基于ARM的中压FTU检测平台的设计

谢志远，贡振岗，杨 星，吴晓燕

（华北电力大学 电子与通信工程系，河北 保定 071000）

随着我国智能电网建设的不断深入，大量的智能电气设备在智能电网中得到应用。智能电力设备的大力发展必然需求一种测试平台对其智能模块进行有效的测试,以保证智能模块各功能的正常，同时高效率的检测平台大大缩短了对智能电力设备的开发周期。

目前国内外还没有一个针对中压柱上FTU的检测装置，随着这种中压电力线柱上FTU的推广应用，利用一种具备检测功能的测试平台实现对FTU的功能检测具有现实的应用意义，所以本文提出了对中压柱上FTU检测平台的设计。

1 检测平台的设计原理

检测平台系统结构框图如图1所示。检测平台主要由单片机控制系统、信号源电路、可编程增益放大电路、恒流电路、电压/电流采样电路、状态量/控制量电路、屏幕和按键扫描电路构成。

高精度正弦信号由单片机控制产生，产生的信号分别给予两路可编程增益放大电路：一路可编程放大电路经过幅度调整电路产生交流电压信号，另一路经过幅度调整送给压控恒流电路产生交流电流信号，产生的交流电压、电流信号经过采样电路反馈送给单片机。通过单片机控制继电器的分合模拟断路器工作时的分合及储能状态，通过光耦电路检测FTU的分合闸命令，通过按键设置产生信号的幅度及手动模拟控制断路器的工作状态，相应信息由屏幕显示。

1.1 单片机控制器

本系统选用基于ARM7 TDMI-S内核的LPC2214处理器。该单片机是一个低功耗、高性能的32位单片机，并带有256 KB的高速Flash存储器和16 KB的片内随机存储器，128 bit宽度的存储器接口和独特的加速结构使32 bit代码能够在最大时钟60 MHz的速率下运行[1]。

1.2 高精度信号源

信号发生电路采用高精度DDS芯片AD9833数字可编程波形产生器件，AD9833频率、相位数字可编程，采用3线SPI串口控制、占用资源少、低功耗特性符合精密电路的芯片选择。用AD9833可产生高精度工频的正弦信号。应用电路如图2所示。

为了增大AD9833产生信号的驱动能力及抗干扰能力，在信号输出端加一级由运放OP497构成的电压跟随器，增加信号的驱动能力及稳定性。

1.3 可编程增益放大电路

可编程增益放大电路由两部分构成：第1部分是经过高精度D/A芯片产生模拟电压量[2]，第2部分是用压控增益放大电路将D/A产生的电压量转化成相应的增益放大。D/A选用 12 bit高速转化芯片TLV5618，12 bit的控制长度可以准确控制增益步进[3]；压控增益芯片选用VCA822。由TLV5618和VCA822构成的可编程增益电路如图3所示。

压控增益芯片VCA822是宽频带、V/V线性、持续可变增益的放大器。应用电路基本增益公式为：

在电路中选择阻值R8=R13，因此增益公式变为:

1.4 恒流源电路方案选择

恒流电路设计选用OPA564功率运放[4]，OPA564是一种可以提供大电流输出的运算放大器件，双极性电源供电，极限电流输出达1.9 A。OPA564的器件特性满足本设计方案的需求，基于OPA564的VI变换电路如图4所示。

OPA564构成同相求和运算电路,图中电阻R34=R35＝R36＝R37，输出恒流 I o的推导过程为：

将(3)式带入(4)式得:

电阻R ef上的电压为:

流过电阻R ef的电流:

电阻R ef选用功率精密电阻。

1.5 电压、电流采集电路

采集芯片选用高精度电能专用计量芯片ATT7022B，它集成了二阶ADC、参考电压电路以及所有功率、能量、有效值和频率测量的数字信号处理等电路，可以满足测量交流电流、电压有效值的需求。

在电流、电压信号输送到ATT7022B之前，要经过电流、电压互感器和采样电路，互感器自选精密型电流、电压互感器。应用ATT7022B时，需要通过软件编程与标准表进行参数校准,参数校准方式依据ATT7022B使用资料。同时，为ATT7022B提供高精度稳压电源芯片，可以减小电源纹波对ATT7022B采样计算的影响，稳压芯片选用ADP3330-5系列,可以输出高精度、高稳定度的5 V电压。

ATT7022B提供一个SPI接口，以便与ARM7之间进行计量参数的传递。ATT7022B实时采集信号线上的交流量，并将采集处理的数据存储到相应的有效值寄存器中，通过软件编程读取寄存器中的数据，并将数据用于软件计算处理和在液晶屏幕上的显示。

1.6 软件参数补偿

随着电流、电压输出的增大，由于温度或者元件电气特性等因素,电流、电压的输出特性成非线性增长，造成设定值与实际输出值之间产生偏差，可采用软件的方式进行参数补偿消除偏差。补偿方法为，通过软件编程将设定值与采样返回值进行比较，采用步长变化的多次比较动态调整进行参数补偿[5]。

1.7 模拟断路器工作状态

主要通过编程控制继电器分合,以模拟断路器工作状态量(包括合闸、分闸和储能3种状态)。此部分电路配备端子接口，通过端子接口连接FTU将状态量反馈给FTU测控模块，用来检测测控模块所检测到的断路器的工作状态是否正确。

1.8 检测FTU合、分闸

根据FTU产生控制信号的特征进行信号检测电路的设计，FTU产生的控制量信号为脉冲型，针对这种脉冲型信号采用LPC2214定时器捕获功能，当有电平翻转时LPC2214可以准确捕获。为了防止类似脉冲信号的干扰信号造成处理器误判的现象，控制量送到LPC2214前加上一级光耦隔离毛刺信号等干扰信号的影响。采用指示灯指示合、分闸状态及储能状态。

1.9 显示模块

采用一块三线串口操作型号为JCR35MDV1的液晶显示屏，3条线分别为写数据线、时钟线、片选线，软件编程选用LPC2214 3个I/O口即可驱动液晶显示设置信息和测试信息。

1.10 按键检测模块

采用ZLG7290按键专用检测芯片，ZLG7290是一种I2C接口键盘驱动管理器件，方便与处理器接口。应用LPC2214内部I2C资源结合软件编程读取ZLG7290按键扫描的信息。

2 软件系统设计

程序流程图如图5所示。程序开始执行后进行系统初始化，初始化过程中将程序中预先设定的默认值送到AD9833和TLV5618中,并使继电器工作在默认合、分闸状态，由液晶屏幕显示各种设置信息和测试信息。ATT7022B采集电流、电压并由LPC2214读出ATT7022B寄存器中的数值，将寄存器读出数值与设定值比较是否在误差范围内，如果不在误差范围内则执行软件参数补偿，将补偿参数写到TLV5618，直到满足误差要求为止。按键与控制量检测都为外部中断事件，有中断发生时判断是否为按键中断，若是按键中断再判断是写TLV5618还是手动控制合、分闸及储能状态；若不是按键中断则执行控制量捕获中断程序,并对FTU发来的控制信号做出相应动作。

3 试验与结论

本系统设计完成后，对系统的性能进行了测试。首先对系统产生交流信号的稳定性进行了测试，选用6位数字万用表测试恒流输出值，将显示值与标准表测试值进行比较，并计算误差，误差计算公式为：

图5 软件流程图

I1、I2、I3、ΔI分别为电流设定值、液晶显示值、万用表测 量 值 和 电 流 误 差 率 ，V1、V2、V3、ΔV 分 别 为 电 压 设 定值、液晶显示值、万用表测量值和电压误差率。设定值、显示值及测量值均为有效值，实验数据如表1。

表1 实验数据

从试验数据可以看出,电流在50 mA以上误差率基本稳定在0.1%，电压在500 mV以上误差率基本稳定在0.1%。该系统有较好的输出稳定度，可以满足检测FTU的采样功能。

在其他试验测试中得到测试结果,该系统能够准确检测到FTU输出的控制量信号，并能通过软件判断响应将继电器切换到相应的工作状态，同时手动控制继电器状态切换迅速执行准确，屏幕显示信息准确。硬件系统与软件系统协调运行，此方案设计的检测平台能够准确检测FTU的测控功能。

目前没有一个专门针对中压柱上FTU功能进行测试的检测平台，本设计方案在智能电力设备检测领域中有所突破，检测平台的设计不但可以提高电力设备质量检测的效率，同时还能够快速诊断出FTU设备投入运行前存在的故障，保证了电力设备质量的可靠性，确保了电网系统运行的安全。同时，随着FTU设备功能的日益发展丰富，检测平台的检测诊断功能也将不断扩展完善。

[1]周立功.ARM嵌入式系统基础教程[M].北京：北京航空航天大学出版社，2008.

[2]范新强,姚兴辉.基于单片机控制的高精度直流电流源系统的开发[J].工矿自动化，2006，12(6):49-50.

[3]Burr-Brown Corporation.12 bit high speed micro power sampling analog-to-digital converter[Z].1996:1-13.

[4]陈凯良，竺树声.恒流源及其应用电路[M].杭州：浙江科学技术出版社,1992.

[5]SLDSS A N,WRIGHT C.ARM嵌入式系统开发-软件设计与优化[M].沈建华，译北京：北京航空航天大学出版社，2005.