基于STM32的新型电力数据采集系统的设计与实现

引言

传统的电力数据采集系统受限于有限的存储空间和通信接口，存在不高、实时性差、采集信息量小等缺点，已无法满足实际的电力系统调度与管理需要，本文提出的基于STM32的新型电力数据采集器充分利用了STM32丰富的片上资源，大大节约了硬件投资，利用STM32具有快速采样的高性能ADC、先进的电源及时钟管理、双看门狗等功能，从而大大增强了系统的实时性与可靠性，显著提高，同时功耗大为降低。

1、总体设计方案

本系统由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，系统框图如图1所示。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。

图1  系统原理

2、系统硬件设计

2.1、STM32片上资源

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1μs，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，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。

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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0～3.3V

2）开关量数据采集

STM32F103ZE的I/O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。开关量输入电路如图2所示。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。

图2  开关量输入电路

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-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200μs。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

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。本系统选用了传输速率可达500Kbps的隔离型RS485通信芯片ADM2483，设计电路如图3所示。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。

图3  RS485通信电路

3、系统软件设计

本系统设计中，采用英蓓特公司和ARM公司近联合推出的高效ARM开发环境RealviewMDK［10］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。

电压有效值计算式如下：

式中：U为电压有效值，n为每周期采样点数，uk为第k点采样电压值。

电流有效值计算式为：

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，通信流程图如图4所示。

图4  通信流程

4、实验结果与分析

A、B、C三相分别接到市电220V，利用25W、40W、50W的灯泡作为三相负载，由本电力数据采集系统测得数据如表1所示。

实验数据表明，本系统设计合理，运行可靠，数据测量准确、高且实时性较好，与传统电力数据采集器相比具有显著优点。

5、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。