基于A(yíng)RM和以太網(wǎng)的遠程電參數測量技術(shù)研究

摘要 針對目前各地用電及收費管理不便的問(wèn)題，文中研究了基于ARM和以太網(wǎng)的遠程電參數測量技術(shù)。該技術(shù)主要用于對電參數的采集和存貯。主控制器采用32位的ARM微處理器STM32F103V，接口硬件設計配合上位機顯示電參數。上位機采用LabVIEW的DataSocket枝術(shù)編寫(xiě)實(shí)現顯示功能。通過(guò)上下位機的結合，完成電能的計量，進(jìn)而方便收費管理。

關(guān)鍵詞 ARM;以太網(wǎng);電參數;SPI;LabVIEW;DataSocket

隨著(zhù)人們用電管理方式逐步、向著(zhù)更加智能、高效和網(wǎng)絡(luò )化的改善。文中結合網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，采用高性能的以太網(wǎng)控制芯片W5100，利用專(zhuān)用的電能計量芯片CS5460A研究了電參數的遠程傳輸。通過(guò)W5100嵌入以太網(wǎng)，可以實(shí)現數據的遠程傳輸，有效地將經(jīng)CS5460A采集的電流值、電壓值及功率值傳送至PC，較好地完成了電能計量和收費管理。

1 系統總體方案設計

設計采用Cirrus Logic公司專(zhuān)用的電能計量芯片CS5460A、WIZnet公司生產(chǎn)的以太網(wǎng)控制器W5100、ST公司推出的STM32F103V作為CPU，以及LCD顯示、網(wǎng)絡(luò )變壓器911105A、RJ45接口等。系統框圖如圖1所示。

2 系統硬件設計

2.1 W5100及CS5460A

W5100是一款多功能的單片網(wǎng)絡(luò )接口芯片，內部集成10/100以太網(wǎng)控制器，主要應用于高集成、高穩定、低成本的嵌入式系統中，可以實(shí)現沒(méi)有操作系統的Internet連接。W5100內部集成了全硬件的且經(jīng)過(guò)多年實(shí)踐驗證的TCP/IP協(xié)議棧，同時(shí)內部還集成有16 kB存儲器用于數據傳輸。

CS5460A是一個(gè)包含兩個(gè)△∑模數轉換器(ADC)、功率計算功能、電能到頻率轉換器、高速電能計算功能和一個(gè)串行接口的高度集成的△∑模數轉換器。它可以精確測量瞬時(shí)電壓，電流和計算有功電能、無(wú)功功率、瞬時(shí)功率、IRMS、VRMS，用于研制開(kāi)發(fā)單相、2線(xiàn)和3線(xiàn)電表。為便于與外部控制器間的信號傳輸，CS5460A集成有一個(gè)簡(jiǎn)單的三線(xiàn)穿行接口，該串口與SPITM兼容。

2.2 前端調理電路設計

利用互感器與精密電阻網(wǎng)絡(luò )組成的調理電路，將電壓和電流轉換成為芯片可以接受的小電壓、電流信號，該方案設計簡(jiǎn)單、精度高，且實(shí)現了芯片與電網(wǎng)隔離，保證了芯片的安全，硬件電路如圖2所示。

2.3 數據測量及采集

2.3.1 電流和電壓測量

CS5460A可以利用電壓互感器或組織比較大的分壓電阻測量電壓，使用價(jià)格比較低的電流互感器或分流器測量電流。

CS5460A具有功率計算引擎和電能-脈沖轉換雙通道ADC。電壓通道輸入引腳VIN±，兩端輸入一電壓信號波，經(jīng)10倍增益放大器放大，再通過(guò)2 nd△∑調制數字化。同時(shí)，電流通道輸入引腳IIN±兩端輸入一電壓信號波，為適應不同電平的輸入電壓，電流通道集成有一個(gè)增益可編程放大器(PGA)，使輸入電平量程可選為±250 m VRMS或±50 m VRMS。通過(guò)4th△∑調制器來(lái)數字化。兩個(gè)調制器的采樣速率為MCLK/8。

兩個(gè)通道都提供了一個(gè)可選的高通濾波器，加入信號通路，以在VRMS/IRMS有功功率之前除去電流電壓信號中的直流成分。

數字濾波器輸入字是基于DC偏移量調整和增益校準。校準后測量的瞬時(shí)電壓，電流是有效的。RMS值是利用最近的N格瞬態(tài)電壓/電流采樣值計算，這些值可以從IRMS和VRMS寄存器中讀出

2.3.2 功率測量

由電功率的基本定義可知：電功率等于電壓與電流的乘積

P=I×U (2)

式中，P為電功率;I為電流;U為電壓。

目前對電功率測量的方法有指針式功率表測量法和模擬乘法器測量法兩種。

指針式測量法測量簡(jiǎn)單、頻率響應低、精度低，且低功率因數的功率測量表價(jià)格較高。模擬乘法器測量法：采用專(zhuān)用的集成芯片進(jìn)行測量，精度高但整個(gè)儀表價(jià)格較高。由電功率的定義可知，以模擬量表示的電路消耗的功率為

式中，u，i分別為瞬時(shí)值;T為累積時(shí)間。為使電壓、電流信號能被STM32系統接收，必須對其進(jìn)行采樣，以離散量表示的電功率的表達式為

其中，△t為采樣間隔時(shí)間;N為采樣總次數;uk、ik為某一瞬時(shí)電壓和電流的采樣值。采樣的值必須經(jīng)過(guò)量化，即轉化為數字信號才能被計算機接收，采樣和量化的過(guò)程即為A/D轉換的過(guò)程。

另外，瞬時(shí)電壓/電流的采樣數據相乘，得到瞬時(shí)功率。N個(gè)瞬時(shí)功率平均計算出有功功率的值來(lái)驅動(dòng)電能脈沖輸出。

視在功率

S=VRMS×IRMS (5)

經(jīng)過(guò)對數據的測量和計算，把所得到的IRMS、VRMS，電流、電壓或電能的瞬時(shí)值分別寫(xiě)入不同的數據寄存器，等待主控制器STM32的讀取。

3 通信接口的軟件設計

上位機的軟件設計部分，采用LabVIEW的DataSocket技術(shù)編寫(xiě)，DataSocket能方便地實(shí)現測試中斷和現場(chǎng)儀器之間的數據交換，同時(shí)滿(mǎn)足時(shí)實(shí)行、安全性的指標要求。系統軟件流程圖如圖3所示。

3.1 客戶(hù)端接收服務(wù)器發(fā)出的數據

客戶(hù)端接收服務(wù)器發(fā)出的數據即DataSocket，讀取W5100內部寄存器所存儲數據的應用程序框圖如圖4所示。

數據經(jīng)服務(wù)器W5100上傳，經(jīng)DataSocket Read控件讀取再發(fā)送給遠程控制面板，先在DataSocket Read側說(shuō)明數據類(lèi)型，或由變體值數據轉換節點(diǎn)Variant ToData轉換數據類(lèi)型，并在PC顯示，所顯示數值與服務(wù)器端發(fā)送的所采集的數據一致，達到了遠程監控測試系統給的目的，同時(shí)用一個(gè)寫(xiě)測量文件(Write LabVIEWMeasurement File Express VI)來(lái)保存數據以方便存取和查看。在框圖里，“connection in”輸入的是W5100所保存的URL，而數值顯示控件顯示所測得的電參數。顯示和保存歷史數據程序框圖如圖5所示。

3.2 客戶(hù)端給服務(wù)器傳輸數據

寫(xiě)模塊的核心是DataSocket Write.vi，它在工作前需要指定URL地址，VI每次從上一步接收數據后形成數據包并發(fā)送到目的地址?？梢园淹ㄟ^(guò)DataSocket Read讀取到的并已經(jīng)保存的歷史數據經(jīng)DataSocket Write將數據寫(xiě)入到服務(wù)器，而服務(wù)器端則通過(guò)DataSocket Read從服務(wù)器上讀取遠程控制信號，然后根據控制信號功能實(shí)現不同的控制功能，進(jìn)行顯示并保存。程序框圖如圖6所示。

4 實(shí)現過(guò)程及設計結果

具體實(shí)現過(guò)程為：前端電路調理模塊把所輸入的大電壓信號轉變?yōu)镃S5460A可以接受的小電壓信號，以差模電壓或電流的形式輸入進(jìn)去，CS5460A根據采樣電路輸入的瞬時(shí)電壓、瞬時(shí)電流及瞬時(shí)功率由SPI串口傳送至主控制器STM32F103，電壓或電流信號通過(guò)STM32F103豐富的外圍接口進(jìn)行輸入或通過(guò)外部DataBus輸入，然后再用STM32處理器對傳輸的電流或電壓數據進(jìn)行預處理，再通過(guò)SPI接口把數據傳遞給W51 00芯片以完成網(wǎng)絡(luò )協(xié)議的處理，最后通過(guò)網(wǎng)絡(luò )連接端口把信號傳輸到PC機，從而實(shí)現遠程人機互動(dòng)。

5 結束語(yǔ)

以基于A(yíng)RM Cortex—M3的微處理器STM32F103VET6為主控制器，通過(guò)電量測量專(zhuān)用芯片CS5460A實(shí)現電量的精確測量，再利用以太網(wǎng)技術(shù)實(shí)現電量的監控，從而實(shí)現電參數的遠程傳輸。遠程電參數測量技術(shù)是測控領(lǐng)域發(fā)展的方向之一，各種新技術(shù)、新器件、新理論的出現和計算機網(wǎng)絡(luò )的飛速發(fā)展，將促進(jìn)遠程電參數測量技術(shù)的發(fā)展和應用。