基于ARM和ATT7022C的电能质量监测终端的设计

束 慧，陈卫兵

（南通职业大学，南通 226007）

0 引言

随着公配网自动化的发展和用户对供电可靠性要求的提高，对现场一次仪表的性能也提出了更高的要求，目前市面上一次仪表主要包括如下两种设计方式：其一是以单片机控制为主，如文献[1]中所述，主要功能是对有功功率和无功功率进行监测，实现公配网的无功补偿；其二如文献[2]中所述，利用DSP的FFT强大计算能力，采用DSP芯片对AD采集到的信号进行谐波计算，为谐波治理提供控制依据。但二者均有不足之处，单片机在计算方面能力较差，而DSP在显示控制方面能力较差，需要单片机、CPLD或ARM进行配合使用。随着ARM技术的不断发展，ARM芯片已具备很高的运行速度和强大的运算能力，将很好的弥补了单片机和DSP芯片在计算和控制的不足。

本文介绍了一种以ARM STM32F103VE6芯片为核心，以电表芯片进行参数检测，实现了一种性价比很高的电能质量监测终端，为公用配电网电能监测和优化控制系统[3]提供控制手段和依据。

1 硬件电路设计

电能质量监测终端的硬件设计如图1所示，主要包括：参数测量、人机接口、数据存储、通信模块、无功补偿和谐波治理等控制电路组成。由于篇幅原因，关于无功补偿和谐波治理控制电路请参考相关文献，在此不再赘述。

图1 硬件设计总框图

1.1 主控芯片选择

主控制器选用ARM® Cortex™-M332位的RISC内核STM32F103VE6芯片，工作电压为2.0V至3.6V，工作频率高达72MHz，且内置高达512K字节的闪存和64K字节的SRAM的高速存储 器， RTC， 5个 USART、2个 I2C、3个 SPI、1个USB、1个CAN和1个 SDIO等13个通信接口，还具有3个12位的ADC、4个通用16位定时器和2个PWM定时器以及单周期乘法和硬件除法等资源，因而非常适用于各种复杂的计算和控制。除芯片工作要求的电源、晶振等电路外，还必须为RTC配置后备电池，以保证实时时钟在市电掉电后还能正常运行。

1.2 模拟信号输入电路

ATT7022C是珠海炬力集成电路设计有限公司生产的一款高精度三相电能计量芯片，该芯片能对有功、无功、视在功率、双向有功和四角限无功电能、电压和电流有效值、相位、频率等电参数进行测量。并具有软件校表功能，简化了硬件设计。

ATT7022C片内集成了六路16位的ADC，采用双端差分信号输入[4]，其中三路电流输入VIP/VIN引脚为V1P/V1N,V3P/V3N,V5P/V5N，三路电压输入VUI/VUN 引脚为V2P/V2N、V4P/V4N、V6P/V6N，在本设计中采用如图2所示的模拟信号输入电路。电流互感器的次级额定输出为5mA，电压互感器的次级额定输出为0.5V，这样确保输入电压满足芯片最大输入1.5V要求，其中REFOUT为芯片的参考电压2.4V。

图2 电流电压采样输入电路

1.3 A TT7022C接口电路

ATT7022C通过标准的SPI接口与ARM进行通信，由于ATT7022C正常工作电压为5V±5%，而STM32F103VE6工作电压为2.0V至3.3V，为了信号电平匹配，同时增强系统抗干扰能力，在ATT7022C 和STM32F103VE6之间采用ADuM5401进行隔离，如图3所示。

图3 ATT7022C与ARM接口

ADuM5401 是基于 ADI 公司 iCoupler® 技术的四通道数字隔离器。它用在外侧和系统的微控制器之间提供 2.5 KV 的电压隔离。ADuM5401 还集成有 DC-DC 转换器，能够提供 5 V 或 3.3 V 的500 mW 的稳压隔离电源。此设计用 ADuM5401为所有模拟电路的输入部分提供 5 V 电源供应。

1.4 数据存储电路

本系统采用铁电存储器FM24CL64实时保存设置的参数以及现场采集到的各实时数据，如对ATT7022C的校正参数、谐波测量的权值等保存。FM24CL64是采用先进的高可靠性的铁电材料加工制成的64K位铁电非易失性存储器，能像RAM一样快速读写，同时掉电后数据可保存10年，采用标准I2C接口与ARM STM32F103VE6连接，如图4所示。

图4 FM24CL64接口

1.5 通信接口

为了与其他终端进行实时通讯，以便统一管理和控制，为此，采用STM32F103VE6的UART口外接RSM3485E实现RS485通讯，接口电路如图5所示。

图5 RSM3485E通讯接口

RSM3485E是广州致远电子有限公司推出的隔离收发器模块，该模块集隔离及总线保护功能于一身，单一的+3.3V供电，最大波特率1Mbps，同一个网络最大可连接32个节点，电磁抗干扰EMI性极高。

2 软件设计

软件系统采用Keil uVision4集成开发环境进行开发，除该集成开发环境本身提供了丰富的数据处理函数库外，相关网站也为STM32F103VE6

图6 主程序流程图

的开发提供了很多的C语言函数，在编程时可以直接调用。为此在软件设计中采用C语言进行编程，主要包括初始化程序、ATT7022C数据采集子程序、谐波监测子程序、数据处理子程序、数据通信子程序、按键处理及液晶显示程序等，流程图如图6所示。

2.1 谐波测量

通常谐波分析的算法都是采用FFT算法[5]，但由于栅栏效应和泄漏的存在，以及实际电网中基波频率的波动，使得很难保证采样的同步以及准确测定各次谐波分量，在相关文献中，介绍了采用各种窗函数作处理，但是效果不理想。而准同步是一种利用软件算法来修正同步误差的方法，对采样周期不要求与信号周期严格同步，只需通过设置适当的采样频率，增加采样的周期数，即可通过算法获得理想的准确度。

准同步算法的递推公式[6]如下：

式中n=2,3,…,p

k =0,1, … ,( p-n)·N

N—每个周期内的采样点数；

ρi—对应数值求积公式所确定的系数。

准同步算法是充分利用MCU的计算能力，以软件算法对同步误差进行修正的方法。这里就要求MCU具有快速的运算能力，而STM32F103VE6频率最高可达72MHz，单周期乘法和硬件除法等资源，完全能满足计算速度和精度。

经过软件仿真和现场测试，利用准同步技术和FFT 相结合的方法来测量谐波，采用复化梯形求积，即 ρ0=ρN=1/2, ρ1=ρN-1=1,每周期采样 128 个点，三次递推，即N=128，n=3， 即可满足现场控制要求。

具体设计思路为：按n×N +1计算采样点数为3×128+1=385点，计算长度为385的数组，将该数组值保存在存储器FM24CL64中，作为对应385个采样数据的权值，在每次采样时，利用这权值对采样数据进行修正，再采用FFT运算便可实现谐波的测量。

2.2 控制策略

该监测终端和无功补偿、谐波治理装置结合使用，可以实现一种性价比高的具有滤波功能的无功补偿装置，通过RS485串口通讯，将各装置连接起来，可实现一种多级级联的串接式无功补偿和谐波治理系统，在该系统中，根据主机竞争机制，自动产生一台主机，其余为从机，主机负责采集计算，从机只作为过零投切运行、自身保护和备用主机，所有的从机均服从主机的统一管理和控制，当主机发生故障时，从机接收不到主机的命令后，则所有的主机立刻启动主机竞争程序，再次自动产生一台主机，其余仍作为从机使用。这种多级串接式补偿控制系统，大大提高了补偿容量和可靠性。

由于STM32F103VE6具有多个独立串口，可以采用RS232接口与GPRS DTU或CDMA DTU进行连接，构成远程无线通信网络或直接采用手抄器或U盘完成对控制器数据的收集。在紧急情况下还可以通过远程遥控拉闸/合闸来保证用电安全。

3 结束语

本文介绍的电能质量监测终端在硬件设计上追求简单可靠，在软件设计上追求计算精确。 随着ARM技术和电表芯片的不断发展，以ARM为核心，以电表芯片为检测手段，结合各种新的算法，将为公用配电网能源监测与优化控制系统提供更简单方便的手段。

[1] 束慧, 陈卫兵.限流式低压电力电容器动态开关的研制[J].仪表技术, 2004(6): 54-55, 71

[2] 李烨, 刘智勇, 阮太元.基于DSP的低压动态无功补偿控制器的设计[J].计算机测量与控制, 2009, 17(9): 1744-1746

[3] 陈兵飞, 陈卫兵.公共配电能源检测和优化控制系统的研制[J].仪表技术, 2010(3): 4-7

[4] 刘飞, 施火泉, 孙晓武.电能计量芯片ATT7702C在配变监测终端中的应用 [J].仪表技术, 2009(10): 18-20

[5] 段树华, 黄杰.DSP和ARM支持下的电能质量监测系统的设计[J].计算机测量与控制, 2010, 18(7): 1503-1506

[6] 胡丽丽, 吴旭光, 董卫民.准同步采样法在有源电力滤波器中的应用[J].工业仪表与自动化装置, 2010(6): 45-47