王 婧，宋曉茹,高 嵩，王 坤

(西安工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院，西安 710021)

0 引言

隨著社會的不斷進(jìn)步，電已經(jīng)成為人們生活中必不可少的一部分，電是人類文明中一項偉大的發(fā)明，電力系統(tǒng)和電力網(wǎng)的發(fā)展是人類關(guān)注的焦點，這么長時間以來，各國的專家已經(jīng)研究了很多關(guān)于這方面的問題，也發(fā)表了很多論文，這足以說明電力系統(tǒng)的重要性，也是一個國家發(fā)展和創(chuàng)新的動力。

在傳統(tǒng)的信息量小精確度低的有限的電力數(shù)據(jù)采集存儲空間下，沒有辦法來滿足在實際情況下電力系統(tǒng)調(diào)度和管理的需要[1]。本文在交流采集系統(tǒng)下運用STM32芯片[2]。最大程度上利用其片上的豐富資源進(jìn)行設(shè)計，目的是達(dá)到節(jié)省硬件的投資。該芯片內(nèi)部功能模塊豐富，可以直接實現(xiàn)AD轉(zhuǎn)換，對數(shù)據(jù)進(jìn)行高速采集和處理[3]。簡化了硬件設(shè)計，節(jié)約了投資。利用 ARM 捕獲功能和定時器里的計時功能獲得發(fā)電機的頻率，提高了精確度[4]。并且還實現(xiàn)了對采集到的交流信號進(jìn)行快速傅里葉變換[5-6](fast fourier transform, FFT)進(jìn)而計算出更加精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)和對諧波的分析。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較簡單，具有可靠性高、低成本、低功耗等優(yōu)點，適合實時現(xiàn)場操作，具有較高的應(yīng)用價值[7]。

1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計和原理分析

1.1 系統(tǒng)整體方案

本課題設(shè)計的勵磁控制系統(tǒng)[8-9]的交流采樣[10]系統(tǒng)是對機端及電網(wǎng)交流電壓的檢測環(huán)節(jié)，利用ARM微控制器的定時器，測得發(fā)電機頻率，得出A/D轉(zhuǎn)換器的采樣周期；對發(fā)電機的機端電壓進(jìn)行高速交流采樣，然后經(jīng)過快速傅立葉變換算法，計算出機端電壓[11-12]。

系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1 硬件系統(tǒng)框圖

1.2 交流采樣原理

在自動勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)的測量系統(tǒng)中，應(yīng)用交流采樣法測量工頻電壓、電流、功率等電參數(shù)十分廣泛。交流采樣法[13]一般是先通過采樣把時域上連續(xù)的信號變成時域上離散的信號。所謂采樣就是對一個連續(xù)信號以一定的時間間隔取其瞬時值。具體是通過采樣/保持器和A/D轉(zhuǎn)換器來實現(xiàn)將連續(xù)信號x(t)變成數(shù)字信號x(nTs)，然后利用計算機或微處理器進(jìn)行信號的數(shù)字處理。信號雖然已經(jīng)離散化和量子化，但只要滿足一定的條件，仍能包含被采樣信號所載有的信息。采樣定理就是規(guī)定不失真恢復(fù)原信號所要滿足的條件。

1.3 FFT算法

傅里葉變換實現(xiàn)了時域到頻域的轉(zhuǎn)換，在信號處理技術(shù)領(lǐng)域有著大量應(yīng)用。計算機只能處理有限長的離散時間序列，所以必須對一個連續(xù)的變化模擬信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換，也就是模擬信號數(shù)字化。

如式(1)和(2)為有限長序列的離散傅里葉變換定義。

正變換：

0?k?N-1

(1)

反變換：

0?n?N-1

(2)

使DFT運算中有些項加以合并，達(dá)到減少運算量的效果。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 電源電路模塊

電源電路模塊流程圖見圖2。

圖2 電源電路模塊流程圖

本設(shè)計中需要單獨的電源供電，所以需要焊接一個電源電路。LM358、LM324等芯片需要+5 V、-5 V電源，還有部分電路用到+1.65 V電源，因為STM32F103RCT6主控單元只提供3.3 V電壓，所以需要設(shè)計一個可以供這些電的電源電路。見圖3。

圖3 電源電路

經(jīng)過整流橋整流過的電壓還不夠穩(wěn)定，所以接入一個較大容量的電解電容，利用其充放電特性的作用，使整流后的脈動直流電壓變成相對比較穩(wěn)定的直流電壓。電解電容的參數(shù)一般有兩個,一個是電解電容的容量,一個是它對應(yīng)的最大工作電壓，電壓一般選擇前一級同一線路電壓的2到3倍即可。

接入這兩種電容的作用：因為通過整流橋整流過后的波形是鋸齒波，為了讓其變?yōu)槠椒€(wěn)順滑的脈動波,并且接近于直流,所以接入它們起到濾波的作用;還有一個儲電的作用,需要釋放的時候進(jìn)行釋放。

圖4為加法器基準(zhǔn)電壓電路圖，電壓、電流采集電路中需要用到+1.65 V作為加法器的基準(zhǔn)電壓。+3.3 V的電壓經(jīng)兩個10 K的電阻分壓，生成+1.65 V的電壓，然后經(jīng)過電壓跟隨器進(jìn)行隔離，之后，再經(jīng)過濾波，得到+1.65 V電壓了。

圖4 加法器基準(zhǔn)電壓

2.2 交流電壓采集電路

采集發(fā)電機機端交流電壓Ua、Ub、Uc，定子交流電流Ia、Ib、Ic等模擬量，計算出發(fā)電機定子電壓、發(fā)電機定子電流等。交流采樣技術(shù)是微機勵磁的關(guān)鍵技術(shù)和勵磁裝置數(shù)字化深度的標(biāo)志之一。因為同步發(fā)電機輸出高電壓，危險系數(shù)大，而且大數(shù)據(jù)不方便采集，所以為了人身安全，為了準(zhǔn)確便利的測量，所以在本設(shè)計中接入了傳感器，來讓它變?yōu)樾‰妷?、小電流。影響AD采樣的因素有分辨率、最小采樣單位值、量程、電源噪音等。

交流電壓采集流程圖見圖5。

圖5 交流電壓采集流程圖

2 kW同步發(fā)電機輸出的機端電壓信號先是輸電機電壓、電壓互感器的二次電壓轉(zhuǎn)換成與原信號在數(shù)量上成正比，但幅值較低的交流電壓，并聯(lián)一個電阻，把它變成正負(fù)1 V小幅值電壓；再加入RC濾波電路，濾除大于3*標(biāo)準(zhǔn)50 Hz=150 Hz的高頻信號；為了使±1 V電壓平穩(wěn)小誤差的輸入到比例放大器，本課題加入LM358進(jìn)行緩沖隔離；然后信號通過LM324放大器放大為-1.65 V-+1.65 V；通過加法抬升電路將電壓抬升為0～3.3 V。最后加上兩個肖特基二極管，肖特基二極管有快速導(dǎo)通的特性，起到鉗位作用，保證輸入STM32F103RCT6的電壓在一定范圍內(nèi)。交流電壓采集電路見圖6。

圖6 交流電壓采集電路

本設(shè)計采用的是SPT204A電壓互感器，SPT204A電壓互感器的額定輸入電流為2 mA，額定輸出電流為2 mA，變比為1:1,它其實是一款毫安級的精密電流互感器，用戶使用時需要將電壓信號變換成電流信號，左邊的R78電阻是一個限流電阻，不論額定輸入電壓多大，調(diào)整R78電阻的阻值，使額定輸入電流為2 mA,就滿足使用條件。因為STM32F103RCT6主控單元只獲取電壓信號，這時電流互感器相當(dāng)于一個電流源，給它并一個電阻，就變成了一個電壓源，相當(dāng)于電壓信號。然后可以通過歐姆定律計算出需要并聯(lián)一個500 Ω的電阻，這樣就變成電壓信號了。

3 軟件設(shè)計

主程序是本次設(shè)計的核心。為了實現(xiàn)本設(shè)計的功能，軟件部分是該設(shè)計的主要部分，尤其是各個算法的理解應(yīng)用，是本設(shè)計的重點和難點。軟件部分是根據(jù)硬件系統(tǒng)來進(jìn)行設(shè)計的。本設(shè)計擬采用Keil 5 MDK集成開發(fā)工具，遵循結(jié)構(gòu)化、模塊化、自頂向下、逐步細(xì)化的設(shè)計思想編寫C語言程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的相關(guān)功能。后期再通過反復(fù)試驗、調(diào)試，從而達(dá)到最佳控制發(fā)電機的機端電壓的效果。本課題主要實現(xiàn)交流采集系統(tǒng)軟件部分的設(shè)計。主程序流程圖如圖7所示。

圖7 主程序流程圖

當(dāng)系統(tǒng)上電后，首先是系統(tǒng)的初始化，初始化完成后再通過IIC總線將電壓值、報警值、PID的三個參數(shù)的初始值存儲在外部存儲模塊AT24C02中，以便于可以隨時進(jìn)行修改它們的值，利用定時器的外部計數(shù)法進(jìn)行同步測頻，得出AD轉(zhuǎn)換的采樣周期，通過香農(nóng)采樣定理將采到的模擬量送給AD轉(zhuǎn)換器得到數(shù)字量由DMA通道讀取電壓采樣值，通過FFT運算獲取有效值，并且由TFT實時顯示波形值及電壓值。當(dāng)測量的電壓值大于報警值時，會進(jìn)行報警，符合的話進(jìn)行下一次采樣。

3.1 電壓采樣子程序

本設(shè)計PA4作為模擬量輸入采集端口，采樣的過程是先對電壓采集10次后，得到10次的電壓總和，求平均值(value=value/10)，求出的平均值進(jìn)行量綱轉(zhuǎn)換(ad_v=value*3.3/4095)得到ad_v。

在進(jìn)行數(shù)據(jù)流操作時，要想把CPU程序的花費時間少一點，那就用DMA來讀取。DMA的作用就是保證了I/O口和內(nèi)存以及內(nèi)存與內(nèi)存彼此數(shù)據(jù)間的傳輸能夠高速地進(jìn)行。DMA是一種直接存儲設(shè)備。它在數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中也不需要CPU有任何的指示，數(shù)據(jù)能夠在DMA上很快的移動。這樣的話就可以解放CPU來干別的工作。通過初始化DMA和ADC相關(guān)寄存器，使得ADC采樣結(jié)束之后，DMA自動讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果，并將其存放到事先指定的區(qū)。

流程圖在描述ADC的時候可以看出，采集數(shù)據(jù)，采用多通道AD采樣的DMA傳輸，首先需要配置ADC功能引腳，然后配置多通道ADC功能，接著配置DMA通道，使能ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果從外設(shè)到內(nèi)設(shè)，開始啟動ADC轉(zhuǎn)換功能，對各通道的連續(xù)采樣結(jié)果取平均值，最后轉(zhuǎn)換采樣結(jié)果。

ADC的工作參數(shù)具體如下：打開ADC外設(shè)時鐘；使用ADC1，所有模式配置為獨立模式；多通道采集，開啟掃描模式；需要不斷的采集外部的模擬數(shù)據(jù)，所有使能連續(xù)轉(zhuǎn)換模式；不使用外部觸發(fā)轉(zhuǎn)換信號；轉(zhuǎn)換結(jié)果右對齊；設(shè)置需要轉(zhuǎn)換的通道的個數(shù)，最后調(diào)用ADC_Init()函數(shù)把這些參數(shù)寫入ADC的寄存器完成配置。

3.2 存儲模塊

因為STM32F103RCT6中自帶的內(nèi)部存儲器，程序一旦被燒錄進(jìn)去，就不能更改。但是在采集過程中，需要在線修改一些參數(shù)值。外部存儲模塊可以設(shè)定修改一些變量值，并且也用來存儲電壓報警值等。將STM32F103RCT6的PB6管腳連接至存儲芯片的SCL管腳，PB7連接至SDA管腳，分別為IIC的時鐘輸入輸出和數(shù)據(jù)輸入輸出。

本設(shè)計應(yīng)用的是AT24C02芯片進(jìn)行存儲。主要儲存PID參數(shù)、電壓設(shè)定值和報警值等數(shù)據(jù)。AT24C02是本實驗板中的EEPROM芯片的SCL及SDA引腳連接到了STM32對應(yīng)的I2C引腳中，結(jié)合上拉電阻，構(gòu)成了I2C通訊總線，它們通過IIC總線交互。IIC總線是遵從IIC總線協(xié)議的一個雙向半雙工通訊接口，在STM32內(nèi)部已經(jīng)集成好，通過對內(nèi)部寄存器的配置，可以直接使用IIC進(jìn)行通信，由管腳自動產(chǎn)生時鐘信號、開始信號、結(jié)束信號，并處理應(yīng)答信號。在IIC總線上可掛載多個從機，通過尋址找到各個從機的“位置”。由時鐘線SCL和數(shù)據(jù)線SDA組成。SDA通信協(xié)議中有三個不可缺少的信號分別是開始信號、答應(yīng)信號、結(jié)束信號。開始信號：SCL為1，SDA由1變0被定為開始信號，標(biāo)志開始傳輸數(shù)據(jù)。答應(yīng)信號：在8位數(shù)據(jù)傳輸完后，SDA上的一個低電平，被視為答應(yīng)信號。結(jié)束信號：SCL由0變1被視為結(jié)束信號，表示此次傳輸完成。EEPROM芯片是7位設(shè)備地址，其中高4位是固定的分別為1010b，低3位則由A0/A1/A2信號線的電平?jīng)Q定，R/W是讀寫方向位，與地址無關(guān)。

數(shù)據(jù)存儲和讀取子程序主要是IIC總線對AT24C02的讀取和寫入數(shù)據(jù)。本次存儲的是一些系統(tǒng)的參數(shù)，因此在存儲前需要將十進(jìn)制的數(shù)字轉(zhuǎn)化為ASCII碼，然后通過IIC總線寫字節(jié)函數(shù)向AT24C02寫入數(shù)據(jù)，寫入數(shù)據(jù)完成時清零數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，防止出錯。根據(jù)設(shè)計要求在下一次顯示中需要顯示之前存儲的參數(shù)，因此通過IIC讀取函數(shù)讀出存儲的參數(shù)值，比較讀取值與輸入值是否相同，相同則顯示該數(shù)據(jù)，若不相同則在LCD上顯示F提示錯誤。

3.3 頻率計算子程序

STM32常用的測頻方法有利用外部中斷測頻、PWM輸入測頻、輸入捕獲測頻、外部時鐘計數(shù)器。外部中斷測頻是當(dāng)外部中斷到來時啟動定時器為1秒的定時器，并記錄1秒鐘來了幾個脈沖，則可得到頻率。外部中斷測頻編寫容易，通用性強，缺點是中斷進(jìn)入頻繁，誤差大。在低頻可達(dá)到非常高的測頻精度，尤其在10 Hz時可達(dá)到0.01%的精度。

本設(shè)計中的同步測頻單元，有兩種設(shè)計方法，一種是硬件設(shè)計;另一種是軟件設(shè)計。參考大量文獻(xiàn)之后，發(fā)現(xiàn)硬件設(shè)計外圍電路雖然簡單，但是不好實現(xiàn)，不方便計數(shù)，浪費時間和物力。相較之下，軟件設(shè)計更快捷一點，利用 ARM 捕獲功能和定時器里的計時功能獲得發(fā)電機的頻率。本次設(shè)計一個周期內(nèi)打64個點，測得的采樣頻率應(yīng)該是50*64=3 200 Hz。

3.4 顯示部分和按鍵處理

本設(shè)計選用MCUDEV_TFT 1.44彩屏，通過按鍵控制來顯示三相電壓值，設(shè)置的電壓報警值，PID參數(shù)值以及實時采集電壓的正弦波形。此款彩屏可以根據(jù)中文字庫顯示多種字符，有很快的寫入速度，能滿足本系統(tǒng)對實時性的要求。

執(zhí)行主函數(shù)時不斷的掃描鍵盤，如果有鍵按下，程序就轉(zhuǎn)去執(zhí)行判斷鍵值并執(zhí)行相應(yīng)的程序。按鍵輸入程序是讀取外部按鍵的信號輸入，然后判斷信號是否消失，如果信號消失則證明按鍵松開，根據(jù)鍵值執(zhí)行相應(yīng)的功能；若信號沒有消失則繼續(xù)等待。

在本設(shè)計中，只要四個按鍵就可以滿足實驗要求，MENU按鍵的功能就是切換LCD屏幕，PLUS的功能是用來設(shè)定電壓、報警、PID值，SHIFT就是對光標(biāo)進(jìn)行左右移動，UPDOWN的功能是移位。這四個按鍵分別通過PA8，PA9，PA10，PA13與STM32控制器相連接。數(shù)值增加鍵在每一次操作完成后都會將對應(yīng)的參數(shù)儲存到24c02中，MENU將使程序跳出設(shè)置執(zhí)行其他部分。

3.5 聲光報警

當(dāng)交流采集單元收集的三相電壓值大于規(guī)定的報警電壓值時，產(chǎn)生一個電平信號并輸出到報警模塊，蜂鳴器將會發(fā)聲，LED燈發(fā)光表示超出上限值。本設(shè)計的PA1和PA2是一個聲光報警接口，兩個接口分別接蜂鳴器和LED燈。

4 實驗驗證

本次設(shè)計對于系統(tǒng)的搭建，選擇了先規(guī)劃整體系統(tǒng)布局后模塊焊接的設(shè)計模式。首先是對STM32F103RCT6單片機最小系統(tǒng)的設(shè)計，讓單片機可以正常工作；然后是搭建電源電路，經(jīng)過電源電路把220V電壓轉(zhuǎn)換成需要的電壓；接著設(shè)計交流采集模塊，最后搭建聲光報警、按鍵電路、外部儲存電路以及顯示模塊。

電源電路因為要先通過一個220/12 V的帶中間觸頭的變壓器，將電壓變?yōu)?2 V，所以就用萬用表先測試了變壓器三端的電壓，并用示波器觀察了它的波形、幅值、周期等。用示波器測得的變壓器兩端的測試情況，測得電壓幅值是正負(fù)36 V，周期為24.80 ms，所以計算得到它的有效值大約為25.46 V，在24 V左右，在電壓范圍之內(nèi)；然后依次測試了其他兩端的示波器顯示結(jié)果，波形和這個圖差不多，測得電壓幅值是正負(fù)17 V，周期為25.00 ms，所以計算得到它的有效值大約為12.02 V，在12 V左右，在電壓范圍內(nèi)。

交流電壓采集模塊，通過傳感器獲得交流電壓模擬量，然后通過一系列轉(zhuǎn)化，傳入到STM32F103RCT6單片機的ADC接口中，進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，把模擬量轉(zhuǎn)變成數(shù)字量。

按鍵顯示模塊設(shè)計有4個按鍵，都是低電平觸發(fā)，MENU按鍵的功能就是切換LCD屏幕，PLUS的功能是用來設(shè)定電壓、報警、PID值，SHIFT就是對光標(biāo)進(jìn)行左右移動，UPDOWN的功能是移位。系統(tǒng)通入電源后，顯示出測得的三相電壓值。如圖8所示。單片機自帶的TFT顯示屏通過操作按鍵可以顯示出三個界面。第一個界面是實時采集的三相相電壓值、電壓設(shè)定值、頻率，第二個界面是實時采集的交流電壓正弦曲線，第三個界面是電壓設(shè)定值、報警值。這個模塊實現(xiàn)對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，等到采集到之后，需要分別進(jìn)行量化處理才能輸出給上位機。

圖8 顯示調(diào)試

5 結(jié)束語

同步發(fā)電機勵磁控制系統(tǒng)主要由交流采集和移相觸發(fā)脈沖兩部分構(gòu)成，所以一個良好的交流采集系統(tǒng)對同步發(fā)電機勵磁控制系統(tǒng)的運行有著很重要的意義和作用。本文介紹的交流交流采集系統(tǒng)使用ARM芯片STM32，該芯片內(nèi)部功能模塊豐富可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行高速采集和處理并且直接實現(xiàn)AD轉(zhuǎn)換。簡化了硬件設(shè)計，節(jié)約了投資。利用 ARM 捕獲功能和定時器里的計時功能獲得發(fā)電機的頻率提高了精確度。實現(xiàn)了對采集的交流信號進(jìn)行FFT處理，計算更精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)及諧波分析。這種基于STM32的交流電壓采集系統(tǒng)有很高的應(yīng)用價值和廣闊的市場前景。本次交流采集系統(tǒng)還可以把它往智能化方向發(fā)展，比如可以實現(xiàn)人機界面交互式，人們可以通過電腦遠(yuǎn)程控制同步發(fā)電機進(jìn)行交流采集，這樣不僅可以節(jié)省資源，也可以使交流采集系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計更簡單，更可靠，更安全。