基于STM32的新型電力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

引言

傳統(tǒng)的電力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)受限于有限的存儲空間和通信接口，存在精度不高、實時性差、采集信息量小等缺點，已無法滿足實際的電力系統(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)的電源及時鐘管理、雙看門狗等功能，從而大大增強了系統(tǒng)的實時性與可靠性，精度顯著提高，同時功耗大為降低。

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人機交互模塊組成，系統(tǒng)框圖如圖1所示。首先電壓、電流等模擬信號經(jīng)信號調(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，再由STM32進(jìn)行數(shù)據(jù)處理;開關(guān)量信號則通過I/O口輸入，STM32通過中斷或查詢方式進(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，同時進(jìn)行儲存以便對歷史數(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RS485與上位機通信。

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)果以左對齊或右對齊方式存儲在16位數(shù)據(jù)寄存器中。通道采樣時間可編程，總轉(zhuǎn)化時間可縮減到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)采用定時器觸發(fā)的同步注入模式，能夠?qū)Χ嗦沸盘栠M(jìn)行同步采樣。

STM32F103ZE具有5個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)字的長度、停止位均可設(shè)置。

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

數(shù)據(jù)采集包括對于模擬量與開關(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)采集信號為高電壓信號和大電流信號，因此，首先要將其調(diào)理為滿足STM32F103ZEADC輸入范圍的電壓信號，以便進(jìn)入ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。各相電流信號經(jīng)電流互感器和電流變送器，各相電壓信號則通過電壓互感器和電壓變送器變換為低電壓信號，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，減小信號的毛刺，采用光耦合器TLP521實現(xiàn)現(xiàn)場開關(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

為了實現(xiàn)電力數(shù)據(jù)采集歷史數(shù)據(jù)的查詢，系統(tǒng)擴展了512MBit的NANDFLASH，選用了ST公司的NAND512-A芯片，每頁有512+16個字節(jié)，每塊有16K+512個字節(jié)，順序存取時間為50ns，頁編程時間為200μs。STM32的靜態(tài)存儲器控制器FSMC可以把外部存儲器劃分為固定大小為256M字節(jié)的4個存儲塊，其中存儲塊2和3可用于訪問NANDFLASH設(shè)備，本電力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)利用FSMC的存儲塊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現(xiàn)本地實時監(jiān)控，并提供良好的人機交互功能。利用STM32F103ZE的FSMC模塊控制液晶顯示器，即將液晶作為外部存儲設(shè)備來使用，配置好讀寫及控制信號的時序，指定指針即可實現(xiàn)對液晶的讀寫訪問。利用這種方式，不僅簡化了對液晶的操作，只需指定讀寫數(shù)據(jù)指針方可完成操作，而且提高了訪問速度，同時，有效避免了用端口模擬時序訪問液晶產(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)計電路如圖3所示。該芯片采用限擺率驅(qū)動器，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)動器還具有短路電流限制，并可以通過熱關(guān)斷電路將驅(qū)動器輸出置為高阻狀態(tài)，防止過度的功率損耗。

圖3 RS485通信電路

本系統(tǒng)設(shè)計中，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。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個主要部分。主程序主要負(fù)責(zé)對于系統(tǒng)時鐘、GPIO口、嵌套中斷的配置以及定時器、ADC和串行通訊模塊的初始化。

電壓有效值計算式如下：

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

電流有效值計算式為：

式中：I為電流有效值，n為每周期采樣點數(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個字節(jié)后，進(jìn)行一次存儲，將數(shù)據(jù)存入NANDFLASH中，以便實現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)查詢。同時，通過RS485通信STM32將存儲的數(shù)據(jù)發(fā)送到上外機，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)測得數(shù)據(jù)如表1所示。

表1實驗結(jié)果

實驗數(shù)據(jù)表明，本系統(tǒng)設(shè)計合理，運行可靠，數(shù)據(jù)測量準(zhǔn)確、精度高且實時性較好，與傳統(tǒng)電力數(shù)據(jù)采集器相比具有顯著優(yōu)點。

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)無需外擴芯片即可實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)通信等功能，大大簡化了硬件設(shè)計，節(jié)約了投資。靈活的靜態(tài)存儲器控制器FSMC便于系統(tǒng)擴展存儲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，采用MODBUS協(xié)議通過RS485與上位機實時通信，傳輸數(shù)據(jù)的實時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)用價值和廣闊的市場前景。