基于A(yíng)RM7TDMI的配電綜合測控儀的設計與實(shí)現

0 引言

　　為了能對大量負荷進(jìn)行在線(xiàn)監控。很多公司較早地研制了基于單片機技術(shù)，能對配電變壓器或配電線(xiàn)路負荷運行參數、電容器投切、電量采集等進(jìn)行綜合監控的配電綜合測控儀。但是，由于供電系統負荷的復雜性，特別是用戶(hù)非線(xiàn)性負荷的大量使用，企業(yè)對諧波等電能質(zhì)量問(wèn)題越來(lái)越重視，因此，對配電綜合測控儀的要求也隨之提高，而且普遍要求增加諧波、頻率監測和通信組網(wǎng)等功能。為了解決這些問(wèn)題。本文以PHILIPS公司的ARM7芯片LPC2220FBD144為核心，研制出了新一代的配電綜合測控儀。

1硬件電路設計

　　1.1硬件電路總體結構

　　本裝置的硬件結構框圖如圖1所示，它主要由數據采集、運算處理、數據存儲、鍵盤(pán)顯示、通信接口等單元組成。其中運算處理單元是核心部分，用于實(shí)現數據信號處理、快速傅立葉變換(FFT)等功能?？紤]配電綜合測控儀要求的運算速度、精度、硬件資源等需要，本設計選擇了PHILIPS公司的LPC2220FBD144型ARM7芯片。

　　該LPC2220FBD144芯片是LPC2200系列中性?xún)r(jià)比較好的一款ARM7芯片，采用LQFP封裝，四條邊上各有36個(gè)引腳。該芯片具有改進(jìn)的馮諾依曼結構(指令和數據共用一條32位總線(xiàn))，采用三級流水線(xiàn)，可以同時(shí)進(jìn)行幾個(gè)操作，并能使外處理和存儲器系統連續操作。該芯片內嵌高達256KB的高速閃爍存儲器、64 KB靜態(tài)RAM、32位的算術(shù)邏輯單元、32位累加器、64位的乘法器以及精簡(jiǎn)指令集，其指令最短周期可以達到17 ns。這些特點(diǎn)使它的操作非常靈活，處理能力強并且速度快。由于其應用程序可以固化在CPU內部，因而不但可以降低成本、減少體積，系統升級也比較方便，而且它的功耗低、資源配置靈活，非常適用于生產(chǎn)現場(chǎng)的數據采集和處理。 1.2數據采集電路

　　本系統中的數據采集電路由PT與CT、信號整理和A／D轉換三部分組成，實(shí)時(shí)電流和電壓經(jīng)過(guò)PT、CT以及信號整理電路后，可變成0～3.3 V的模擬信號，然后經(jīng)模擬轉換電路完成數字化處理。數據采集部分的硬件電路如圖2所示(6路采集電路中的一路Ua)。

　　根據測量諧波等參數和數字抗頻率混疊的要求，本裝置對信號波形按每個(gè)周期128點(diǎn)進(jìn)行采樣，采樣周期為156μs。ARM7內部的A／D是8路輸入的10位逐次逼模一數轉換器，由于它可以對電流和電壓進(jìn)行同步采樣，而且精度比較高，所以本設計沒(méi)有再使用其它外圍A／D芯片。

　　1.3存儲器和時(shí)鐘電路

　　存儲器主要由三星公司的NAND FLASH存儲器芯片組成.NAND FLASH是容量為16 MB的非易失閃爍存儲器芯片，可用于存放采集來(lái)的數據和已備上傳的歷史數據。

　　時(shí)鐘采用PHILIPS公司的PCF8563芯片。該芯片具有低功耗CMOS實(shí)時(shí)時(shí)鐘／日歷，而且外圍接口簡(jiǎn)單，精度和可靠性高，工作穩定。芯片最大總線(xiàn)速度為400 kbits／s，每次讀寫(xiě)數據后，其內嵌的字地址寄存器會(huì )自動(dòng)產(chǎn)生增量。PCF8563有16個(gè)8位寄存器，并有可自動(dòng)增量的地址寄存器、內置32.768 kHz的振蕩器(帶有一個(gè)內部集成電容)、分頻器(用于給實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC提供源時(shí)鐘)、可編程時(shí)鐘輸出、定時(shí)器、報警器、掉電檢測器和400 kHz的I2C總線(xiàn)接口等；同時(shí)具有計秒、分、時(shí)、星期、日、月、年以及閏年補償功能，可用二進(jìn)制數碼和BCD碼表示時(shí)間、日歷和定鬧。安上鋰電池以后，斷電情況下可以十年不丟失數據，功能上完全可以滿(mǎn)足本裝置的需要。

　　1.4通訊電路

　　本產(chǎn)品采用了兩路通訊電路，一路為RS-485總線(xiàn)接口，另一路為RS-232總線(xiàn)接口。RS-485總線(xiàn)接口的總線(xiàn)收發(fā)器使用SP3485。SP3485是一個(gè)3.3 V的低功耗半雙工收發(fā)器，它完全滿(mǎn)足RS-485串行協(xié)議的要求，符合RS-485的電氣規范，數據傳輸速率可達10 Mbps(帶負載)。由于RS-485總線(xiàn)所占用的IO口線(xiàn)與UART0的口線(xiàn)是復用的，所以，在進(jìn)行RS485總線(xiàn)通信時(shí)，必須停止UART0接口的通信。RS485通信的方向由P2.16控制，當P2.16為低時(shí)，核心板接收總線(xiàn)數據；當P2.16為高時(shí)，核心板向總線(xiàn)發(fā)送數據，其電路圖如圖3所示。

 　　RS-232總線(xiàn)接口的總線(xiàn)收發(fā)器使用SP3232E。SP3232E系列芯片是一個(gè)2驅動(dòng)器／2接收器的低功耗器件，SP3232E有一個(gè)高效電荷泵，工作電壓為3.3 V時(shí)，只需0.1μF電容就可以進(jìn)行操作。電荷泵允許SP3232E系列器件在3.3～5.0 V內的某個(gè)電壓下發(fā)送符合RS-232的信號。由于本產(chǎn)品是3.3 V系統，因此使用SP3232E進(jìn)行RS232電平轉換，其電路圖如圖4所示。

　　1.5其它電路 

　　為實(shí)現測控儀的功能和采集變壓器油溫等直流量，測控儀硬件電路還應包括鍵盤(pán)接口電路、看門(mén)狗電路、直流采樣電路等。其中，鍵盤(pán)接口電路可直接用鍵盤(pán)掃描輸入電路來(lái)實(shí)現輸入數據功能，并通過(guò)128×64點(diǎn)陣液晶顯示來(lái)顯示各數據和圖形；看門(mén)狗電路由MAX705構成，如果在1秒鐘內沒(méi)有收到低電平信號，它將發(fā)出一個(gè)復位信號給ARM7，以使系統復位；直流采樣電路主要實(shí)現變壓器溫度等直流量的采集和測量，測控儀采用250 Ω的采樣電阻來(lái)將4～20 mA電流信號變?yōu)?～5 V電壓信號來(lái)檢測油溫等。