引言

傳統(tǒng)的電力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)受限于有限的存儲(chǔ)空間和通信接口，存在精度不高、實(shí)時(shí)性差、采集信息量小等缺點(diǎn)，已無(wú)法滿足實(shí)際的電力系統(tǒng)調(diào)度與管理需要，本文提出的基于STM32的新型電力數(shù)據(jù)采集器充分利用了STM32豐富的片上資源，大大節(jié)約了硬件投資，利用STM32具有快速采樣的高性能ADC、先進(jìn)的電源及時(shí)鐘管理、雙看門狗等功能，從而大大增強(qiáng)了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性與可靠性，精度顯著提高，同時(shí)功耗大為降低。

本系統(tǒng)由模擬量與開關(guān)量采集模塊、通訊模塊以及上位機(jī)人機(jī)交互模塊組成，系統(tǒng)框圖如圖1所示。首先電壓、電流等模擬信號(hào)經(jīng)信號(hào)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(hào)，再由STM32進(jìn)行數(shù)據(jù)處理;開關(guān)量信號(hào)則通過(guò)I/O口輸入，STM32通過(guò)中斷或查詢方式進(jìn)行讀取。電力數(shù)據(jù)經(jīng)采集處理后，由液晶屏進(jìn)行顯示，同時(shí)進(jìn)行儲(chǔ)存以便對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢。為了使數(shù)據(jù)顯示更加直觀以及遠(yuǎn)程監(jiān)控，通過(guò)RS485與上位機(jī)通信。

圖1 系統(tǒng)原理

STM32F103ZE12位ADC為逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，各通道的轉(zhuǎn)換可以單次、連續(xù)、掃描或間斷模式執(zhí)行，轉(zhuǎn)換結(jié)果以左對(duì)齊或右對(duì)齊方式存儲(chǔ)在16位數(shù)據(jù)寄存器中。通道采樣時(shí)間可編程，總轉(zhuǎn)化時(shí)間可縮減到1μs，此外，多種轉(zhuǎn)換模式供選擇，支持DMA數(shù)據(jù)傳輸。本系統(tǒng)采用定時(shí)器觸發(fā)的同步注入模式，能夠?qū)Χ嗦沸盘?hào)進(jìn)行同步采樣。

STM32F103ZE具有5個(gè)USART串行通信接口，內(nèi)置分?jǐn)?shù)波特率發(fā)生器，發(fā)送與接收共用可編程波特率，最高達(dá)4.5Mbit/s，數(shù)據(jù)字的長(zhǎng)度、停止位均可設(shè)置。

此外，靈活的靜態(tài)存儲(chǔ)器控制器FSMC能夠通過(guò)同步或異步存儲(chǔ)器與16位PC卡接口相連，便于外擴(kuò)存儲(chǔ)器和液晶顯示屏。

數(shù)據(jù)采集包括對(duì)于模擬量與開關(guān)量的采集兩部分。

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1）模擬量數(shù)據(jù)采集

由于電力數(shù)據(jù)采集信號(hào)為高電壓信號(hào)和大電流信號(hào)，因此，首先要將其調(diào)理為滿足STM32F103ZEADC輸入范圍的電壓信號(hào)，以便進(jìn)入ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。各相電流信號(hào)經(jīng)電流互感器和電流變送器，各相電壓信號(hào)則通過(guò)電壓互感器和電壓變送器變換為低電壓信號(hào)，輸入到STM32的ADC模擬輸入通道，其幅值范圍為0～3.3V

2）開關(guān)量數(shù)據(jù)采集

STM32F103ZE的I/O口都可以配置為開關(guān)量輸入端口，并且通用的I/O可以配置到16個(gè)外部中斷線上。開關(guān)量輸入電路如圖2所示。開關(guān)量信號(hào)由IN端口輸入，電容C與電阻R構(gòu)成一階低通濾波器濾除高頻噪聲，減小信號(hào)的毛刺，采用光耦合器TLP521實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)開關(guān)量與STM32間的電氣隔離，提高電絕緣和抗干擾能力。

圖2 開關(guān)量輸入電路

為了實(shí)現(xiàn)電力數(shù)據(jù)采集歷史數(shù)據(jù)的查詢，系統(tǒng)擴(kuò)展了512MBit的NANDFLASH，選用了ST公司的NAND512-A芯片，每頁(yè)有512+16個(gè)字節(jié)，每塊有16K+512個(gè)字節(jié)，順序存取時(shí)間為50ns，頁(yè)編程時(shí)間為200μs。STM32的靜態(tài)存儲(chǔ)器控制器FSMC可以把外部存儲(chǔ)器劃分為固定大小為256M字節(jié)的4個(gè)存儲(chǔ)塊，其中存儲(chǔ)塊2和3可用于訪問(wèn)NANDFLASH設(shè)備，本電力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)利用FSMC的存儲(chǔ)塊2連接芯片NAND512-A。

系統(tǒng)采用5.6英寸的彩色液晶顯示器實(shí)現(xiàn)本地實(shí)時(shí)監(jiān)控，并提供良好的人機(jī)交互功能。利用STM32F103ZE的FSMC模塊控制液晶顯示器，即將液晶作為外部存儲(chǔ)設(shè)備來(lái)使用，配置好讀寫及控制信號(hào)的時(shí)序，指定指針即可實(shí)現(xiàn)對(duì)液晶的讀寫訪問(wèn)。利用這種方式，不僅簡(jiǎn)化了對(duì)液晶的操作，只需指定讀寫數(shù)據(jù)指針方可完成操作，而且提高了訪問(wèn)速度，同時(shí)，有效避免了用端口模擬時(shí)序訪問(wèn)液晶產(chǎn)生的“拉幕”現(xiàn)象。

系統(tǒng)采用MODBUS協(xié)議采用RS485通信方式，進(jìn)行電力采集數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離、高速傳輸。本系統(tǒng)選用了最高傳輸速率可達(dá)500Kbps的隔離型RS485通信芯片ADM2483，設(shè)計(jì)電路如圖3所示。該芯片采用限擺率驅(qū)動(dòng)器，較低擺率降低了不恰當(dāng)?shù)慕K端匹配和接頭產(chǎn)生的誤碼。ADM2483接收輸入具有真正的失效保護(hù)功能，驅(qū)動(dòng)器還具有短路電流限制，并可以通過(guò)熱關(guān)斷電路將驅(qū)動(dòng)器輸出置為高阻狀態(tài)，防止過(guò)度的功率損耗。

圖3 RS485通信電路

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采用英蓓特公司和ARM公司最近聯(lián)合推出的高效ARM開發(fā)環(huán)境RealviewMDK［10］為開發(fā)平臺(tái)。應(yīng)用程序包括主程序、數(shù)據(jù)采集及處理程序、串行通信程序3個(gè)主要部分。主程序主要負(fù)責(zé)對(duì)于系統(tǒng)時(shí)鐘、GPIO口、嵌套中斷的配置以及定時(shí)器、ADC和串行通訊模塊的初始化。

電壓有效值計(jì)算式如下：

式中：U為電壓有效值，n為每周期采樣點(diǎn)數(shù)，uk為第k點(diǎn)采樣電壓值。

電流有效值計(jì)算式為：

式中：I為電流有效值，n為每周期采樣點(diǎn)數(shù)，ik為電流采樣值。

當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)量達(dá)到512個(gè)字節(jié)后，進(jìn)行一次存儲(chǔ)，將數(shù)據(jù)存入NANDFLASH中，以便實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)查詢。同時(shí)，通過(guò)RS485通信STM32將存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)發(fā)送到上外機(jī)，通信流程圖如圖4所示。

圖4 通信流程

A、B、C三相分別接到市電220V，利用25W、40W、50W的燈泡作為三相負(fù)載，由本電力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測(cè)得數(shù)據(jù)如表1所示。

表1實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，運(yùn)行可靠，數(shù)據(jù)測(cè)量準(zhǔn)確、精度高且實(shí)時(shí)性較好，與傳統(tǒng)電力數(shù)據(jù)采集器相比具有顯著優(yōu)點(diǎn)。

本文介紹的電力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用ST公司的ARM芯片STM32F103ZE，芯片包含豐富的功能模塊，系統(tǒng)無(wú)需外擴(kuò)芯片即可實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)通信等功能，大大簡(jiǎn)化了硬件設(shè)計(jì)，節(jié)約了投資。靈活的靜態(tài)存儲(chǔ)器控制器FSMC便于系統(tǒng)擴(kuò)展存儲(chǔ)器以及連接液晶顯示屏。本系統(tǒng)具有功耗低、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，采用MODBUS協(xié)議通過(guò)RS485與上位機(jī)實(shí)時(shí)通信，傳輸數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性與可靠性顯著提高。隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，這種基于STM32的電力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將有更高的應(yīng)用價(jià)值和廣闊的市場(chǎng)前景。