采用利用BF531 DSP芯片設(shè)計多功能電力儀表

近年來，隨著我國經(jīng)濟和社會的發(fā)展，社會對電力的需求量與日俱增，電力供應(yīng)局面日趨緊張，嚴重制約我國經(jīng)濟社會的發(fā)展。因此，電力系統(tǒng)正常、安全、高效的運行對于國民經(jīng)濟和社會的健康發(fā)展有著極為重要的意義。

鑒于傳統(tǒng)電力儀表測量參數(shù)單一，精確度低，自動化程度不高，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)計的多功能電力儀表不但能夠詳細記錄電力系統(tǒng)運行過程中的各種電力參數(shù)，而且能夠?qū)崟r監(jiān)測電能質(zhì)量污染。文章接下來從硬件和軟件兩個方面介紹該電力儀表的研制方法。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計及工作原理

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展的總體設(shè)計方案。高性能DSP處理器可通過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，能夠方便的實現(xiàn)與上位機的數(shù)據(jù)交換，實現(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，簡化了電路設(shè)計，提高了性能和可靠性。

主電路用來存儲數(shù)據(jù)、程序，并進行一系列運算處理，它由BF5 3 1處理器及STM32F1 03處理器、SDRAM、FRAM、FLASH、I/O接口和定時/計數(shù)電路等芯片組成。鍵盤及LCD顯示部分則構(gòu)成人機交互的橋梁，RS485通信接口及紅外模塊則用來實現(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

（1）電壓、電流測量傳感器電路。

傳感器電路部分是整個測量系統(tǒng)的基礎(chǔ)，它將輸入電壓電流信號轉(zhuǎn)換為測量系統(tǒng)能夠處理的小信號，供給主處理器進行運算、通信、顯示等使用。對于這種小信號的轉(zhuǎn)換主要通過電壓互感器（PT）和電流互感器（CT）實現(xiàn)。

由于該電力儀表測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似。CT的工作原理實際上和PT相同，只是其一次側(cè)為電流線穿過，.在使用電流互感器時，次級回路嚴禁開路。因為如果次級開路，可能在次級感應(yīng)出很高的電動勢，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，各通道相互獨立，可同時采樣，無需CPU干涉，從而有效的減少了由于采樣時間不同而產(chǎn)生的相位誤差。各個通道的采樣速率可以設(shè)置為8kHZ、16kHZ、32kHZ、64kHZ,每個通道的可以允許從直流到4kHz的模擬信號通過，由于各個通道

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

（2）存儲器的選擇。由于BF531片內(nèi)有148KBytes的片內(nèi)存儲器，但是對于數(shù)據(jù)量龐大的FFT計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說顯然是不夠得，必須外擴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)存儲器與DSP的接口比較簡單，其讀寫信號以及數(shù)據(jù)線和地址線分別與DSP的一一對應(yīng)連接即可。程序存儲器選擇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串行通訊總線標準及接口技術(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，特別是在要求遠距離傳輸?shù)膽?yīng)用中。RS485接口標準主要是用于多站互聯(lián)[2].RS485協(xié)議的技術(shù)指標：傳輸速率最大為10Mbit/s;最大距離為1200m;高阻抗抗噪聲的差分（有補償線）傳送；最高為32個節(jié)點；單組雙絞線電纜上的雙向主從通信；并行連接的節(jié)點、多工通信。

（4）按鍵與顯示模塊本裝置中共有4個按鍵": ↑","↓","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個按鍵來完成?？紤]到按鍵操作的頻繁，STM32F103單片機有豐富的I/O接口，所以用帶中斷功能的P1口采用中斷方式來進行按鍵編程，為遵循盡量減少外圍器件的原則，消抖處理通過軟件來實現(xiàn)。

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

3 系統(tǒng)主體程序設(shè)計

程序設(shè)計是針對系統(tǒng)整體而進行的。

整體程序分為幾個主要程序塊[3].即對DSP（BF531）的初始化程序，I/O初始化、存儲器初始化、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、時鐘初始化部分等。初始化之后顯示開機畫面，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

本文以BF531 DSP芯片作為主處理器，完成硬件的總體設(shè)計，并在其平臺上高效地實現(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)、費率、頻率、模擬量、報警量輸出等傳統(tǒng)電力儀表的各種測量與計量，同時達到電網(wǎng)電壓和電流諧波狀況分析、電壓波動分析等高端專用監(jiān)測儀器的部分功能。以STM32F103 ARM芯片作為輔助模塊設(shè)計，基本實現(xiàn)紅外線抄表及RS485通信接口與上位機進行數(shù)據(jù)交換，將電網(wǎng)運行參數(shù)和系統(tǒng)運行狀態(tài)的數(shù)據(jù)輸出等功能。