基于ARM和以太網(wǎng)的遠(yuǎn)程電參數(shù)測量技術(shù)研究

摘要 針對目前各地用電及收費(fèi)管理不便的問題，文中研究了基于ARM和以太網(wǎng)的遠(yuǎn)程電參數(shù)測量技術(shù)。該技術(shù)主要用于對電參數(shù)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(shè)計(jì)配合上位機(jī)顯示電參數(shù)。上位機(jī)采用LabVIEW的DataSocket枝術(shù)編寫實(shí)現(xiàn)顯示功能。通過上下位機(jī)的結(jié)合，完成電能的計(jì)量，進(jìn)而方便收費(fèi)管理。

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

隨著人們用電管理方式逐步、向著更加智能、高效和網(wǎng)絡(luò)化的改善。文中結(jié)合網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，采用高性能的以太網(wǎng)控制芯片W5100，利用專用的電能計(jì)量芯片CS5460A研究了電參數(shù)的遠(yuǎn)程傳輸。通過W5100嵌入以太網(wǎng)，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)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(jì)量和收費(fèi)管理。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)采用Cirrus Logic公司專用的電能計(jì)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(tǒng)框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 W5100及CS5460A

W5100是一款多功能的單片網(wǎng)絡(luò)接口芯片，內(nèi)部集成10/100以太網(wǎng)控制器，主要應(yīng)用于高集成、高穩(wěn)定、低成本的嵌入式系統(tǒng)中，可以實(shí)現(xiàn)沒有操作系統(tǒng)的Internet連接。W5100內(nèi)部集成了全硬件的且經(jīng)過多年實(shí)踐驗(yàn)證的TCP/IP協(xié)議棧，同時(shí)內(nèi)部還集成有16 kB存儲器用于數(shù)據(jù)傳輸。

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

2.2 前端調(diào)理電路設(shè)計(jì)

利用互感器與精密電阻網(wǎng)絡(luò)組成的調(diào)理電路，將電壓和電流轉(zhuǎn)換成為芯片可以接受的小電壓、電流信號，該方案設(shè)計(jì)簡單、精度高，且實(shí)現(xiàn)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(shù)據(jù)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(jì)算引擎和電能-脈沖轉(zhuǎn)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2 nd△∑調(diào)制數(shù)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(yīng)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4th△∑調(diào)制器來數(shù)字化。兩個(gè)調(diào)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(shù)字濾波器輸入字是基于DC偏移量調(diào)整和增益校準(zhǔn)。校準(zhǔn)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(jì)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單、頻率響應(yīng)低、精度低，且低功率因數(shù)的功率測量表價(jià)格較高。模擬乘法器測量法：采用專用的集成芯片進(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(tǒng)接收，必須對其進(jìn)行采樣，以離散量表示的電功率的表達(dá)式為

其中，△t為采樣間隔時(shí)間;N為采樣總次數(shù);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)過量化，即轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號才能被計(jì)算機(jī)接收，采樣和量化的過程即為A/D轉(zhuǎn)換的過程。

另外，瞬時(shí)電壓/電流的采樣數(shù)據(jù)相乘，得到瞬時(shí)功率。N個(gè)瞬時(shí)功率平均計(jì)算出有功功率的值來驅(qū)動電能脈沖輸出。

視在功率

S=VRMS×IRMS (5)

經(jīng)過對數(shù)據(jù)的測量和計(jì)算，把所得到的IRMS、VRMS，電流、電壓或電能的瞬時(shí)值分別寫入不同的數(shù)據(jù)寄存器，等待主控制器STM32的讀取。

3 通信接口的軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)的軟件設(shè)計(jì)部分，采用LabVIEW的DataSocket技術(shù)編寫，DataSocket能方便地實(shí)現(xiàn)測試中斷和現(xiàn)場儀器之間的數(shù)據(jù)交換，同時(shí)滿足時(shí)實(shí)行、安全性的指標(biāo)要求。系統(tǒng)軟件流程圖如圖3所示。

3.1 客戶端接收服務(wù)器發(fā)出的數(shù)據(jù)

客戶端接收服務(wù)器發(fā)出的數(shù)據(jù)即DataSocket，讀取W5100內(nèi)部寄存器所存儲數(shù)據(jù)的應(yīng)用程序框圖如圖4所示。

數(shù)據(jù)經(jīng)服務(wù)器W5100上傳，經(jīng)DataSocket Read控件讀取再發(fā)送給遠(yuǎn)程控制面板，先在DataSocket Read側(cè)說明數(shù)據(jù)類型，或由變體值數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)Variant ToData轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)類型，并在PC顯示，所顯示數(shù)值與服務(wù)器端發(fā)送的所采集的數(shù)據(jù)一致，達(dá)到了遠(yuǎn)程監(jiān)控測試系統(tǒng)給的目的，同時(shí)用一個(gè)寫測量文件(Write LabVIEWMeasurement File Express VI)來保存數(shù)據(jù)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(shù)值顯示控件顯示所測得的電參數(shù)。顯示和保存歷史數(shù)據(jù)程序框圖如圖5所示。

3.2 客戶端給服務(wù)器傳輸數(shù)據(jù)

寫模塊的核心是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(shù)據(jù)后形成數(shù)據(jù)包并發(fā)送到目的地址?？梢园淹ㄟ^DataSocket Read讀取到的并已經(jīng)保存的歷史數(shù)據(jù)經(jīng)DataSocket Write將數(shù)據(jù)寫入到服務(wù)器，而服務(wù)器端則通過DataSocket Read從服務(wù)器上讀取遠(yuǎn)程控制信號，然后根據(jù)控制信號功能實(shí)現(xiàn)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(xiàn)過程及設(shè)計(jì)結(jié)果

具體實(shí)現(xiàn)過程為：前端電路調(diào)理模塊把所輸入的大電壓信號轉(zhuǎn)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(jù)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STM32F103豐富的外圍接口進(jìn)行輸入或通過外部DataBus輸入，然后再用STM32處理器對傳輸?shù)碾娏骰螂妷簲?shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，再通過SPI接口把數(shù)據(jù)傳遞給W51 00芯片以完成網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的處理，最后通過網(wǎng)絡(luò)連接端口把信號傳輸?shù)絇C機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程人機(jī)互動。

5 結(jié)束語

以基于ARM Cortex—M3的微處理器STM32F103VET6為主控制器，通過電量測量專用芯片CS5460A實(shí)現(xiàn)電量的精確測量，再利用以太網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)電量的監(jiān)控，從而實(shí)現(xiàn)電參數(shù)的遠(yuǎn)程傳輸。遠(yuǎn)程電參數(shù)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(xiàn)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的飛速發(fā)展，將促進(jìn)遠(yuǎn)程電參數(shù)測量技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。