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多功能电力仪表BF531的设计方案

信息来源: 维库开发网 发布时间:2012年9月29日

  近年来,随着我国经济和社会的发展,社会对电力的需求量与日俱增,电力供应局面日趋紧张,严重制约我国经济社会的发展。因此,电力系统正常、安全、高效的运行对于国民经济和社会的健康发展有着极为重要的意义。

  鉴于传统电力仪表测量参数单一,精确度低,自动化程度不高,维修管理困难的情况,研制一款新型高效、多功能电力仪表就显得十分必要。本文设计的多功能电力仪表不但能够详细记录电力系统运行过程中的各种电力参数,而且能够实时监测电能质量污染。文章接下来从硬件和软件两个方面介绍该电力仪表的研制方法。

  1 系统的总体设计及工作原理

  本文采用ADI公司的Blackfin系列中的BF531这款DSP(DIGITAL Signal Processor)作为主处理芯片、STM32F103 ARM芯片作为外围模块扩展的总体设计方案。高性能DSP处理器可通过AD73360转换电路取出采样的数据,完成F FT( F a s t Fo u r i e rTransform)变换和各种参数的计算、累加和显示等操作。ARM处理器主要用于红外模块,MODBUS协议等外围电路。其中,显示模块采用高清晰LCD,四行显示界面,使面板更加美观;RS-485通信接口的MODBUS协议,能够方便的实现与上位机的数据交换,实现智能化抄表,并且输入输出采用光耦隔离,有效地减少干扰,简化了电路设计,提高了性能和可靠性。

  主电路用来存储数据、程序,并进行一系列运算处理,它由BF5 3 1处理器及STM32F1 03处理器、SDRAM、FRAM、FLASH、I/O接口和定时/计数电路等芯片组成。键盘及LCD显示部分则构成人机交互的桥梁,RS485通信接口及红外模块则用来实现仪表与外部的数据交换功能。

多功能电力仪表的系统框图

图1-1 多功能电力仪表的系统框图

主体程序流程图

图4-1 主体程序流程图

  2 系统硬件电路设计

  (1)电压、电流测量传感器电路。

  传感器电路部分是整个测量系统的基础,它将输入电压电流信号转换为测量系统能够处理的小信号,供给主处理器进行运算、通信、显示等使用。对于这种小信号的转换主要通过电压互感器(PT)和电流互感器(CT)实现。

  由于该电力仪表测量的是三相交流电力参数,要求输入电压能够在较大范围内变化,故选用SPT2 0 4A电压互感器和SCT254A电流互感器来得到精度高、线形度好的5V输出交流电压[1].SPT204A是一款毫安级精密电压互感器,输入额定电压、电流为100V、2mA.

  电压互感器的工作原理是,其一次侧匝数和二次侧匝数相同,即N1=N2,输入和输出的电流相同。输入电压U1通过电阻R1限流,产生有效值为2mA的输入电流I1,耦合后在二次侧产生大小相同的电流I2.可调节LM358运算放大器反馈电阻R2的值得到所要求得电压输出值。电流互感器SCT254是一款精密电流互感器,变换器额

  定输入电流5A,输出电流2.5mA,用法与电压互感器相类似。CT的工作原理实际上和PT相同,只是其一次侧为电流线穿过,.在使用电流互感器时,次级回路严禁开路。因为如果次级开路,可能在次级感应出很高的电动势,损坏装置。1.2 A/D转换芯片AD7336

  A/D转换电路选取美国AD公司推出的AD73360作为采集芯片,AD73360为6通道16位芯片,各通道相互独立,可同时采样,无需CPU干涉,从而有效的减少了由于采样时间不同而产生的相位误差。各个通道的采样速率可以设置为8kHZ、16kHZ、32kHZ、64kHZ,每个通道的可以允许从直流到4kHz的模拟信号通过,由于各个通道

  内置的抗混叠滤波器,所以对其输入端混叠滤波器的要求大为降低,而仅需要简单的一阶RC滤波器即可。

  (2)存储器的选择。由于BF531片内有148KBytes的片内存储器,但是对于数据量庞大的FFT计算及多功能电力仪表的监控程序、中断处理(服务)程序以及各种算法的功能模块来说显然是不够得,必须外扩SDRAM和F LASH.本系统采用的是HY57V641620HG芯片,他是一款高性能CMOS型1M*16Bit SDRAM,数据存储器与DSP的接口比较简单,其读写信号以及数据线和地址线分别与DSP的一一对应连接即可。程序存储器选择M25P80芯片,该芯片的容量为8M bit,采用SPI接口,最大传输速率为40Mhz,可以满足处理器对数据的存取处理的需求。

  (3)外部通信接口。RS485串行通讯总线标准及接口技术已广泛应用于工业控制、仪器、仪表、多媒体网络、机电一体化产品等诸多领域。由于RS485具有性能优异,特别是在要求远距离传输的应用中。RS485接口标准主要是用于多站互联[2].RS485协议的技术指标:传输速率最大为10Mbit/s;最大距离为1200m;高阻抗抗噪声的差分(有补偿线)传送;最高为32个节点;单组双绞线电缆上的双向主从通信;并行连接的节点、多工通信。

  (4)按键与显示模块本装置中共有4个按键": ↑","↓","确定","返回",装置中所有参数设置和翻屏操作都需要用这4个按键来完成。考虑到按键操作的频繁,STM32F103单片机有丰富的I/O接口,所以用带中断功能的P1口采用中断方式来进行按键编程,为遵循尽量减少外围器件的原则,消抖处理通过软件来实现。

  本模块设计采用图形点阵液晶显示模块OCM12864.OCM12864中文液晶显示模块液晶屏幕为128*64点,可显示四行,每行可显示8个汉字。其字型ROM内含8192个16*16点的中文字型和128个16*8点的半宽字母符号字型。绘图显示R AM提供64*32BYTE空间、最多控制256*64点的二维绘图缓冲空间,绘图显示画面提供一个64*256点的绘图区域。

  3 系统主体程序设计

  程序设计是针对系统整体而进行的。

  整体程序分为几个主要程序块[3].即对DSP(BF531)的初始化程序,I/O初始化、存储器初始化、A/D初始、LCD初始化、数据采集和数据处理子程序、按键处理子程序、时钟初始化部分等。初始化之后显示开机画面,然后显示各种电力参数值,再根据是否有按键执行相应的中断子程序。

  4 结语

  本文以BF531 DSP芯片作为主处理器,完成硬件的总体设计,并在其平台上高效地实现电力系统中各相电压与电流的直流分量、电压与电流的有效值、功率、功率因数、费率、频率、模拟量、报警量输出等传统电力仪表的各种测量与计量,同时达到电网电压和电流谐波状况分析、电压波动分析等高端专用监测仪器的部分功能。以STM32F103 ARM芯片作为辅助模块设计,基本实现红外线抄表及RS485通信接口与上位机进行数据交换,将电网运行参数和系统运行状态的数据输出等功能。

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