標簽：電能質量 STM32 檢測

摘要： 目前國內外已有多種檢測電能質量的方法， 介紹了一種基于ARM Co rtex- M3 內核的32 位處理器STM32 內嵌式智能儀器模式設計的方案。利用STM32 內置A/ D 以及ATT7022B 芯片對信號進行多通道采集， 對各電能參數進行檢測和分析。運用處理器自帶的SD 卡和U SB 接口對所測大量數據進行存儲和傳輸， 并通過彩色液晶屏實時顯示所測數據， 檢測設備間通過2. 4 G 無線通信模塊進行數據交換。實際運行表明該設備操作簡單、技術指標完全符合國家相關標準， 具有較好的應用、推廣價值。

0 引言

近些年來， 隨著現代化工業設備和民用電器設備的普及， 電力用戶對供電質量的要求越來越高。特別是大量非線性電力負荷用到日常生活和工業生產中， 使得公用電網中的電能質量問題愈顯凸出， 已經嚴重影響了電能供應質量。因此， 根據國家電能質量檢測標準， 有必要對電網供電的各項參數進行測試， 分析電網的電能質量。

國內外已有不少方法對電能質量進行檢測。但是傳統的基于8、16 位的單片機的電能檢測設備存在處理速度慢， 硬件結構不夠完善等缺點。而當下比較流行的運用DSP 處理器的電能檢測設備， 雖然其處理速度快、精度高，但是成本較高、功耗大， 不利于大規模的推廣。本文提出一種基于STM32 芯片以內嵌入式智能儀器模式設計的方案。STM32 具有杰出的功耗控制及眾多外設。設計時可充分利用其豐富的片上資源， 大大節省了硬件的投資。

利用STM2 內置的A/ D 可對信號進行高速采集和處理，其自帶的USB 接口可對數據進行快速傳輸， 以及通過電阻式彩色觸摸屏T FT 對相關數據進行實時顯示等。系統具有設計結構簡單、攜帶方便、低成本、低功耗、可靠性高等優點， 適合實時現場操作， 具有較高的應用價值。

1 電能質量檢測設備總體設計方案

本電能質量檢測系統的主要設計思路是： 根據國家制定的電能質量相關標準對系統進行設計、開發， 系統框圖如圖1 所示。通過高精度的模擬信號采集電路對公用電網的電壓、電流進行采集; 通過FFT 算法對諧波進行檢測分析， 以及運用電能檢測芯片對電壓幅值、電流值、功率因素等一系列參數進行檢測; 最后將測試結果顯示在液晶屏幕上， 同時將數據存儲在SD 卡上， 檢測設備之間可以通過2. 4 G 無線通信模塊進行數據交換， 還可運用U SB 通信接口傳輸實時的數據到上位機， 以便上位機對數據進行存儲和分析。

圖1 系統框圖

2 硬件設計

2. 1 STM32 處理器介紹

本系統采用的是由意法半導體公司推出的基于ARMCor tex??M3 內核的STM32F103RBT 6 增強型32 位處理器。其工作頻率為72 MHz, 內置高速存儲器( 高達128 K字節的閃存和20 K 字節的SRAM) , 豐富的增強型I/ O 端口和聯接到2 條APB 總線的外設。包含2 個12 位的A/D、3 個通用16 位定時器和1 個PWM 定時器， 還包含標準和先進的通信接口： 多達2 個IIC 接口和SPI 接口、3 個USART 接口、一個USB 接口和一個CAN 接口。STM32較市場上同種類的單片機具有價格低、功能強、使用簡單、開發方便等優勢。

2. 2 電能數據采集模塊設計

對于前端電壓電流的采集選用高精度的電壓電流互感器。其體積小、精度高、全封閉、機械和耐環境性能好，電壓隔離能力強， 安全可靠且工作頻率范圍在20 Hz ~20 kHz。運用互感器將大電壓電流信號轉換成小信號， 再通過分壓將其轉換成STM32 的A/D 輸入通道的合理電壓輸入范圍( 0~ 3. 3 V ) 。

2. 3 電能數據處理模塊

電能數據處理主要分為2 個模塊， 即諧波采集、分析模塊和AT T 7022B 高精度三相電能專用計量芯片模塊。

是通過STM32 處理器內置的A/ D 轉換器對采集的信號運用FFT 算法進行諧波處理和分析。該模數轉換器是12 位的逐次逼近型的， 多達18 個通道， 可測量16 個外部和2 個內部信號源。各通道的A /D 轉換可以單次、連續、掃描或間斷模式執行。A/D 的結果可以左對齊或右對齊方式存儲在16 位數據寄存器中。其模擬看門狗特性允許應用程序檢測輸入電壓是否超出用戶的高/ 低閥值。

該設計是運用STM32 內置A/ D 的同步規則模式將所測得的數據通過DMA 傳輸， 以節省CPU 資源。