（广东电网茂名电白供电局）
摘要：介绍了一种基于STM32单片机的低功耗、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单片机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 NAND FLASH 存储数据，并利用 STM32单片机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、体积小的特点。
关键词：ST M32；电力数据采集；模数转换；远程通信
1 引言
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。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。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。
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。通道采样时间可编程，总转化时间可缩减到1s，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O～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Ialib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TRG0事件触发A／D转换，1．5周期的采样时间，可以达到1／zs的转换时间，数据右对齐格式进行存储，使用DMA数据传输，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／0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STM32间的电气隔离，提高电绝缘和抗干扰能力。
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NAND512一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200s。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。
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。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R$485通信芯片ADM2483。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。
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）C注入组的同步转换，转换结束则会进人中断服务程序，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：
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。
4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。
参考文献：
[1]姚国珍，康怡． 基于 D SP 的电力数据采集平台的设计与研究 [J]．电子工程 师，2004，30（4）：72-74．
[2]林涛，邹黎华，耿勇男．多类型多通道的数据采集系统的设计[J]．电子测量与仪表学报，2009，23（S1）：236-239．
[3]鲁力，张波．嵌入式 T C P／ IP协议的高速电网络数据采集系统[J]．仪器仪表学报，2009，30（2）：405-409．
[4]季力．基于ST M 32芯片的电参数测量与数据传输[J]．自动化与 仪器仪表，2010（3）：137-139．
论文作者:廖锦鸿
论文发表刊物:《河南电力》2018年21期
论文发表时间:2019/5/22
标签：数据论文; 信号论文; 电力论文; 通信论文; 系统论文; 数据采集论文; 存储器论文; 《河南电力》2018年21期论文;