7022E的多功能電力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，多功能高精度三相電能專(zhuān)用計(jì)量芯片ATT7022E可以完成三相三線(xiàn)或者三相四線(xiàn)模式下的電能質(zhì)量測(cè)量、有效值測(cè)量、有功計(jì)算、無(wú)功計(jì)算、視在計(jì)算、硬件端口檢測(cè)、片上溫度檢測(cè)、能量脈沖輸出、ADC采樣數(shù)據(jù)緩沖以及同步采樣數(shù)據(jù)緩沖等功能。MCU模塊采用STM32F103ZE芯片具有豐富的片上資源，可實(shí)現(xiàn)電力數(shù)據(jù)的大規(guī)模傳輸、處理與存儲(chǔ)。系統(tǒng)采用GPRS通信，實(shí)現(xiàn)了造價(jià)低、傳輸效率快、準(zhǔn)確性高的優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)軟件流程設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便、易于推廣。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)克服傳統(tǒng)電力數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性差、傳輸效率低、存儲(chǔ)受限、軟件算法復(fù)雜的缺點(diǎn)，展示了一款實(shí)時(shí)性高、采集容量大、傳輸效率高、體積小、造價(jià)低的多功能電力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，具有廣闊的發(fā)展前景。

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