基于ARM7TDMI的配电综合测控仪的设计与实现 而且, 通信, 谐波, 用户, 组网

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引言
      为了能对大量负荷进行在线监控。很多公司较早地研制了基于单片机技术，能对配电变压器或配电线路负荷运行参数、电容器投切、电量采集等进行综合监控的配电综合测控仪。
       但是，由于供电系统负荷的复杂性，特别是用户非线性负荷的大量使用，企业对谐波等电能质量问题越来越重视，因此，对配电综合测控仪的要求也随之提高，而且普遍要求增加谐波、频率监测和通信组网等功能。为了解决这些问题。本文以PHILIPS公司的ARM7芯片LPC2220FBD144为核心，研制出了新一代的配电综合测控仪。
      1硬件电路设计
      1.1硬件电路总体结构
       本装置的硬件结构框图如图1所示，它主要由数据采集、运算处理、数据存储、键盘显示、通信接口等单元组成。其中运算处理单元是核心部分，用于实现数据信号处理、快速傅立叶变换(FFT)等功能。考虑配电综合测控仪要求的运算速度、精度、硬件资源等需要，本设计选择了PHILIPS公司的LPC2220FBD144型ARM7芯片。

       该LPC2220FBD144芯片是LPC2200系列中性价比较好的一款ARM7芯片，采用LQFP封装，四条边上各有36个引脚。该芯片具有改进的冯诺依曼结构(指令和数据共用一条32位总线)，采用三级流水线，可以同时进行几个操作，并能使外处理和存储器系统连续操作。该芯片内嵌高达256KB的高速闪烁存储器、64 KB静态RAM、32位的算术逻辑单元、32位累加器、64位的乘法器以及精简指令集，其指令最短周期可以达到17 ns。这些特点使它的操作非常灵活，处理能力强并且速度快。由于其应用程序可以固化在CPU内部，因而不但可以降低成本、减少体积，系统升级也比较方便，而且它的功耗低、资源配置灵活，非常适用于生产现场的数据采集和处理。
        1.2数据采集电路
        本系统中的数据采集电路由PT与CT、信号整理和A／D转换三部分组成，实时电流和电压经过PT、CT以及信号整理电路后，可变成0～3.3 V的模拟信号，然后经模拟转换电路完成数字化处理。数据采集部分的硬件电路如图2所示(6路采集电路中的一路Ua)。
       根据测量谐波等参数和数字抗频率混叠的要求，本装置对信号波形按每个周期128点进行采样，采样周期为156μs。ARM7内部的A／D是8路输入的10位逐次逼模一数转换器，由于它可以对电流和电压进行同步采样，而且精度比较高，所以本设计没有再使用其它外围A／D芯片。
       1.3存储器和时钟电路
       存储器主要由三星公司的NAND FLASH存储器芯片组成.NAND FLASH是容量为16 MB的非易失闪烁存储器芯片，可用于存放采集来的数据和已备上传的历史数据。
       时钟采用PHILIPS公司的PCF8563芯片。该芯片具有低功耗CMOS实时时钟／日历，而且外围接口简单，精度和可靠性高，工作稳定。芯片最大总线速度为400 kbits／s，每次读写数据后，其内嵌的字地址寄存器会自动产生增量。PCF8563有16个8位寄存器，并有可自动增量的地址寄存器、内置32.768 kHz的振荡器(带有一个内部集成电容)、分频器(用于给实时时钟RTC提供源时钟)、可编程时钟输出、定时器、报警器、掉电检测器和400 kHz的I2C总线接口等；同时具有计秒、分、时、星期、日、月、年以及闰年补偿功能，可用二进制数码和BCD码表示时间、日历和定闹。安上锂电池以后，断电情况下可以十年不丢失数据，功能上完全可以满足本装置的需要。
      1.4通讯电路
      本产品采用了两路通讯电路，一路为RS-485总线接口，另一路为RS-232总线接口。RS-485总线接口的总线收发器使用SP3485。SP3485是一个3.3 V的低功耗半双工收发器，它完全满足RS-485串行协议的要求，符合RS-485的电气规范，数据传输速率可达10 Mbps(带负载)。由于RS-485总线所占用的IO口线与UART0的口线是复用的，所以，在进行RS485总线通信时，必须停止UART0接口的通信。RS485通信的方向由P2.16控制，当P2.16为低时，核心板接收总线数据；当P2.16为高时，核心板向总线发送数据，其电路图如图3所示。

       RS-232总线接口的总线收发器使用SP3232E。SP3232E系列芯片是一个2驱动器／2接收器的低功耗器件，SP3232E有一个高效电荷泵，工作电压为3.3 V时，只需0.1μF电容就可以进行操作。电荷泵允许SP3232E系列器件在3.3～5.0 V内的某个电压下发送符合RS-232的信号。由于本产品是3.3 V系统，因此使用SP3232E进行RS232电平转换，其电路图如图4所示。

      1.5其它电路

       为实现测控仪的功能和采集变压器油温等直流量，测控仪硬件电路还应包括键盘接口电路、看门狗电路、直流采样电路等。其中，键盘接口电路可直接用键盘扫描输入电路来实现输入数据功能，并通过128×64点阵液晶显示来显示各数据和图形；看门狗电路由MAX705构成，如果在1秒钟内没有收到低电平信号，它将发出一个复位信号给ARM7，以使系统复位；直流采样电路主要实现变压器温度等直流量的采集和测量，测控仪采用250 Ω的采样电阻来将4～20 mA电流信号变为1～5 V电压信号来检测油温等。
       2采样数据的处理
       现场实测信号所包含的大量噪声干扰和高次谐波会引起谐波测量、频率测量等方面的误差，对于FFT算法如果采样值不能均匀分布在信号周期内，也将造成频谱泄露，从而带来很大的测量误差，所以对采样数据必须进行处理。
      2.1噪声的处理
        电力系统中的各种噪声一般可以认为是随机性白噪声。这些年，相继有学者提出过许多消除噪声的方法，如小波变换法等。小波变换在时频域同时存在时具有良好的局部化特性，可根据信号不同频率成分自动调节取样密度，从而实现对信号消噪处理。但是小波变换在频谱分析方面没有明显优越性。考虑到测控仪的改进重点是增加谐波功能以及ARM7硬件对FFT的方便性，本设计依然采用FFT为基本算法来寻求基于FFT算法的消噪方法。
       采用FFT算法消噪可以在窗函数上做文章，可以参考使用余弦窗来提高精度的思路，以及正弦信号自相关函数为同频率的余弦函数，而白噪声函数的自相关函数几乎为零的特性来消除白噪声。采用加余弦窗函数方法进行修正可以减少信号中的白噪声影响，提高测控仪的谐波测量精度。其周期信号X(n)=sinωn的自相关的函数为：

      式中，N为采样点数。
      2.2频谱混叠的防止
      谐波测量中要处理的信号是采样和A／D变换得到的数字信号。要获得准确的FFT运算结果，必须满足Nyquist采样定理，以防止频谱混叠造成的测量误差。防止频谱混叠通常是用模拟滤波器滤除采样频率fs一半的高频信号，但由于模拟滤波器在低频带难以保证较好的物理特性；而本测控仪的采样频率又较高，因此，可采用模拟滤波器和数字滤波器相结合，同时考虑谐波测量范围的方法来减少频谱混叠的影响。
        2.3同步采样处理
       根据FFT的原理要求，采样点应均匀分布在一个信号周期内(即实现严格的同步采样)，否则会引起信号频谱泄露，从而造成测量误差。由于硬件同步技术结构复杂，它会提高测控仪制造成本，因此，本文采用软件同步来实现同步采样。软件同步实质是一种补偿方法，主要思想是采用软件方法来跟踪信号频率的变化，并利用可变窗函数来实现信号周期的同步采样，以减少频谱泄露造成的误差。软件同步的关键是如何实时检测和确定信号的频率。 该测控仪采用复序列FFT和锁相环来直接对电压或电流信号采样值进行处理，然后配合数字滤波技术求得信号过零并得到信号频率，从而实现对信号的同步采样，同时完成信号频率的测量。这种检测和确定信号频率的方法计算简单、跟踪速度快、测控仪的采样率较高，能够得到较高的测量精度，完全可以满足工程实际的需要。
        3测控仪软件设计
       依据上述数据处理思路和数据采集、参数计算的算法，下面介绍该测控仪的软件设计方法。
       3.1软件设计思路
       新改进和研制的测控仪在保留原来电容投切、运行参数监测、电量采集等功能基础上，由于还要增加谐波等电能质量指标监测，因而软件涉及的算法较多，数据处理工作量较大；另外，ARM7不同于单片机，软件的结构也比较复杂，因此，本测控仪的软件设计采用模块化结构。为了提高程序代码效率、满足实时性要求，该测控仪采用C语言语言编程，整个测控仪软件由主程序和多个应用子程序组成。
       主程序来完成硬件初始化、硬件自检和循环操等功能；子程序包括数据采集处理、电容器投切控制、电量和运行参数计算、电能质量监测、上位机串行通信等程序。主、子程序采用中断方式实现数据的读取和处理，程序设计采用由顶向下、逐步细化的结构化设计方法。
       3.2 FFT的实现
        实现FFT时，必须解决数据溢出问题。由N点DFT计算公式：


       在进行DFT运算时，如果不采取一定的措施，溢出是不可避免的。为了避免FFT运算数据溢出，可对DFT蝶形运算单元的中间结果进行归一化处理。下面是对FFT蝶形单元的中间结果：

       设A和B为归一化的输入，那么，在复数时间抽取FFT运算时，Cr、Ci、Dr、Di的最大值为：1+cos45°+sin45°+2.414。而在实数DIT的FFT运算中，Cr、Ci、Dr、Di的最大值为2，因此，可在每一级FFT计算中。事实上，用因子2进行归一化。对ARM7运用芯片的移位特性和用2归一化，不会增加任何运算量。这样，如果FFT包含M级，则输出相当于除以2M=N。其中N为FFT的长度。

        3.3谐波参数的计算
       参数计算采用N=128点FFT算法，计算结果依次存放为A0、B0、A1、B1、……、An、Bn。其中An为n次谐波的实部，Bn为n次谐波的虚部。这样，即可计算出各次谐波的(以电压为例)相角、幅值和谐波畸变率、含有率等指标：

       这样，依据计算的电压、电流和相角，便可计算电网的有功功率、无功功率、功率因数、电力电量等各种参数值，从而按照相关策略实现对电容器等设备的控制。各种监测数据和运行状态还可送计算机中长期保存，并可对数据进行进一步的分析，实现配电监控管理。

       4结束语
       依据供电企业对配电测控功能的新要求，本文以PHILIPS公司的LPC2220FBM144芯片为核心，充分运用ARM7强大的运算能力，给出了新一代配电综合测控仪的研制方法。实际使用证明，其采用的算法和实现技术是完全可行的。