基于Cortex-M4的电梯能耗综合测试仪研制*

林创鲁 李中兴 王新华 陆道健

（1.广州特种机电设备检测研究院 2.广州大学机械与电气工程学院）

基于Cortex-M4的电梯能耗综合测试仪研制*

林创鲁1李中兴1王新华1陆道健2

（1.广州特种机电设备检测研究院 2.广州大学机械与电气工程学院）

针对电梯能效评估现场作业实际需求及特点，研制了便携式电梯能耗综合测试仪。采用钳式电流互感器和电阻分压网络感测电参数，利用高性能计量芯片采集电梯电量参数，选用DGUS触摸屏实现人机交互，基于32位Cortex-M4和DSP内核架构，应用多任务处理机制，实现电梯能耗数据的采集与处理、人机交互控制、数据存储记录和能效智能评定。该测试仪具有集成度高、操作简便和功能多等优点，有利于提高能效测试准确性及效率，具有推广价值。

电梯节能；能效等级；Cortex-M4；STM32F401；ADE7880

0 引言

截至2014年底，我国电梯保有量已超过350万台，年均增速约10%。但在用电梯中低能效电梯占比高，电梯节能潜力大[1-2]。国家质检总局《2014年特种设备安全监察与节能监管工作要点》指出，加快推进特种设备节能评测机构能力建设，遴选节能技术和产品，引导使用单位选择节能特种设备产品和相关技术。可见，开展电梯能效评测，不仅是电梯能耗监管的需要，也是引导使用单位选择节能电梯和促进电梯节能技术应用的现实需求。针对电梯能效评估现场作业需对电梯进行电量测量、任务管理、测试控制和能效判断等，且便于携带、操作简便和适用面广的特点，开发了便携式电梯能耗综合测试仪。采用钳形电参数传感器和高性能电参数计量芯片采集电梯电量参数，选用DGUS触摸屏实现人机交互，基于32位Cortex-M4和DSP架构，应用多任务处理机制，实现电梯能耗数据的采集与处理、人机交互控制、数据存储记录和能效智能评定。

1 总体结构与测量原理

1.1 总体结构

电梯能耗综合测试仪结构框图如图1所示，主要由传感单元、采集单元、信号隔离单元、信号处理单元、人机接口和电源单元5部分组成。传感单元采用电流互感器和电压互感器，传感信号经电参数采集并经信号隔离单元隔离后送至ARM处理器，ARM处理器实现测量数据的计算与数据存储、测试任务管理、参数配置、能效等级智能判断和输出显示与存储。本文设计的便携式电梯综合能耗测试仪，旨在实现在测试评估现场对电梯能耗进行测量与分析并获得电梯能效等级，为电梯能效监管和采取降耗措施提供技术支持。

图1 电梯能耗综合测试仪总体结构框图

1.2 测量原理

电梯通常采用三相交流电源供电，电梯能耗测量通常指电梯的总有功电能的测量。总有功电能是总有功功率的积分，可表示为

其中：Uk和Ik分别是各谐波的电压和电流有效值；φk和γk分别是各谐波的相位延迟。

瞬时功率为

总有功电能采用梯形积分法，可表示为

2 硬件设计

电梯能耗综合测试仪主要硬件包括电能测量电路、ARM处理器选型和外围电路。

2.1 电能测量

为便于安装并在不拆卸电梯主电路接线的前提下，采集大多数电流信号，电流采样传感器采用钳形交流互感器，根据被测对象的电流范围选用电路互感器，A相电流采样电路如图2(a)所示。由于大多数电梯的电机功率都小于30 kW，可选用量程为60 A的电流钳式电流互感器，其规格为1 A/1 mA。设采样模拟输入信号电平峰峰值为±0.5 V，则其电流满量程计算公式为：为电流互感器变比。采样电阻选用温漂系数为100 ppm/℃的2.80 Ω电阻，经计算，电流满量程为63.13 A。RC网络R3/C1和R4/C2组成抗混叠滤波器。

电压采样电路通常采用电压互感器或电阻分压网络2种方式。电压互感器虽具有较佳的隔离性能，但同时会引入相位误差而影响测量精度。考虑到便于现场安装操作，采样钳形电压线经过电阻分压网络采集电压，A相电压采样电路如图2(b)所示。满量程电压计算公式为

图2 A相电流和电压采样电路

电能测试是电梯能效测试仪的基本功能。电能测量选用ADE7880计量芯片。该芯片是一款高精度三相电能计量集成芯片，集成了二阶Σ-Δ模数转换器、数字积分和ADC基准源电路等，采用专用设计的数字信号处理器进行总有功功率、无功功率和视在功率等计算[4]，适合各种三相配置下有功、无功和视在电能的测量。此外，它提供系统校准功能，包括有效值偏移校正相位校准和增益校准等。通信接口包括IIC、 SPI、HSDC串行接口和3路脉冲输出等。ADE7880外围电路图如图3所示。

图3 ADE7880外围电路图

2.2 ARM处理器设计

便携式电梯能耗综合测试仪的处理器除了完成电梯能耗的实时采集与计算处理之外，还需管理测试任务、判断能效等级和处理人机交互操作等，这要求其必须兼顾动态功耗、执行性能和功能集成度等多个方面。选用STM32F401RC型ARM微控制器，它基于工作频率为84 MHz的Cortex-M4 32位内核并内置可支持所有DSP指令集、ARM单精度数据处理指令和数据类型的浮点运算单元，处理速度达105 DMIPS[5]。应用自适应实时加速器处理技术，实现从Flash存储器执行时的零等待；采用90 nm制造工艺，即降低了功耗并提高了集成度，可在9 mm2的封装内集成256 k字节Flash、64 k字节SRAM、3路速度高达10.5 Mb/s的USART、4路速度高达42 Mb/s的SPI、3路I²C、1个SDIO、速度高达2.4 MSPS的12位ADC等；可根据所需的执行速度实时调整核心电压的动态功耗调整功能，使其在运行模式和从Flash存储器执行时实现低至128 µA/MHz的电流消耗，停机模式功耗低至9 µA。通过对纳米制造工艺、自适应实时加速器和动态电压调节等多种技术的有效整合，提高了集成度的同时，也取得动态功耗和执行性能上的最佳平衡，特别适合便携式电梯能耗综合测试仪的应用需求。

2.3 ARM主要外围电路设计

根据电梯能耗综合测试仪总体结构，ARM处理器外围电路主要包括信号隔离接口、人机接口和存储器接口等电路。为了抑制共模干扰，在对ADE7880与ARM处理器之间的电源作了隔离处理的同时，两者之间的通信信号线也必须进行隔离。采用光耦进行隔离为常规选项，然而，其光电转换环节影响了数据传输速率、时序精度和瞬态共模抑制能力。为了满足串行总线400 kHz的通信速度，采用AduM1250型磁耦隔离型隔离器。它是无锁存双向传输的I²C总线隔离器，具有最快1 MHz的通信速度和2.5 kV的共模抑制能力。ARM与主要外围电路连接图如图4所示。控制信号线IRQ0、CF1和RST则通过ADuM1402型磁耦隔离型隔离器与ARM通信。人机交互接口选用7寸DGUS触摸屏，它通过ST3232型RS-232电平转换器与ARM处理器的UART外设通信。存储器选用256 k字节EEPROM存储器和2 G字节的SD卡，用于存储配置参数、测量数据和能效评定结果。

图4 ARM与主要外围电路的连接图

3 软件设计

软件设计在uVison4软件环境下，采用C语言开发。软件主要完成的任务包括：系统初始化、传感采集、数据处理和存储、校准处理、智能判断和人机交互控制等。主程序软件流程框图如图5所示。其中，校准处理采用后台运行模式，通过PC机向测试仪串口发送校准命令的方式来实现，主要校准内容包括电压有效值偏移量与增益校准、电流有效值偏移量与增益校准和有功功率增益与偏移量校准等。

图5 主程序软件流程框图

4 实验与结论

电梯能效综合测试仪经华南国家计量测试中心校准，功率标准源为Fluke 6100 A，整体精度优于0.5级。其中A通道有功功率校准结果如表1所示，三相电能测量校准结果如表2所示。

表1 A通道有功功率校准结果

表2 三相电能测量校准结果

测试电梯参数如表3所示。标称值测量仪器为HIOKI 3169-20电能质量分析仪。根据《电梯能效测试与评价规则（征求意见稿）》的评价方法，选取标准循环（-1层→5层→-1层）和辅助循环（-1层→4层→-1层）测量能耗[6]。所研制的LE300型电梯能耗综合测试仪与3169-20分析仪测试现场如图6所示，测量结果如表4所示，手工计算耗时25 min，且易受人为因素影响。LE300实时得到电梯的能效等级为I级。

表3 测试电梯参数

表4 能效测试对比试验

图6 LE300型电梯能耗综合测试仪测试现场

5 结语

采用钳形电参数传感器和高性能计量芯片采集电梯电参数，选用DGUS人机交互触摸屏，基于32

位Cortex-M4和DSP架构并应用多任务处理机制，实现电梯能耗数据的采集与处理、人机交互控制、数据存储记录和能效智能评定。经过实验测试表明，该仪器整体精度优于0.5级，现场操作简便，能效等级评定快速准确，具有推广价值。

[1] 林创鲁,武星军,王新华,等.基于CortexM3的便携式电梯能效测试仪设计[J].中国电梯,2013,24(11):45-47,72.

[2] 刘桂雄,朱海兵,何若泉,等.电梯能效实时记录仪及系统研制[J].中国测试,2012,38(6):44-48.

[3] 吕鹏,李康玉,谢秋金,等.基于ADE7878的多功能电能表的设计[J].电子技术应用,2012,38(4):76-79.

[4] Analog Devices, Inc. ADE7880 data sheet [EB/OL]. [2012-03-01].http://www.analog.com.

[5] STMicroelectronics,Inc.STM32F40xReferenceManual [EB/ OL].[2014-03-15]. http://www.st.com.

[6] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.电梯能效测试与评价规则[EB/OL]. [2012-01-06]. http://www.aqsiq. gov.cn.

Development of the Elevator Energy Tester Based on Cortex-M4

Lin Chuanglu1Li Zhongxing1Wang Xinhua1Lu Daojian2
(1. Guangzhou Academy of Special Equipment Inspection & Testing 2.Guangzhou University, Mechanical and Electrical Engineering Institute)

This paper presents the development of an elevator energy consumption tester. It uses current transformer and voltage divider network to sensing electrical signal. A high performance electrical measurement IC is used to acquiring electrical parameters. The DGUS touch screen is selected to realize human-machine interaction. Based on 32bits Cortex-M4 and DSP kernel architecture, muti-task mechanism is applied to realize the electrical parameters acquisition, signal processing, human-machine interaction, energy consumption measure, data storage and energy efficiency rating intelligently. It has the advantages of high integration, simple operation and multi-function etc, which could improve the accuracy and efficiency of energy efficiency testing.

Elevator Energy Consumption; Energy Efficiency Rating; Cortex-M4; STM32F401; ADE7880

林创鲁，男，1983年生，硕士，助理研究员，主要研究方向：特种设备监测技术及装置。E-mail: linter0663@163.com

国家质检总局科技计划项目（2010QK080）；广东省质监局科技计划项目（2013PT05）。