基於ARM和乙太網的遠程電參數測量技術研究

摘要 針對目前各地用電及收費管理不便的問題，文中研究了基於ARM和乙太網的遠程電參數測量技術。該技術主要用於對電參數的採集和存貯。主控制器採用32位的ARM微處理器STM32F103V，接口硬體設計配合上位機顯示電參數。上位機採用LabVIEW的DataSocket枝術編寫實現顯示功能。通過上下位機的結合，完成電能的計量，進而方便收費管理。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201610/309040.htm

關鍵詞 ARM;乙太網;電參數;SPI;LabVIEW;DataSocket

隨著人們用電管理方式逐步、向著更加智能、高效和網絡化的改善。文中結合網絡技術，採用高性能的乙太網控制晶片W5100，利用專用的電能計量晶片CS5460A研究了電參數的遠程傳輸。通過W5100嵌入乙太網，可以實現數據的遠程傳輸，有效地將經CS5460A採集的電流值、電壓值及功率值傳送至PC，較好地完成了電能計量和收費管理。

1 系統總體方案設計

設計採用Cirrus Logic公司專用的電能計量晶片CS5460A、WIZnet公司生產的乙太網控制器W5100、ST公司推出的STM32F103V作為CPU，以及LCD顯示、網絡變壓器911105A、RJ45接口等。系統框圖如圖1所示。

2 系統硬體設計

2.1 W5100及CS5460A

W5100是一款多功能的單片網絡接口晶片，內部集成10/100乙太網控制器，主要應用於高集成、高穩定、低成本的嵌入式系統中，可以實現沒有作業系統的Internet連接。W5100內部集成了全硬體的且經過多年實踐驗證的TCP/IP協議棧，同時內部還集成有16 kB存儲器用於數據傳輸。

CS5460A是一個包含兩個△∑模數轉換器(ADC)、功率計算功能、電能到頻率轉換器、高速電能計算功能和一個串行接口的高度集成的△∑模數轉換器。它可以精確測量瞬時電壓，電流和計算有功電能、無功功率、瞬時功率、IRMS、VRMS，用於研製開發單相、2線和3線電錶。為便於與外部控制器間的信號傳輸，CS5460A集成有一個簡單的三線穿行接口，該串口與SPITM兼容。

2.2 前端調理電路設計

利用互感器與精密電阻網絡組成的調理電路，將電壓和電流轉換成為晶片可以接受的小電壓、電流信號，該方案設計簡單、精度高，且實現了晶片與電網隔離，保證了晶片的安全，硬體電路如圖2所示。

2.3 數據測量及採集

2.3.1 電流和電壓測量

CS5460A可以利用電壓互感器或組織比較大的分壓電阻測量電壓，使用價格比較低的電流互感器或分流器測量電流。

CS5460A具有功率計算引擎和電能-脈衝轉換雙通道ADC。電壓通道輸入引腳VIN±，兩端輸入一電壓信號波，經10倍增益放大器放大，再通過2 nd△∑調製數位化。同時，電流通道輸入引腳IIN±兩端輸入一電壓信號波，為適應不同電平的輸入電壓，電流通道集成有一個增益可編程放大器(PGA)，使輸入電平量程可選為±250 m VRMS或±50 m VRMS。通過4th△∑調製器來數位化。兩個調製器的採樣速率為MCLK/8。

兩個通道都提供了一個可選的高通濾波器，加入信號通路，以在VRMS/IRMS有功功率之前除去電流電壓信號中的直流成分。

數字濾波器輸入字是基於DC偏移量調整和增益校準。校準後測量的瞬時電壓，電流是有效的。RMS值是利用最近的N格瞬態電壓/電流採樣值計算，這些值可以從IRMS和VRMS寄存器中讀出

2.3.2 功率測量

由電功率的基本定義可知：電功率等於電壓與電流的乘積

P=I×U (2)

式中，P為電功率;I為電流;U為電壓。

目前對電功率測量的方法有指針式功率表測量法和模擬乘法器測量法兩種。

指針式測量法測量簡單、頻率響應低、精度低，且低功率因數的功率測量表價格較高。模擬乘法器測量法：採用專用的集成晶片進行測量，精度高但整個儀表價格較高。由電功率的定義可知，以模擬量表示的電路消耗的功率為

式中，u，i分別為瞬時值;T為累積時間。為使電壓、電流信號能被STM32系統接收，必須對其進行採樣，以離散量表示的電功率的表達式為

其中，△t為採樣間隔時間;N為採樣總次數;uk、ik為某一瞬時電壓和電流的採樣值。採樣的值必須經過量化，即轉化為數位訊號才能被計算機接收，採樣和量化的過程即為A/D轉換的過程。

另外，瞬時電壓/電流的採樣數據相乘，得到瞬時功率。N個瞬時功率平均計算出有功功率的值來驅動電能脈衝輸出。

視在功率

S=VRMS×IRMS (5)

經過對數據的測量和計算，把所得到的IRMS、VRMS，電流、電壓或電能的瞬時值分別寫入不同的數據寄存器，等待主控制器STM32的讀取。

3 通信接口的軟體設計

上位機的軟體設計部分，採用LabVIEW的DataSocket技術編寫，DataSocket能方便地實現測試中斷和現場儀器之間的數據交換，同時滿足時實行、安全性的指標要求。系統軟體流程圖如圖3所示。

3.1 客戶端接收伺服器發出的數據

客戶端接收伺服器發出的數據即DataSocket，讀取W5100內部寄存器所存儲數據的應用程式框圖如圖4所示。

數據經伺服器W5100上傳，經DataSocket Read控制項讀取再發送給遠程控制面板，先在DataSocket Read側說明數據類型，或由變體值數據轉換節點Variant ToData轉換數據類型，並在PC顯示，所顯示數值與伺服器端發送的所採集的數據一致，達到了遠程監控測試系統給的目的，同時用一個寫測量文件(Write LabVIEWMeasurement File Express VI)來保存數據以方便存取和查看。在框圖裡，「connection in」輸入的是W5100所保存的URL，而數值顯示控制項顯示所測得的電參數。顯示和保存歷史數據程序框圖如圖5所示。

3.2 客戶端給伺服器傳輸數據

寫模塊的核心是DataSocket Write.vi，它在工作前需要指定URL地址，VI每次從上一步接收數據後形成數據包並發送到目的地址。可以把通過DataSocket Read讀取到的並已經保存的歷史數據經DataSocket Write將數據寫入到伺服器，而伺服器端則通過DataSocket Read從伺服器上讀取遠程控制信號，然後根據控制信號功能實現不同的控制功能，進行顯示並保存。程序框圖如圖6所示。

4 實現過程及設計結果

具體實現過程為：前端電路調理模塊把所輸入的大電壓信號轉變為CS5460A可以接受的小電壓信號，以差模電壓或電流的形式輸入進去，CS5460A根據採樣電路輸入的瞬時電壓、瞬時電流及瞬時功率由SPI串口傳送至主控制器STM32F103，電壓或電流信號通過STM32F103豐富的外圍接口進行輸入或通過外部DataBus輸入，然後再用STM32處理器對傳輸的電流或電壓數據進行預處理，再通過SPI接口把數據傳遞給W51 00晶片以完成網絡協議的處理，最後通過網絡連接埠把信號傳輸到PC機，從而實現遠程人機互動。

5 結束語

以基於ARM Cortex—M3的微處理器STM32F103VET6為主控制器，通過電量測量專用晶片CS5460A實現電量的精確測量，再利用乙太網技術實現電量的監控，從而實現電參數的遠程傳輸。遠程電參數測量技術是測控領域發展的方向之一，各種新技術、新器件、新理論的出現和計算機網絡的飛速發展，將促進遠程電參數測量技術的發展和應用。