2019年10月30日 | 基于STM32和以太网的远程电参数测量系统设计

　　摘要 针对目前各地用电及收费管理不便的问题，文中研究了基于ARM和以太网的远程电参数测量技术。该技术主要用于对电参数的采集和存贮。主控制器采用32位的ARM微处理器STM32F103V，接口硬件设计配合上位机显示电参数。上位机采用LabVIEW的DataSocket枝术编写实现显示功能。通过上下位机的结合，完成电能的计量，进而方便收费管理。

　　随着人们用电管理方式逐步、向着更加智能、高效和网络化的改善。文中结合网络技术，采用高性能的以太网控制芯片W5100，利用专用的电能计量芯片CS5460A研究了电参数的远程传输。通过W5100嵌入以太网，可以实现数据的远程传输，有效地将经CS5460A采集的电流值、电压值及功率值传送至PC，较好地完成了电能计量和收费管理。

　　1 系统总体方案设计

　　设计采用Cirrus Logic公司专用的电能计量芯片CS5460A、WIZnet公司生产的以太网控制器W5100、ST公司推出的STM32F103V作为CPU，以及LCD显示、网络变压器911105A、RJ45接口等。系统框图如图1所示。

　　2 系统硬件设计

　　2.1 W5100及CS5460A

　　W5100是一款多功能的单片网络接口芯片，内部集成10/100以太网控制器，主要应用于高集成、高稳定、低成本的嵌入式系统中，可以实现没有操作系统的Internet连接。W5100内部集成了全硬件的且经过多年实践验证的TCP/IP协议栈，同时内部还集成有16 kB存储器用于数据传输。

　　CS5460A是一个包含两个△∑模数转换器(ADC)、功率计算功能、电能到频率转换器、高速电能计算功能和一个串行接口的高度集成的△∑模数转换器。它可以精确测量瞬时电压，电流和计算有功电能、无功功率、瞬时功率、IRMS、VRMS，用于研制开发单相、2线和3线电表。为便于与外部控制器间的信号传输，CS5460A集成有一个简单的三线穿行接口，该串口与SPITM兼容。

　　2.2 前端调理电路设计

　　利用互感器与精密电阻网络组成的调理电路，将电压和电流转换成为芯片可以接受的小电压、电流信号，该方案设计简单、精度高，且实现了芯片与电网隔离，保证了芯片的安全，硬件电路如图2所示。

　　2.3 数据测量及采集

　　2.3.1 电流和电压测量

　　CS5460A可以利用电压互感器或组织比较大的分压电阻测量电压，使用价格比较低的电流互感器或分流器测量电流。

　　CS5460A具有功率计算引擎和电能-脉冲转换双通道ADC。电压通道输入引脚VIN±，两端输入一电压信号波，经10倍增益放大器放大，再通过2 nd△∑调制数字化。同时，电流通道输入引脚IIN±两端输入一电压信号波，为适应不同电平的输入电压，电流通道集成有一个增益可编程放大器(PGA)，使输入电平量程可选为±250 m VRMS或±50 m VRMS。通过4th△∑调制器来数字化。两个调制器的采样速率为MCLK/8。

　　两个通道都提供了一个可选的高通滤波器，加入信号通路，以在VRMS/IRMS有功功率之前除去电流电压信号中的直流成分。

　　数字滤波器输入字是基于DC偏移量调整和增益校准。校准后测量的瞬时电压，电流是有效的。RMS值是利用最近的N格瞬态电压/电流采样值计算，这些值可以从IRMS和VRMS寄存器中读出

　　2.3.2 功率测量

　　由电功率的基本定义可知：电功率等于电压与电流的乘积

　　P=I×U (2)

　　式中，P为电功率;I为电流;U为电压。

　　目前对电功率测量的方法有指针式功率表测量法和模拟乘法器测量法两种。

　　指针式测量法测量简单、频率响应低、精度低，且低功率因数的功率测量表价格较高。模拟乘法器测量法：采用专用的集成芯片进行测量，精度高但整个仪表价格较高。由电功率的定义可知，以模拟量表示的电路消耗的功率为

　　式中，u，i分别为瞬时值;T为累积时间。为使电压、电流信号能被STM32系统接收，必须对其进行采样，以离散量表示的电功率的表达式为

　　其中，△t为采样间隔时间;N为采样总次数;uk、ik为某一瞬时电压和电流的采样值。采样的值必须经过量化，即转化为数字信号才能被计算机接收，采样和量化的过程即为A/D转换的过程。

　　另外，瞬时电压/电流的采样数据相乘，得到瞬时功率。N个瞬时功率平均计算出有功功率的值来驱动电能脉冲输出。

　　视在功率

　　S=VRMS×IRMS (5)

　　经过对数据的测量和计算，把所得到的IRMS、VRMS，电流、电压或电能的瞬时值分别写入不同的数据寄存器，等待主控制器STM32的读取。

　　3 通信接口的软件设计

　　上位机的软件设计部分，采用LabVIEW的DataSocket技术编写，DataSocket能方便地实现测试中断和现场仪器之间的数据交换，同时满足时实行、安全性的指标要求。系统软件流程图如图3所示。

　　3.1 客户端接收服务器发出的数据

　　客户端接收服务器发出的数据即DataSocket，读取W5100内部寄存器所存储数据的应用程序框图如图4所示。

　　数据经服务器W5100上传，经DataSocket Read控件读取再发送给远程控制面板，先在DataSocket Read侧说明数据类型，或由变体值数据转换节点Variant ToData转换数据类型，并在PC显示，所显示数值与服务器端发送的所采集的数据一致，达到了远程监控测试系统给的目的，同时用一个写测量文件(Write LabVIEWMeasurement File Express VI)来保存数据以方便存取和查看。在框图里，“connection in”输入的是W5100所保存的URL，而数值显示控件显示所测得的电参数。显示和保存历史数据程序框图如图5所示。

　　3.2 客户端给服务器传输数据

　　写模块的核心是DataSocket Write.vi，它在工作前需要指定URL地址，VI每次从上一步接收数据后形成数据包并发送到目的地址。可以把通过DataSocket Read读取到的并已经保存的历史数据经DataSocket Write将数据写入到服务器，而服务器端则通过DataSocket Read从服务器上读取远程控制信号，然后根据控制信号功能实现不同的控制功能，进行显示并保存。程序框图如图6所示。

　　4 实现过程及设计结果

　　具体实现过程为：前端电路调理模块把所输入的大电压信号转变为CS5460A可以接受的小电压信号，以差模电压或电流的形式输入进去，CS5460A根据采样电路输入的瞬时电压、瞬时电流及瞬时功率由SPI串口传送至主控制器STM32F103，电压或电流信号通过STM32F103丰富的外围接口进行输入或通过外部DataBus输入，然后再用STM32处理器对传输的电流或电压数据进行预处理，再通过SPI接口把数据传递给W51 00芯片以完成网络协议的处理，最后通过网络连接端口把信号传输到PC机，从而实现远程人机互动。

　　5 结束语

　　以基于ARM Cortex—M3的微处理器STM32F103VET6为主控制器，通过电量测量专用芯片CS5460A实现电量的精确测量，再利用以太网技术实现电量的监控，从而实现电参数的远程传输。远程电参数测量技术是测控领域发展的方向之一，各种新技术、新器件、新理论的出现和计算机网络的飞速发展，将促进远程电参数测量技术的发展和应用。