近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展，社會(huì)對(duì)電力的需求量與日俱增，電力供應(yīng)局面日趨緊張，嚴(yán)重制約我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展。因此，電力系統(tǒng)正常、安全、高效的運(yùn)行對(duì)于國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的健康發(fā)展有著極為重要的意義。

鑒于傳統(tǒng)電力儀表測(cè)量參數(shù)單一，精確度低，自動(dòng)化程度不高，維修管理困難的情況，研制一款新型高效、多功能電力儀表就顯得十分必要。本文設(shè)計(jì)的多功能電力儀表不但能夠詳細(xì)記錄電力系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的各種電力參數(shù)，而且能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)電能質(zhì)量污染。文章接下來(lái)從硬件和軟件兩個(gè)方面介紹該電力儀表的研制方法。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)及工作原理

本文采用ADI公司的Blackfin系列中的BF531這款DSP（Digital Signal Processor）作為主處理芯片、STM32F103 ARM芯片作為外圍模塊擴(kuò)展的總體設(shè)計(jì)方案。高性能DSP處理器可通過(guò)AD73360轉(zhuǎn)換電路取出采樣的數(shù)據(jù)，完成F FT（ F a s t Fo u r i e rTransform）變換和各種參數(shù)的計(jì)算、累加和顯示等操作。ARM處理器主要用于紅外模塊，MODBUS協(xié)議等外圍電路。其中，顯示模塊采用高清晰LCD,四行顯示界面，使面板更加美觀；RS-485通信接口的MODBUS協(xié)議，能夠方便的實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)智能化抄表，并且輸入輸出采用光耦隔離，有效地減少干擾，簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)，提高了性能和可靠性。

主電路用來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、程序，并進(jìn)行一系列運(yùn)算處理，它由BF5 3 1處理器及STM32F1 03處理器、SDRAM、FRAM、FLASH、I/O接口和定時(shí)/計(jì)數(shù)電路等芯片組成。鍵盤(pán)及LCD顯示部分則構(gòu)成人機(jī)交互的橋梁，RS485通信接口及紅外模塊則用來(lái)實(shí)現(xiàn)儀表與外部的數(shù)據(jù)交換功能。

圖1-1 多功能電力儀表的系統(tǒng)框圖

圖4-1 主體程序流程圖

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

（1）電壓、電流測(cè)量傳感器電路。

傳感器電路部分是整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的基礎(chǔ)，它將輸入電壓電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為測(cè)量系統(tǒng)能夠處理的小信號(hào)，供給主處理器進(jìn)行運(yùn)算、通信、顯示等使用。對(duì)于這種小信號(hào)的轉(zhuǎn)換主要通過(guò)電壓互感器（PT）和電流互感器（CT）實(shí)現(xiàn)。

由于該電力儀表測(cè)量的是三相交流電力參數(shù)，要求輸入電壓能夠在較大范圍內(nèi)變化，故選用SPT2 0 4A電壓互感器和SCT254A電流互感器來(lái)得到精度高、線形度好的5V輸出交流電壓[1].SPT204A是一款毫安級(jí)精密電壓互感器，輸入額定電壓、電流為100V、2mA.

電壓互感器的工作原理是，其一次側(cè)匝數(shù)和二次側(cè)匝數(shù)相同，即N1=N2,輸入和輸出的電流相同。輸入電壓U1通過(guò)電阻R1限流，產(chǎn)生有效值為2mA的輸入電流I1,耦合后在二次側(cè)產(chǎn)生大小相同的電流I2.可調(diào)節(jié)LM358運(yùn)算放大器反饋電阻R2的值得到所要求得電壓輸出值。電流互感器SCT254是一款精密電流互感器，變換器額

定輸入電流5A,輸出電流2.5mA,用法與電壓互感器相類(lèi)似。CT的工作原理實(shí)際上和PT相同，只是其一次側(cè)為電流線穿過(guò)，.在使用電流互感器時(shí)，次級(jí)回路嚴(yán)禁開(kāi)路。因?yàn)槿绻渭?jí)開(kāi)路，可能在次級(jí)感應(yīng)出很高的電動(dòng)勢(shì)，損壞裝置。1.2 A/D轉(zhuǎn)換芯片AD7336

A/D轉(zhuǎn)換電路選取美國(guó)AD公司推出的AD73360作為采集芯片，AD73360為6通道16位芯片，各通道相互獨(dú)立，可同時(shí)采樣，無(wú)需CPU干涉，從而有效的減少了由于采樣時(shí)間不同而產(chǎn)生的相位誤差。各個(gè)通道的采樣速率可以設(shè)置為8kHZ、16kHZ、32kHZ、64kHZ,每個(gè)通道的可以允許從直流到4kHz的模擬信號(hào)通過(guò)，由于各個(gè)通道

內(nèi)置的抗混疊濾波器，所以對(duì)其輸入端混疊濾波器的要求大為降低，而僅需要簡(jiǎn)單的一階RC濾波器即可。

（2）存儲(chǔ)器的選擇。由于BF531片內(nèi)有148KBytes的片內(nèi)存儲(chǔ)器，但是對(duì)于數(shù)據(jù)量龐大的FFT計(jì)算及多功能電力儀表的監(jiān)控程序、中斷處理（服務(wù)）程序以及各種算法的功能模塊來(lái)說(shuō)顯然是不夠得，必須外擴(kuò)SDRAM和F LASH.本系統(tǒng)采用的是HY57V641620HG芯片，他是一款高性能CMOS型1M*16Bit SDRAM,數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器與DSP的接口比較簡(jiǎn)單，其讀寫(xiě)信號(hào)以及數(shù)據(jù)線和地址線分別與DSP的一一對(duì)應(yīng)連接即可。程序存儲(chǔ)器選擇M25P80芯片，該芯片的容量為8M bit,采用SPI接口，最大傳輸速率為40Mhz,可以滿足處理器對(duì)數(shù)據(jù)的存取處理的需求。

（3）外部通信接口。RS485串行通訊總線標(biāo)準(zhǔn)及接口技術(shù)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、儀器、儀表、多媒體網(wǎng)絡(luò)、機(jī)電一體化產(chǎn)品等諸多領(lǐng)域。由于RS485具有性能優(yōu)異，特別是在要求遠(yuǎn)距離傳輸?shù)膽?yīng)用中。RS485接口標(biāo)準(zhǔn)主要是用于多站互聯(lián)[2].RS485協(xié)議的技術(shù)指標(biāo)：傳輸速率最大為10Mbit/s;最大距離為1200m;高阻抗抗噪聲的差分（有補(bǔ)償線）傳送；最高為32個(gè)節(jié)點(diǎn)；單組雙絞線電纜上的雙向主從通信；并行連接的節(jié)點(diǎn)、多工通信。

（4）按鍵與顯示模塊本裝置中共有4個(gè)按鍵": ↑","↓","確定","返回",裝置中所有參數(shù)設(shè)置和翻屏操作都需要用這4個(gè)按鍵來(lái)完成。考慮到按鍵操作的頻繁，STM32F103單片機(jī)有豐富的I/O接口，所以用帶中斷功能的P1口采用中斷方式來(lái)進(jìn)行按鍵編程，為遵循盡量減少外圍器件的原則，消抖處理通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。

本模塊設(shè)計(jì)采用圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊OCM12864.OCM12864中文液晶顯示模塊液晶屏幕為128*64點(diǎn)，可顯示四行，每行可顯示8個(gè)漢字。其字型ROM內(nèi)含8192個(gè)16*16點(diǎn)的中文字型和128個(gè)16*8點(diǎn)的半寬字母符號(hào)字型。繪圖顯示R AM提供64*32BYTE空間、最多控制256*64點(diǎn)的二維繪圖緩沖空間，繪圖顯示畫(huà)面提供一個(gè)64*256點(diǎn)的繪圖區(qū)域。

3 系統(tǒng)主體程序設(shè)計(jì)

程序設(shè)計(jì)是針對(duì)系統(tǒng)整體而進(jìn)行的。

整體程序分為幾個(gè)主要程序塊[3].即對(duì)DSP（BF531）的初始化程序，I/O初始化、存儲(chǔ)器初始化、A/D初始、LCD初始化、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理子程序、按鍵處理子程序、時(shí)鐘初始化部分等。初始化之后顯示開(kāi)機(jī)畫(huà)面，然后顯示各種電力參數(shù)值，再根據(jù)是否有按鍵執(zhí)行相應(yīng)的中斷子程序。

4 結(jié)語(yǔ)

本文以BF531 DSP芯片作為主處理器，完成硬件的總體設(shè)計(jì)，并在其平臺(tái)上高效地實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)中各相電壓與電流的直流分量、電壓與電流的有效值、功率、功率因數(shù)、費(fèi)率、頻率、模擬量、報(bào)警量輸出等傳統(tǒng)電力儀表的各種測(cè)量與計(jì)量，同時(shí)達(dá)到電網(wǎng)電壓和電流諧波狀況分析、電壓波動(dòng)分析等高端專(zhuān)用監(jiān)測(cè)儀器的部分功能。以STM32F103 ARM芯片作為輔助模塊設(shè)計(jì)，基本實(shí)現(xiàn)紅外線抄表及RS485通信接口與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，將電網(wǎng)運(yùn)行參數(shù)和系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的數(shù)據(jù)輸出等功能。