基于ARM和以太网的远程电参数测量技术研究

        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。


图1 系统框图

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。


图2 前段调理电路


       
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




       
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。


图3 系统软件流程图

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。


图4 接受数据回路的设计

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。


图5 读取你是数据程序框图


       
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。


图6 发送数据回路的设计

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。