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

摘要 針對(duì)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(cè)量技術(shù)。該技術(shù)主要用于對(duì)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(chǔ)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(cè)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(hào)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(hào)，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(cè)量及采集

2.3.1 電流和電壓測(cè)量

CS5460A可以利用電壓互感器或組織比較大的分壓電阻測(cè)量電壓，使用價(jià)格比較低的電流互感器或分流器測(cè)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(hào)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(hào)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(hào)通路，以在VRMS/IRMS有功功率之前除去電流電壓信號(hào)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(cè)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(cè)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(duì)電功率測(cè)量的方法有指針式功率表測(cè)量法和模擬乘法器測(cè)量法兩種。

指針式測(cè)量法測(cè)量簡單、頻率響應(yīng)低、精度低，且低功率因數(shù)的功率測(cè)量表價(jià)格較高。模擬乘法器測(cè)量法：采用專用的集成芯片進(jìn)行測(cè)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(hào)能被STM32系統(tǒng)接收，必須對(duì)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(hào)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(dòng)電能脈沖輸出。

視在功率

S=VRMS×IRMS (5)

經(jīng)過對(duì)數(shù)據(jù)的測(cè)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(cè)試中斷和現(xiàn)場(chǎng)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(chǔ)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(cè)試系統(tǒng)給的目的，同時(shí)用一個(gè)寫測(cè)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(cè)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。可以把通過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(hào)，然后根據(jù)控制信號(hào)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(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)镃S5460A可以接受的小電壓信號(hào)，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(hào)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(duì)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(hào)傳輸?shù)絇C機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程人機(jī)互動(dòng)。

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(cè)量專用芯片CS5460A實(shí)現(xiàn)電量的精確測(cè)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(cè)量技術(shù)是測(cè)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(cè)量技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。