基于STM32的電能質(zhì)量檢測技術(shù)研究
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摘要： 目前國內外已有多種檢測電能質(zhì)量的方法， 介紹了一種基于A(yíng)RM Co rtex- M3 內核的32 位處理器STM32 內嵌式智能儀器模式設計的方案。利用STM32 內置A/ D 以及ATT7022B 芯片對信號進(jìn)行多通道采集， 對各電能參數進(jìn)行檢測和分析。運用處理器自帶的SD 卡和U SB 接口對所測大量數據進(jìn)行存儲和傳輸， 并通過(guò)彩色液晶屏實(shí)時(shí)顯示所測數據， 檢測設備間通過(guò)2. 4 G 無(wú)線(xiàn)通信模塊進(jìn)行數據交換。實(shí)際運行表明該設備操作簡(jiǎn)單、技術(shù)指標完全符合國家相關(guān)標準， 具有較好的應用、推廣價(jià)值。
0 引言
近些年來(lái)， 隨著(zhù)現代化工業(yè)設備和民用電器設備的普及， 電力用戶(hù)對供電質(zhì)量的要求越來(lái)越高。特別是大量非線(xiàn)性電力負荷用到日常生活和工業(yè)生產(chǎn)中， 使得公用電網(wǎng)中的電能質(zhì)量問(wèn)題愈顯凸出， 已經(jīng)嚴重影響了電能供應質(zhì)量。因此， 根據國家電能質(zhì)量檢測標準， 有必要對電網(wǎng)供電的各項參數進(jìn)行測試， 分析電網(wǎng)的電能質(zhì)量。
國內外已有不少方法對電能質(zhì)量進(jìn)行檢測。但是傳統的基于8、16 位的單片機的電能檢測設備存在處理速度慢， 硬件結構不夠完善等缺點(diǎn)。而當下比較流行的運用DSP 處理器的電能檢測設備， 雖然其處理速度快、精度高，但是成本較高、功耗大， 不利于大規模的推廣。本文提出一種基于STM32 芯片以?xún)惹度胧街悄軆x器模式設計的方案。STM32 具有杰出的功耗控制及眾多外設。設計時(shí)可充分利用其豐富的片上資源， 大大節省了硬件的投資。
利用STM2 內置的A/ D 可對信號進(jìn)行高速采集和處理，其自帶的USB 接口可對數據進(jìn)行快速傳輸， 以及通過(guò)電阻式彩色觸摸屏T FT 對相關(guān)數據進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示等。系統具有設計結構簡(jiǎn)單、攜帶方便、低成本、低功耗、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)， 適合實(shí)時(shí)現場(chǎng)操作， 具有較高的應用價(jià)值。
1 電能質(zhì)量檢測設備總體設計方案
本電能質(zhì)量檢測系統的主要設計思路是： 根據國家制定的電能質(zhì)量相關(guān)標準對系統進(jìn)行設計、開(kāi)發(fā)， 系統框圖如圖1 所示。通過(guò)高精度的模擬信號采集電路對公用電網(wǎng)的電壓、電流進(jìn)行采集; 通過(guò)FFT 算法對諧波進(jìn)行檢測分析， 以及運用電能檢測芯片對電壓幅值、電流值、功率因素等一系列參數進(jìn)行檢測; 最后將測試結果顯示在液晶屏幕上， 同時(shí)將數據存儲在SD 卡上， 檢測設備之間可以通過(guò)2. 4 G 無(wú)線(xiàn)通信模塊進(jìn)行數據交換， 還可運用U SB 通信接口傳輸實(shí)時(shí)的數據到上位機， 以便上位機對數據進(jìn)行存儲和分析。
圖1 系統框圖
2 硬件設計
2. 1 STM32 處理器介紹
本系統采用的是由意法半導體公司推出的基于A(yíng)RMCor tex??M3 內核的STM32F103RBT 6 增強型32 位處理器。其工作頻率為72 MHz, 內置高速存儲器( 高達128 K字節的閃存和20 K 字節的SRAM) , 豐富的增強型I/ O 端口和聯(lián)接到2 條APB 總線(xiàn)的外設。包含2 個(gè)12 位的A/D、3 個(gè)通用16 位定時(shí)器和1 個(gè)PWM 定時(shí)器， 還包含標準和先進(jìn)的通信接口： 多達2 個(gè)IIC 接口和SPI 接口、3 個(gè)USART 接口、一個(gè)USB 接口和一個(gè)CAN 接口。STM32較市場(chǎng)上同種類(lèi)的單片機具有價(jià)格低、功能強、使用簡(jiǎn)單、開(kāi)發(fā)方便等優(yōu)勢。
2. 2 電能數據采集模塊設計
對于前端電壓電流的采集選用高精度的電壓電流互感器。其體積小、精度高、全封閉、機械和耐環(huán)境性能好，電壓隔離能力強， 安全可靠且工作頻率范圍在20 Hz ~20 kHz。運用互感器將大電壓電流信號轉換成小信號， 再通過(guò)分壓將其轉換成STM32 的A/D 輸入通道的合理電壓輸入范圍( 0~ 3. 3 V ) 。
2. 3 電能數據處理模塊
電能數據處理主要分為2 個(gè)模塊， 即諧波采集、分析模塊和AT T 7022B 高精度三相電能專(zhuān)用計量芯片模塊。
是通過(guò)STM32 處理器內置的A/ D 轉換器對采集的信號運用FFT 算法進(jìn)行諧波處理和分析。該模數轉換器是12 位的逐次逼近型的， 多達18 個(gè)通道， 可測量16 個(gè)外部和2 個(gè)內部信號源。各通道的A /D 轉換可以單次、連續、掃描或間斷模式執行。A/D 的結果可以左對齊或右對齊方式存儲在16 位數據寄存器中。其模擬看門(mén)狗特性允許應用程序檢測輸入電壓是否超出用戶(hù)的高/ 低閥值。
該設計是運用STM32 內置A/ D 的同步規則模式將所測得的數據通過(guò)DMA 傳輸， 以節省CPU 資源。
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