基于STM32电力数据采集系统的设计_张旭

数据采集

电　子　测　量　技　术

ELECTRONICMEASUREMENTTECHNOLOGY

第33卷第11期

基于STM32电力数据采集系统的设计

张　旭　亓学广　李世光　芮　昱　邱　彪

(山东科技大学　青岛　266510)

摘　要:介绍了一种基于STM32的低功耗、高性能的电力数据采集系统,阐述了系统的工作原理及其软硬件设计。STM32内部包含丰富的功能模块,无需外扩芯片,系统即可利用STM32自带的ADC对输入信号进行多通道同步模

数转换,利用灵活的静态存储器控制器FSMC扩展NANDFLASH存储数据,并利用STM32先进的标准通信接口实现基于MODBUS协议的RS485远程通信,克服了传统电力数据采集器受限于有限的存储空间和通信接口、精度不高、实时性差等缺点。实际运行表明,此系统采集电力数据的实时性和可靠性大为提高,并且系统具有成本低、体积小、人机交互友好等优点。

关键词:STM32;电力数据采集;模数转换;远程通信中图分类号:TP273　　文献标识码:A

DesignofelectricpowerdataacquisitionsystembasedonSTM32

ZhangXu　QiXueguang　LiShiguang　RuiYu　QiuBiao

(ShandongUniversityofScienceandTechnology,Qingdao266510)

Abstract:Thispaperintroducedalow-power-consumptionandhigh-performanceelectricpowerdataacquisitionsystembasedonSTM32,andexpatiatedonitsoperationalprincipleandthehardwareandsoftwaredesign.STM32sabundantfunctionmoduleshelpedthesystemtorealizemulti-channelsynchronousanalogue-to-digitalconversionsbyusingtheADCembeddedinSTM32withoutanyexpansionofASICchips,andthentheflexiblestaticmemorycontroller(FSMC)wasusedtoextendtheNANDFLASHtostoredata.Besides,theadvancedandstandardinterfaceofSTM32wasutilizedfortheRS485remotecommunicationbaseonMODBUSprotocol.Thissystemovercamethedisadvantagesoftraditionalelectricpowerdatacollectorssuchastherestrictedstoragespaceandcommunicationinterfaces,lowprecisionandbadreal-timecapability.Thepracticaloperationattestedfortheimprovedreal-timeperformanceandreliabilityofthesystemwhichwasoflowcost,smallvolume,andfriendlyhuman-computerinteraction.Keywords:STM32;electricpowerdataacquisition;A/Dconversion;telecommunication

0　引　　言

我国经济的高速发展带动了各行业对电力的大量需求,因此,迫切需要对电力供应进行科学的管理,电力数据采集系统作为电力供需管理的基本环节,发挥着重要作用,电力系统的发展对电力数据采集系统的精确性、实时性以及可靠性都提出了更高的要求。

传统的电力数据采集系统[1]受限于有限的存储空间和通信接口,存在精度不高、实时性差、采集信息量小等缺点,已无法满足实际的电力系统调度与管理需要,本文提出的基于STM32的新型电力数据采集器充分利用了STM32丰富的片上资源,大大节约了硬件投资,利用STM32具有快速采样的高性能ADC、先进的电源及时钟管理、双看门狗等功能,从而大大增强了系统的实时性与可靠性,精度显著提高,同时功耗大为降低。

1　总体设计方案

本系统由模拟量与开关量采集模块、通讯模块以及上位机人机交互模块组成,系统框

图如图1所示。首先电压、电流等模拟信号经信号调理电路调理后,经模数转换器ADC转换为数字信号,再由STM32进行数据处理;开

图1　系统原理

关量信号则通过I/O口输入,STM32通过中断或查询方

式进行读取[2]。电力数据经采集处理后,由液晶屏进行显示,同时进行储存以便对历史数据进行查询。为了使数据显示更加直观以及远程监控,通过RS485与上位机通信[3]。

第11期

2　系统硬件设计

2.1　STM32片上资源

本系统采用了ST公司基于Cortex-M3内核的32位增强型闪存微控制器STM32F103ZE作为控制核心,Cortex-M3内核是专门设计于满足集高性能、低功耗、实时

[4]

应用、具有竞争性价格于一体的嵌入式领域的要求。该芯片最高工作频率可达到72MHz,具有512K字节的闪存以及64K字节的SRAM,丰富的片上资源大大简化了系统硬件,同时大大降低了系统功耗。

STM32F103ZE12位ADC为逐次逼近型模数转换器,各通道的转换可以单次、连续、扫描或间断模式执行,转换结果以左对齐或右对齐方式存储在16位数据寄存器中[5]。通道采样时间可编程,总转化时间可缩减到1μs,此外,多种转换模式供选择,支持DMA数据传输。本系统采用定时器触发的同步注入模式,能够对多路信号进行同步采样。

STM32F103ZE具有5个USART串行通信接口,内置分数波特率发生器,发送与接收共用可编程波特率,最高达4.5Mbit/s,数据字的长度、停止位均可设置。

此外,灵活的静态存储器控制器FSMC能够通过同步或异步存储器与16位PC卡接口相连,便于外扩存储器和液晶显示屏。2.2　数据采集模块设计

数据采集包括对于模拟量与开关量的采集两部分。1)模拟量数据采集

由于电力数据采集信号为高电压信号和大电流信号,因此,首先要将其调理为满足STM32F103ZEADC输入范围的电压信号,以便进入ADC转换为数字量。各相电流信号经电流互感器和电流变送器,各相电压信号则通过电压互感器和电压变送器变换为低电压信号,输入到STM32的ADC模拟输入通道,其幅值范围为0～3.3V。

本系统采用同步注入模式配置ADC1的注入组通道采样Ua,Ia,配置ADC2的注入通道采样Ub,Ib,从而实现Ua/Ub及Ia/Ib的同步采样。又由于Ua+Ub+Uc=0,Ia+Ib+Ic=0计算出Uc,Ic。定时器2的TRGO事件触发A/D转换,1.5周期的采样时间,可以达到1μs的转换时间,数据右对齐格式进行存储,使用DMA数据传输[6],不需CPU干预,即可将ADC1和ADC2存储在寄存器ADC JDRx(x=1,2)中的转换数据快速存放到指定区域。

2)开关量数据采集

STM32F103ZE的I/O口都可以配置为开关量输入

端口,并且通用的I/O可以配置到16个外部中断线上。开关量输入电路如图2所示。开关量信号由IN端口输入,电容C与电阻R构成一阶低通滤波器滤除高频噪声,减小信号的毛刺,采用光耦合器TLP521实现现场开关量与ST

M32间的电气隔离,提高电绝缘和抗干扰能力[7]。

图2　开关量输入电路

2.3　数据存储与显示模块设计

为了实现电力数据采集历史数据的查询,系统扩展了512MBit的NANDFLASH,选用了ST公司的NAND512-A芯片,每页有512+16个字节,每块有16K+512个字节,顺序存取时间为50ns,页编程时间为200μs。STM32的静态存储器控制器FSMC可以把外部存储器划分为固定大小为256M字节的4个存储块,其中存储块2和3可用于访问NANDFLASH设备,本电力数据采集系统利用FSMC的存储块2连接芯片NAND512-A。

系统采用5.6英寸的彩色液晶显示器实现本地实时监控,并提供良好的人机交互功能。利用STM32F103ZE的FSMC模块控制液晶显示器,即将液晶作为外部存储设备来使用,配置好读写及控制信号的时序,指定指针即可实现对液晶的读写访问。利用这种方式,不仅简化了对液晶的操作,只需指定读写数据指针方可完成操作,而且提高了访问速度,同时,有效避免了用端口模拟时序访问液晶产生的“拉幕”现象[8]。

2.4　RS485通信模块设计

为了更直观的监控电力数据采集,系统需要把采集到的数据上传到控制中心的PC,同时也方便了计算机联网共享数据。传统的抄收数据费时费力,效率较低,而RS485通信方式结构简单,价格低廉,通信距离和数据传输速率适当[9]。系统采用MODBUS协议采用RS485通信方式,进行电力采集数据的远距离、高速传输。本系统选用了最高传输速率可达500Kbps的隔离型RS485通信芯片ADM2483,设计电路如图3所示。该芯片采用限摆率驱动器,较低摆率降低了不恰当的终端匹配和接头产生的误码。ADM2483接收输入具有真正的失效保护功能,驱动器还具有短路电流限制,并可以通过热关断电路将驱动器输出置为高阻状态,防止过度的功率损耗。

第33卷

实验数据表明,本系统设计合理,运行可靠,数据测量准确、精度高且实时性较好,与传统电力数据采集器相比具有显著优点。

图3　RS485通信电路

3　系统软件设计

本系统设计中,采用英蓓特公司和ARM公司最近联合推出的高效ARM开发环境RealviewMDK[10]为开发平台。应用程序包括主程序、数据采集及处理程序、串行通信程序3个主要部分。主程序主要负责对于系统时钟、GPIO口、嵌套中断的配置以及定时器、ADC和串行通讯模块的初始化。

数据采集及处理程序中,由定时器T2每隔6ms触发一次ADC注入组的同步转换,转换结束则会进入中断服务程序,然后读取转换结果并对数据进行处理,从而计算出电压、电流有效值等电力参数。其中,电压有效值计算式如下:u2k∑nk=1

式中:U为电压有效值,n为每周期采样点数,uk为第k点采样电压值。

电流有效值计算式为:

U=

I=i2k

∑k=1

式中:I为电流有效值,n为每周期采样点数,ik为电流采样值。

当A/D转换的数据数据量达到512个字节后,进行一次存储,将数据存入NANDFLASH中,以便实现历史数据查询。同时,通过RS485通信STM32将存储的数据发送到上外机,通信流程图如图4所示。

图4　通信流程

5　结　　论

本文介绍的电力数据采集系统采用ST公司的ARM芯片STM32F103ZE,芯片包含丰富的功能模块,系统无需外扩芯片即可实现A/D转换、数据通信等功能,大大简化了硬件设计,节约了投资。灵活的静态存储器控制器FSMC便于系统扩展存储器以及连接液晶显示屏。本系统具有功耗低、可靠性高等优点,采用MODBUS协议通过RS485与上位机实时通信,传输数据的实时性与可靠性显著提高。随着电力系统的发展,这种基于STM32的电力数据采集系统将有更高的应用价值和广阔的市场前景。

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4　实验结果与分析

A、B、C三相分别接到市电220V,利用25W、40W、

50W的灯泡作为三相负载,由本电力数据采集系统测得数据如表1所示。

表1　实验结果

电压/V电流/mA有功功率/W无功功率/W功率因数

A相219.3126.224.9712.050.90

B相

220.1202.040.0219.380.90

C相

219.6253.050.1224.220.90

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作者简介

第11期

监测与诊断技术。

亓学广,1957年出生,男,教授,硕士生导师,研究方向为电气监测与诊断技术。

李世光,1962年出生,男,高级工程师,硕士生导师,研究方向为电气监测与诊断技术。

芮昱,1985年出生,男,硕士研究生,研究方向为电气监测与诊断技术。

邱彪,1984年出生,男,硕士研究生,研究方向为电气监测与诊断技术。

张旭,1985年出生,男,硕士研究生,研究方向为电气(上接第80页)

参考文献

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作者简介

白士贤,1984年生,男,陕西宝鸡人,在读研究生,主要

研究方向机器视觉与模式识别。

石美红,1956年生,女,江苏仪征人,教授,主要研究方向为图像处理与模式识别,计算机网络应用技术等。

姜寿山,1958年生,男,陕西渭南人,教授,博士生导师,主要研究方向为计算机辅助设计与有限元分析及测试技术等。E-mail:meihong shi@http://www.77cn.com.cn

(上接第89页)

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作者简介

张闯,男,河南人,硕士研究生,主要研究方向为数字

图像处理。E-mail:zhang chuang@http://www.77cn.com.cn

吕东辉,男,河南人,博士,副教授,主要研究方向为医学图像处理、图像认证、3D图像重建等。E-mail:dhlu@http://www.77cn.com.cn

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/d7oi.html