基于ARM 技術(shù)的便攜式中頻功率測量儀設(shè)計

石彥華 唐建 張大剛 金曉東 劉琳秀

（中核陜西鈾濃縮有限公司 陜西省漢中市 723312）

電力是人們?nèi)粘Ｉ詈凸I(yè)生產(chǎn)中的主要能源，在現(xiàn)代化社會中起著越來越重要的作用。功率測量儀則廣泛應(yīng)用于電機、風(fēng)機、變頻器、供電設(shè)備等功率轉(zhuǎn)換裝置，實現(xiàn)功率、效率等參量的測量或監(jiān)測，服務(wù)于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

市場上常規(guī)的功率分析儀多為工頻分析儀，不滿足中頻測量功能，部分名牌分析儀體積大、重量重，且價格昂貴，不適合便攜測量及系統(tǒng)化、規(guī)?；蓱?yīng)用。

本文設(shè)計了一款基于ARM 技術(shù)的便攜式智能中頻功率測量儀，可以實現(xiàn)電壓、電流、功率、功率因數(shù)、頻率、電度計量測量或監(jiān)測。測量儀體積小、造價低、既可以單體使用，也可以通過以太網(wǎng)或Modbus 串行通信協(xié)議分散組網(wǎng)應(yīng)用。

1 測量原理

本設(shè)計核心部分為電壓、電流有效值轉(zhuǎn)化及測量，測量原理框圖如圖1 所示。通過電壓及電流互感器在三相交流監(jiān)測點取樣，獲取并行的多路電壓、電流弱信號，利用模擬開關(guān)分時選通成對的電壓和電流信號，并轉(zhuǎn)換至0-200mV電壓，通過AD736 真有效值轉(zhuǎn)換器進行有效值轉(zhuǎn)換，對轉(zhuǎn)換后的信號再次標(biāo)準(zhǔn)化為0-2V 范圍，以滿足AD7705 模數(shù)轉(zhuǎn)換信號測量范圍，ARM 芯片通過SPI 接口讀取電壓、電流數(shù)字量有效值。

圖1：測量原理框圖

頻率和相移的測量通過其它輔助電路進行。

2 整體設(shè)計方案

本方案主要由電壓互感器、羅氏線圈、模擬開關(guān)電路、信號調(diào)整電路、AD736 真有效值電壓轉(zhuǎn)換芯片、信號標(biāo)準(zhǔn)化電路、AD7705 模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片、STM32F407 微控制器及LCD 顯示屏組成。整體設(shè)計方案如圖2 所示。

圖2：整體設(shè)計方案圖

三相線電壓信號經(jīng)過三路電壓互感器及輔助電路后，分別轉(zhuǎn)化為0-3VAC 信號，傳輸給模擬開關(guān)電路1，在ARM芯片I/O口控制下，分時選通其中一路信號，一分為二該信號，一路經(jīng)電壓調(diào)整電路轉(zhuǎn)化為0-200mV 信號，被AD736 電壓真效值轉(zhuǎn)換芯片及信號標(biāo)準(zhǔn)化輸出電路轉(zhuǎn)化為0-2VDC 有效值，再由AD7705 模數(shù)芯片通道1 轉(zhuǎn)化為數(shù)字量信號，經(jīng)SPI 接口傳輸給ARM 芯片，即可獲得線電壓有效值；另一路信號通過LM393 過零檢測電路轉(zhuǎn)化為方波信號，由ARM芯片測量其頻率信號，即可獲得中頻供電電壓頻率值。

同理，三相線電流信號經(jīng)過三路羅氏線圈及輔助電路后，分別轉(zhuǎn)化為0-3VAC 信號，傳輸給模擬開關(guān)電路2，在ARM芯片I/O口控制下，分時選通其中一路信號，一分為二該信號，一路經(jīng)電流調(diào)整電路轉(zhuǎn)化為0-200mV 信號，被AD736 電壓真效值轉(zhuǎn)換芯片及信號標(biāo)準(zhǔn)化輸出電路轉(zhuǎn)化為0-2VDC 有效值，再由AD7705 模數(shù)芯片通道2 轉(zhuǎn)化為數(shù)字量信號，經(jīng)SPI 接口傳輸給ARM 芯片，即可獲得線電流有效值；另一路信號通過LM393 過零檢測電路轉(zhuǎn)化為方波信號，由ARM芯片測量其頻率信號，即可獲得中頻供電電流頻率值。

電壓、電流頻率方波信號經(jīng)過輔助電路74HC08 芯片的“與”處理后，形成脈沖信號，測量該脈沖信號寬度，即可獲得電壓與電流信號的相移量。

STM32F407 為微控制器芯片，用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、功能控制、數(shù)值計算等功能。通過網(wǎng)絡(luò)接口芯片可以實現(xiàn)以太網(wǎng)通訊，通過RS485 接口可實現(xiàn)Modbus 串行通信，使得該功率測量儀既可以單體使用，也可組網(wǎng)使用。

LCD液晶顯示屏通過串口數(shù)據(jù)總線與ARM芯片相連接，可分頻顯示中頻功率測量儀的各項參數(shù)。液晶屏具有觸摸功能，可以替代機械按鍵，實現(xiàn)翻屏、電壓校準(zhǔn)、電流校準(zhǔn)等功能。

3 硬件設(shè)計

3.1 ARM最小系統(tǒng)電路設(shè)計

本設(shè)計選用ST 意法半導(dǎo)體制造的STM32F407 芯片實現(xiàn)功率測量儀的邏輯功能，該芯片是一款基于ARMCortex-M4內(nèi)核STM32 系列的32 位微控制器，主頻168MHz、512KB Flash、192+4KB SRAM，同時具有豐富的接口資源，完全滿足設(shè)計要求。

3.2 模擬開關(guān)選通電路設(shè)計

選用HI1-0509-05 為模擬開關(guān)芯片，它具有雙四路模擬通道功能，依據(jù)二進制編碼數(shù)值可分時選通其中一組通道。設(shè)計中使用了兩片模擬開關(guān)芯片，一片用于選通電壓信號，一片用于選通電流信號。

3.3 真有效值轉(zhuǎn)化電路設(shè)計

3.3.1 電路設(shè)計

選用AD736 真有效值轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)電壓、電流有效值轉(zhuǎn)化，其主要特點是準(zhǔn)確度高、靈敏性好、測量速率快、頻率特性好、且功耗低，最大電源工作電流為200μA。用它來測量正弦波電壓的綜合誤差不超過±1%。

本設(shè)計中，使用了兩片AD736 轉(zhuǎn)換器，分別用于電壓、電流真有效值轉(zhuǎn)化。如圖3 所示為電壓真有效值轉(zhuǎn)換電路，電流真有效值轉(zhuǎn)換電路與此相同。

圖3：電壓真有效值轉(zhuǎn)化電路圖

R-R為信號調(diào)整電阻，使電壓或電流采樣信號調(diào)整到200mV。

電容C為隔直電容，若選AD736 低頻截止頻率為2Hz，則C=1/(2 兀*2*100)=0.8uF，選C1=1uF，耐壓大于400V。保護電路由R，VD、VD組成。R取值越大，保護性能越好，但頻率特性變差，通常取R為33KΩ。C為AD736 用于交流測量時必須外接電容，若低頻截止頻率為2Hz，則C=1/(2 兀*2*8)=10uF，式中8KΩ 電阻為AD736的1 腳內(nèi)部電阻。平均電容C的值直接影響AD736 的低頻特性，據(jù)測試，若C=33uF，f=10Hz 時，直流誤差為±1%，因此為能測量低頻信號有效值，應(yīng)選擇較大的值。

設(shè)置LM358 運算放大器放大倍數(shù)為10，使有效值信號標(biāo)準(zhǔn)化為0-2V 信號，傳輸給AD7705 模數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片。

3.3.2 Proteus 功能及線性度仿真

利用Proteus 軟件對所設(shè)計的真有效值轉(zhuǎn)化電路的功能及線性度進行了仿真和驗證，驗證表明電路邏輯功能設(shè)計正確，輸出信號曲線平滑、穩(wěn)定。

3.4 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計

選用AD7705 實現(xiàn)A/D 轉(zhuǎn)換，AD7705 為完整16 位、低成本、Σ-Δ 型ADC，片內(nèi)可編程增益放大器提供從1 至128 的增益設(shè)置，無需使用外部硬件調(diào)理電路便可接收低電平和高電平模擬量輸入，ARM 芯片通過SPI 串行接口即可讀取數(shù)字量數(shù)值。

3.5 頻率測量方波轉(zhuǎn)換電路設(shè)計

本設(shè)計，使用了一片LM393 芯片，實現(xiàn)電壓、電流正弦波過零檢測方波電路轉(zhuǎn)換，比較器1 用于電壓信號的過零比較，比較器2 用于電流信號的過零比較。形成的方波信號接入ARM 芯片，通過定時器捕獲計數(shù)即可獲得頻率信號數(shù)值。如圖4 所示為電壓頻率信號方波轉(zhuǎn)換電路圖。

圖4：電壓頻率信號方波轉(zhuǎn)換電路圖

3.6 相移脈沖轉(zhuǎn)換電路設(shè)計

選用74HC08 門電路實現(xiàn)電壓、電流相移脈沖轉(zhuǎn)換電路。門電路的兩個輸入端分別接入電壓、電流方波信號，輸出端則形成兩種信號的“與”邏輯脈沖信號，由ARM 芯片測量這個脈沖信號的寬度，并結(jié)合電壓信號的頻率，即可計算出相移量。

3.7 通訊接口電路設(shè)計

3.7.1 以太網(wǎng)通訊接口電路設(shè)計

本設(shè)計選用W5500 芯片實現(xiàn)以太網(wǎng)通訊，W5500 是一款全硬件TCP/IP 嵌入式以太網(wǎng)控制器，為嵌入式系統(tǒng)提供了更加簡易的互聯(lián)網(wǎng)連接方案。

3.7.2 Modbus 串行通信接口電路設(shè)計

本設(shè)計使用TD301M485 芯片實現(xiàn)Modbus 串行通信接口電路。

4 軟件設(shè)計

4.1 主流程圖

主流程圖如圖5 所示，首先初始化ARM 系統(tǒng)時鐘、使能相關(guān)硬件接口及中斷分組配置等，然后進入主函數(shù)循環(huán)體。主循環(huán)體中，ARM 首先選通HI1-0509-05 通道0，則對應(yīng)的A 相的電壓、電流信號被選通，依次測量電壓、電流、相移、頻率數(shù)值。A 相測量完畢，則同理依次選通通道1、通道2，完成B 相、C 相的測量。三相電壓、電流基本參數(shù)測量完畢后，根據(jù)功率測量儀相關(guān)的計算公式，即可計算出其它所需的參數(shù)，計算完畢，用新的參數(shù)，刷新LCD 液晶屏。

圖5：系統(tǒng)主流程圖

4.2 有效值測量子函數(shù)

選用AD7705 芯片實現(xiàn)電壓、電流信號的有效值測量。軟件首先初始化AD7705 通道1 和通道2 的數(shù)據(jù)時鐘、極性、緩沖、增益、濾波器方式和校準(zhǔn)方式，然后啟動數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，待數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化完成后讀高、低字節(jié)數(shù)據(jù)，通過計算即可獲得有效值，部分程序如下所示。

4.3 頻率測量子函數(shù)

頻率測量采用ARM 芯片定時器的捕獲方式實現(xiàn)，電壓頻率測量通道為TIM2-CH3，電流頻率測量通道為TIM2-CH4，捕獲方式為上升沿中斷捕獲，當(dāng)發(fā)生兩次捕獲后，計算前后兩次計數(shù)器的差值，獲得計數(shù)脈沖，以系統(tǒng)時間為標(biāo)準(zhǔn)，即可計算出頻率數(shù)值。

4.4 相移脈寬測量子函數(shù)

相移脈寬測量同樣采用ARM 芯片的定時器捕獲方式實現(xiàn)。所使用的通道為TIM1-CH1，捕獲方式為上升沿、下降沿中斷捕獲，當(dāng)發(fā)生兩次捕獲后，定時器可能會溢出N 個整數(shù)次，每個整數(shù)的計數(shù)值為65536，以及n 個小于65536 的計數(shù)值，累加這些計數(shù)值，再以系統(tǒng)時間為參照，即可獲得脈沖的寬度數(shù)值。

4.5 參數(shù)計算

軟件中，只需要測量出線電壓、電流有效值和弧度數(shù)，其它參數(shù)依據(jù)計算公式即可得到，具體計算方法如下。

線電壓：

式中：Me_pulse 為捕獲計數(shù)脈沖數(shù)，full_voltage 為滿量程電壓數(shù)值，set_pulse 為電壓校準(zhǔn)時脈沖數(shù)值；

線電流：

式中：Me_pulse 為捕獲計數(shù)脈沖數(shù)，full_current 為滿量程電流數(shù)值，set_pulse 為電流校準(zhǔn)時脈沖數(shù)值；

弧度數(shù)值：

式中：pulse 為脈沖寬度計數(shù)數(shù)值，F(xiàn)re 為電壓頻率數(shù)值，systime 為ARM 系統(tǒng)時鐘數(shù)值；

5 功能、性能測試

5.1 電路板組裝測試

功率測量儀硬件部分的實現(xiàn)采用模塊化功能設(shè)計，主要由電壓/電流信號標(biāo)準(zhǔn)化模塊，電壓/電流信號調(diào)理模塊，ARM 信號處理模塊和LCD 顯示屏四部分組成，通過測試各模塊功能正常。

5.2 現(xiàn)場聯(lián)機對比測試

在現(xiàn)場與標(biāo)準(zhǔn)功率分析儀進行了實際帶載對比測試，測試數(shù)據(jù)如表1 所示。實驗數(shù)據(jù)表明，本設(shè)計功率測量儀與標(biāo)準(zhǔn)功率分析儀對比測試結(jié)果非常吻合。

表1：功率測量儀現(xiàn)場聯(lián)機性能測試數(shù)據(jù)

6 結(jié)束語

本文以ARM STM32F407 為邏輯功能芯片，結(jié)合Proteus 仿真軟件，設(shè)計了便攜式中頻功率測量儀硬件電路，通過軟件算法，實現(xiàn)了功率測量儀各項參數(shù)的測量及運算。實驗結(jié)果表明，測量儀功能完備、數(shù)據(jù)測量精確，既具有便攜移動測量的優(yōu)點，又具有分布組網(wǎng)測量的特點。