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基于STM32芯片的电参数测量与数据传输
来源:互联网 qikanw | 季力
【分  类】 信息科技
【关 键 词】 STM32 电参数测量 数据传输 GPRS
【来  源】 互联网
【收  录】 中文学术期刊网
正文:

  摘要 使用8位、16位单片机的传统电参数测量方法存在精度不够高,并行处理能力弱的问题,而基于DSP芯片的设计成本较高,不易推广。提出一种基于STM32芯片的电参数测量和数据传输方案,给出了各模块的硬件设计方案和软件处理流程。满足系统高性能的要求,并且实时处理能力强,功耗低,RS485接口和GPRS无线模块方便用户使用,具有较高的应用价值。

  关键字   STM32 电参数测量 数据传输 GPRS

  Abstract:

  The traditional power measurement based on 8 or 16 bits MCU has the weakness of precision and parallel dealing capability. Using DSP chip costs high, which can’t be used widely. This article introduces a new method of power measurement and data transmission based on STM32 chip, which gives the hardware design scheme and software flow chart. The method can meet the demand of high capability and real time dealing, lower power, RS485 interface, GPRS wireless module, it’s used conveniently and highly value.

  Key word

  STM32 power measurement data transmission GPRS

  0 引言

  企业供电线路的电压、电流、频率、功率因数、有功功率、无功功率等参数的检测是掌握企业供电线路和设备运行状态的基础,这些参数是企业保证功率补偿有效性和合理性的决策依据。传统的基于8位、16位单片机的电参数测量仪表存在着处理能力较差,模块功能较弱的缺点,在中高端市场缺乏竞争力;基于DSP技术的电参数测量仪具有较强的处理能力,但是成本都较高,不易推广。意法半导体推出的STM32系列32位闪存微控制器使用来自ARM公司具有突破性的Cortex-M3内核,该内核是专门设计于满足集高性能、低功耗、实时应用、具有竞争性价格于一体的嵌入式领域的要求。Cortex-M3增强了系统结构,Thumb-2指令集带来了更高的指令效率和更强的性能,通过紧耦合的嵌套矢量中断控制器,对中断事件的响应比以往更迅速,STM32芯片有多达13个通信接口,支持IIC,USART,SPI,CAN,USB等通信协议。基于STM32芯片的电参数仪表不仅拥有强大的处理能力,更高的实时性,而且具有丰富的数据传输手段,可以轻松实现红外、CAN总线、GPRS等数据传输,满足客户多种抄表方式的要求。本文给出一种基于STM32芯片的电参数测量和数据传输设计方案,利用STM32的强大处理能力,解决了传统设计中参数测量精度不高,系统并行处理能力不强的弱点,并

  实现了RS485接口和GPRS无线抄表的功能。

  1.硬件设计

  1.1 STM32芯片特性

  意法半导体推出的STM32系列32位微控制器基于ARM Cortex-M3内核,其构架有多项改进,包括提升性能的同时又提高了代码密度的Thumb-2指令集、大幅度提高的中断响应,而且所有新功能都具有非常低的功耗水平。

  相较于8位、16位单片机,ARM核的优势是低功耗、高性能,程序在不同核之间的兼容性很好。基于CM3内核的STM32芯片比其他ARM系列芯片运行速度更快,性能也得到很大提高。该芯片自带单周期的硬件乘法器,大大提高数字信号的运算速度。在代码密度上,比普通32位单片机省30%~45%,比16位单片机省50%。功耗方面,STM32芯片工作在1MHz频率下位0.15W,只有ARM7的一半,所以在相同的工作模式下,使用STM32芯片可以减少30%左右的功耗。STM32芯片内核电压低至1.8V,可以选择睡眠模式、待机模式等多种低功耗方式,满足便携的需求。

  STM32系列芯片除了大幅提升系统的性能,还包含了标准和先进的通信接口:多达2个IIC、3个SPI、2个IIS、1个SDIO、5个USART、一个USB和一个CAN。这些丰富的外设配置,使得STM32可以选择多种数据传输手段,设计人员可以从容应对客户的多样性需求。

  1.2电参数信号处理

  电参数的采样需要输入ABC三相电压和电流,传统的方法是使用高速的A/D转换芯片

  分时的采样三相电压和电流,通过对输入波形的离散数字化后,经过一定的算法得出表征输入波形的各种参数。排除信号调理电路的误差及A/D转换的误差外,精度取决于2个方面:一是采样的速率;二是算法。在一个交流周期内对输入信号采样点数越多,则对波形的表征越细致,计算精度越高。尽管STM32芯片有较强的计算性能,但是采用傅氏变换进行频域处理的计算量大,加重了系统的负担。而且此法难以满足全面计量交流参数的目的,例如高次谐波、正负零序分量、三相不平衡度、相位角等。ATT7022B是一颗精度高且功能强大的多功能三相电能专用计量芯片,它集成了七路二阶sigma-delta ADC,其中三路用于三相电压采样,三路用于三相电流采用,还有一路可用于零线电流或其他防窃电参数的采样,输出采样数据和有效值,使用十分方便,该芯片适用于三相三线和三相四线应用。

  (a)电压互感器电路 (b)电流互感器电路

  图一 电压和电流互感器的典型连接

  图二 电参数测量电路

  1.3 系统的硬件结构

  图三 系统的硬件结构图

  中央处理模块采用基于ARM CM3内核的STM32F103,相比ARM7芯片和51系列单片机,具有更快的运行速度和更高效的代码,功效也大大降低,特别使用于便携式设备。电参数通过电流互感器和电压互感器采样,由ATT7022B进行运算处理。STM32通过其自带的SPI总线与ATT7022B进行通讯,控制ATT7022B的工作模式和数据采集,使用方便灵活。系统运行的相关参数设置在一片EEPROM中,可以通过键盘进行重新设置。为了提供更完善的显示界面,采用了一块240×128的液晶屏,可实时显示运行状态和测量的参数。本系统设计有两种通讯模式:485总线和GPRS无线通讯模块。485总线采用差动电平接收的方法,提高了抗干扰能力,通过MAX485芯片可以方便地实现电平转换,上位机可以利用VC的MSComm控件实现与其通信。随着移动通信的迅速发展,GPRS无线通信在远程监控系统中得到充分的应用。利用GPRS通信替代人工,实现无人抄表,大幅降低人力成本。

  2.软件设计

  2.1 主程序设计

  主程序处于循环状态,主要完成各部分电路和中断系统的初始化,并不断扫描键盘,执行键盘功能处理,调用响应的模块处理函数,执行操作命令。其软件流程如图四。

  图四 程序流程图

  2.2中断程序

  中断程序主要实现通信功能。由于通信过程是被动的、随机的,必须采用中断处理方式。系统有RS485和GPRS模块两个通信接口,所以需要处理两个通信中断。两种通信模式都采用国标《DL/T645-1997多功能表通信规约》,程序需要按照DL/T645规约处理信息帧。规约的帧结构如图五所示,整个帧分为固定和可变两个部分。固定部分包括帧起始符68H、地址域A0~A5、第二个68H、控制码C、数据长度L共10个字节,可变部分由不确定的数据帧、帧校验码CS、结束符16H组成,可变部分数据长度取决于L的数值。 68H A0 A1 A2 A3 A4 A5 68H C L DATA CS 16H 起

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