基于ARM7TDMI的配電綜合測控儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

0 引言

　　為了能對大量負(fù)荷進(jìn)行在線監(jiān)控。很多公司較早地研制了基于單片機(jī)技術(shù)，能對配電變壓器或配電線路負(fù)荷運(yùn)行參數(shù)、電容器投切、電量采集等進(jìn)行綜合監(jiān)控的配電綜合測控儀。但是，由于供電系統(tǒng)負(fù)荷的復(fù)雜性，特別是用戶非線性負(fù)荷的大量使用，企業(yè)對諧波等電能質(zhì)量問題越來越重視，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(jiān)測和通信組網(wǎng)等功能。為了解決這些問題。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(shè)計(jì)

　　1.1硬件電路總體結(jié)構(gòu)

　　本裝置的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，它主要由數(shù)據(jù)采集、運(yùn)算處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、鍵盤顯示、通信接口等單元組成。其中運(yùn)算處理單元是核心部分，用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信號(hào)處理、快速傅立葉變換(FFT)等功能。考慮配電綜合測控儀要求的運(yùn)算速度、精度、硬件資源等需要，本設(shè)計(jì)選擇了PHILIPS公司的LPC2220FBD144型ARM7芯片。

　　該LPC2220FBD144芯片是LPC2200系列中性價(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(jié)構(gòu)(指令和數(shù)據(jù)共用一條32位總線)，采用三級(jí)流水線，可以同時(shí)進(jìn)行幾個(gè)操作，并能使外處理和存儲(chǔ)器系統(tǒng)連續(xù)操作。該芯片內(nèi)嵌高達(dá)256KB的高速閃爍存儲(chǔ)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指令集，其指令最短周期可以達(dá)到17 ns。這些特點(diǎn)使它的操作非常靈活，處理能力強(qiáng)并且速度快。由于其應(yīng)用程序可以固化在CPU內(nèi)部，因而不但可以降低成本、減少體積，系統(tǒng)升級(jí)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(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集和處理。 1.2數(shù)據(jù)采集電路

　　本系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集電路由PT與CT、信號(hào)整理和A／D轉(zhuǎn)換三部分組成，實(shí)時(shí)電流和電壓經(jīng)過PT、CT以及信號(hào)整理電路后，可變成0～3.3 V的模擬信號(hào)，然后經(jīng)模擬轉(zhuǎn)換電路完成數(shù)字化處理。數(shù)據(jù)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(jù)測量諧波等參數(shù)和數(shù)字抗頻率混疊的要求，本裝置對信號(hào)波形按每個(gè)周期128點(diǎn)進(jìn)行采樣，采樣周期為156μs。ARM7內(nèi)部的A／D是8路輸入的10位逐次逼模一數(shù)轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)沒有再使用其它外圍A／D芯片。

　　1.3存儲(chǔ)器和時(shí)鐘電路

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

　　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，而且外圍接口簡單，精度和可靠性高，工作穩(wěn)定。芯片最大總線速度為400 kbits／s，每次讀寫數(shù)據(jù)后，其內(nèi)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(nèi)置32.768 kHz的振蕩器(帶有一個(gè)內(nèi)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(bào)警器、掉電檢測器和400 kHz的I2C總線接口等；同時(shí)具有計(jì)秒、分、時(shí)、星期、日、月、年以及閏年補(bǔ)償功能，可用二進(jìn)制數(shù)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(shù)據(jù)，功能上完全可以滿足本裝置的需要。

　　1.4通訊電路

　　本產(chǎn)品采用了兩路通訊電路，一路為RS-485總線接口，另一路為RS-232總線接口。RS-485總線接口的總線收發(fā)器使用SP3485。SP3485是一個(gè)3.3 V的低功耗半雙工收發(fā)器，它完全滿足RS-485串行協(xié)議的要求，符合RS-485的電氣規(guī)范，數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)10 Mbps(帶負(fù)載)。由于RS-485總線所占用的IO口線與UART0的口線是復(fù)用的，所以，在進(jìn)行RS485總線通信時(shí)，必須停止UART0接口的通信。RS485通信的方向由P2.16控制，當(dāng)P2.16為低時(shí)，核心板接收總線數(shù)據(jù)；當(dāng)P2.16為高時(shí)，核心板向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，其電路圖如圖3所示。

 　　RS-232總線接口的總線收發(fā)器使用SP3232E。SP3232E系列芯片是一個(gè)2驅(qū)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(nèi)的某個(gè)電壓下發(fā)送符合RS-232的信號(hào)。由于本產(chǎn)品是3.3 V系統(tǒng)，因此使用SP3232E進(jìn)行RS232電平轉(zhuǎn)換，其電路圖如圖4所示。

　　1.5其它電路 

　　為實(shí)現(xiàn)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(yīng)包括鍵盤接口電路、看門狗電路、直流采樣電路等。其中，鍵盤接口電路可直接用鍵盤掃描輸入電路來實(shí)現(xiàn)輸入數(shù)據(jù)功能，并通過128×64點(diǎn)陣液晶顯示來顯示各數(shù)據(jù)和圖形；看門狗電路由MAX705構(gòu)成，如果在1秒鐘內(nèi)沒有收到低電平信號(hào)，它將發(fā)出一個(gè)復(fù)位信號(hào)給ARM7，以使系統(tǒng)復(fù)位；直流采樣電路主要實(shí)現(xiàn)變壓器溫度等直流量的采集和測量，測控儀采用250 Ω的采樣電阻來將4～20 mA電流信號(hào)變?yōu)?～5 V電壓信號(hào)來檢測油溫等。