摘 要： 介紹了一種電量計量芯片ADE7758。采用PHILIPS公司的ARM微控制器LPC2210 和ADE7758芯片，開發(fā)了一種智能無功補償控制器。設(shè)計了相對應(yīng)的電力遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)以及現(xiàn)場無功補償控制單元的硬件電路和CDMA通信監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了對電力參數(shù)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸和控制。監(jiān)控系統(tǒng)具有較好的實時性、穩(wěn)定性和可擴展性。
關(guān)鍵詞： 配變電安全監(jiān)控(VCC)；FFT；無功補償；諧波分析
?
隨著國內(nèi)電網(wǎng)改造和電力系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴大，傳統(tǒng)的配電變壓器終端裝置已不能滿足配電自動化系統(tǒng)的要求[1-3]。由于ARM嵌入式處理器運行頻率高、內(nèi)存大，所以能夠充分保證智能儀器和測控系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的可靠運行，也便于LUNIX嵌入式操作系統(tǒng)的移植。其操作系統(tǒng)能將應(yīng)用分解成若干個任務(wù)調(diào)度運行，系統(tǒng)實時性強，軟件開發(fā)方便易行，特別適宜于測控系統(tǒng)中現(xiàn)場控制器的升級換代。因此，嵌入式單片機已成為智能儀器和測控系統(tǒng)的主流微控制器。
1 系統(tǒng)總體設(shè)計
本系統(tǒng)以ARM為控制核心，配合CDMA MODERM通信模塊，實現(xiàn)遠(yuǎn)程自動化控制、數(shù)據(jù)和參數(shù)復(fù)位、參數(shù)設(shè)置、請求實時數(shù)據(jù)、請求歷史數(shù)據(jù)、異常信息報警、負(fù)荷管理等功能，如圖1所示。圖中CDMA模塊是指具有登錄CDMA網(wǎng)絡(luò)功能的芯片。處理器與CDMA模塊通過串行協(xié)議通信，從數(shù)據(jù)采集器得到數(shù)據(jù)后，CDMA模塊負(fù)責(zé)以CDMA資料包的形式通過CDMA網(wǎng)絡(luò)把資料發(fā)送到中國聯(lián)通的內(nèi)部網(wǎng)(UNINET)，然后由中國聯(lián)通通過CDMA服務(wù)節(jié)點(GSN)，把資料發(fā)送到Internet上。由于CDMA網(wǎng)絡(luò)以IP尋址為基礎(chǔ)，所以主站只需要簡單接入Internet，并具備公網(wǎng)分配的IP地址即可。
2 監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計
2.1 ARM單片機及存儲器接口設(shè)計
(1)ARM單片機LPC2214簡介
LPC2214[4]是基于一個支持實時仿真和跟蹤的16/32位ARM7TDMI-STMCP的微控制器，并帶有128 KB的嵌入式高速片內(nèi)Flash存儲器。片內(nèi)128位寬的存儲器接口和獨特的加速結(jié)構(gòu)使32位代碼能夠在最大的時鐘頻率下運行。對代碼規(guī)模有嚴(yán)格控制的應(yīng)用可使用16位Thumb模式將代碼規(guī)模降低超過30%，而性能的損失卻很小。
由于LPC2214較小的144腳封裝、極低的功耗、多個32位定時器、8路10位ADC以及多達(dá)9個外部中斷，使其特別適用于工業(yè)控制、醫(yī)療系統(tǒng)、訪問控制和POS機。
LPC2214可使用的GPIO高達(dá)76個(使用了外部存儲器)或112個(單片應(yīng)用)。由于內(nèi)置了寬范圍的串行通行接口，它也非常適用于通信網(wǎng)關(guān)、協(xié)議轉(zhuǎn)換器、嵌入式軟Modem以及其他各種類型的應(yīng)用，電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。
?
(2)存儲器接口設(shè)計
存儲器接口電路如圖3所示。
2.2 電量計量電路設(shè)計
(1)ADE7758簡介
ADE7758[5]是一款多相多功能電能測量IC芯片，帶有一個串行口、兩路脈沖輸出。ADE7758集成了數(shù)字積分、參考基準(zhǔn)電壓源、溫度敏感元件等。帶有可用于有功功率、復(fù)功率、視在功率、有效值的測量以及以數(shù)字方式校正系統(tǒng)誤差（增益、相位和偏移等）所必須的信號處理電路。該芯片適用于各種三相電路（不論三線制或者四線制）中測量有功功率、復(fù)功率、視在功率。
(2)ADE7758應(yīng)用與ARM接口
本系統(tǒng)測量的額定電壓有效值為220 V，電流有效值為5 A。負(fù)載的電壓和電流分別通過電壓互感器和電流互感器接到ADE7758的模擬口，如圖4所示。分壓電阻和電流采樣電阻大小的選擇，既要充分利用ADE7758的A/D轉(zhuǎn)換位數(shù)，以提高精度，還要保證過量程時不至于測量溢出。最終輸入到ADE7758模擬端的電壓大小還與GAIN寄存器有關(guān)。
①為了增加A/D轉(zhuǎn)換精度和模擬抗干擾性，應(yīng)當(dāng)提高ADE7758模擬端口的信號幅值，故設(shè)定GAIN的放大倍數(shù)等于LVAP端和IAP端的最大輸入幅值為0.5 V。
②電壓通道以220 V額定值，根據(jù)變壓器的變比和0.5 V的末端電壓，粗略計算分壓電阻的個數(shù)和阻值；電流通道類似，換成考慮電流互感的變比，來估算采樣電阻的值。
③在調(diào)試時，讀出ADE7758的電壓、電流、功率等內(nèi)部寄存器的原始值，來驗證電阻值是否合適。
REF端為A/D轉(zhuǎn)換的參考電壓端，芯片內(nèi)部可產(chǎn)生2.5 V基準(zhǔn)電壓，它對測量精度的影響很大，所以用22 μF的鉭電容和0.1 μF獨石電容并聯(lián)去藕。
APCF和VARCF端采用光電隔離的方式輸出脈沖信號，以供校準(zhǔn)和電能計算。
3 軟件設(shè)計
3.1 配置ARM的FIFO模塊
只有正確設(shè)置CDMA模塊的參數(shù)，才能保證終端與主站正常通信。由于等待設(shè)置CDMA模塊參數(shù)指令的返回值的延時時間不能確定，為了能正確接收返回值，本系統(tǒng)利用了ARM7串口自帶的FIFO寄存器實現(xiàn)中斷接收[6]。每次接收清空接收緩沖區(qū)，這樣保證接收判斷無誤，不會由于“錯誤”的判斷產(chǎn)生錯誤的指令輸入到CDMA模塊。ARM7串口配置程序如下：
……
PINSEL0=(PINSEL0&(～0x0f )) | 0x00000005； //設(shè)置I/O連接到UART0
U0LCR=0x83； //DLAB=1，允許設(shè)置波特率
Fdiv=(Fpclk / 16) / UART_BPS； //設(shè)置波特率
U0DLM=Fdiv / 256；
U0DLL=Fdiv % 256；
U0LCR=0x03；
U0FCR=0x81； //使能FIFO，并設(shè)置出發(fā)點
U0IER=0x01；
VICIntSelect=0x00000000； //設(shè)置為IRQ中斷
VICVectCntl0=0x20|(1<<6)； //設(shè)置終端優(yōu)先級
VICVectAddr0=(uint32)UART0_FIFO_Rx； //保存中斷服務(wù)程序的入口地址
VICIntEnable |=(1<<6)；???????????????????????? //使能UART0的中斷允許
……
3.2 遠(yuǎn)程升級
遠(yuǎn)程升級是一項十分復(fù)雜的任務(wù)。為了防止傳輸誤碼，采用校驗和來檢驗升級報文的正確性。如果升級報文為多幀傳輸，則應(yīng)接收檢驗完最后一幀報文后，再通過串口輸出“＋＋＋”到CDMA模塊，令其進入命令模式。然后將接收的升級報文備份到SST39VF160中，不要覆蓋之前備份的升級報文，防止升級未完成時，仍能繼續(xù)工作。升級是一件比較重要的事件，因此，升級開始時，要置升級標(biāo)志，在升級完成后，再清該標(biāo)志，重新發(fā)指令，讓CDMA模塊撥號，最后發(fā)送升級確認(rèn)報文給主站。
3.3 ARM啟動代碼
(1)異常向量表。ARM處理器從邏輯地址0x00000000處讀取中斷向量表，而此地址初始映射為Flash地址，所以，如果要在RAM中運行程序且響應(yīng)中斷，則應(yīng)利用地址重映射功能(REMAP)將RAM中包含中斷向量表的地址映射到0x00000000處。
(2)VIC初始化。程序首先禁止所有中斷，以避免一個中斷沒有響應(yīng)又載入程序，從而因向量中斷控制器狀態(tài)錯誤而不能正確識別中斷。設(shè)置VICVectAddr寄存器的值為0，最后將所有中斷設(shè)置為IRQ中斷。
(3)設(shè)置CPSR寄存器的I位。因為使用UART0的FIFO中斷接收且設(shè)置為IRQ中斷，所以必須開啟IRQ，即清CPSR的I位，在啟動代碼中使用“MSR CPSR_c，#0x5F”指令。
此外，監(jiān)控系統(tǒng)還應(yīng)用了帶擴展AT+I指令集功能的CDMA通信軟件。其指令集以及實現(xiàn)編程不贅述。
由于移動通信系統(tǒng)為一個現(xiàn)有的平臺，在電力監(jiān)控系統(tǒng)中采用CDMA1X網(wǎng)進行數(shù)據(jù)傳輸，可以大大降低通信系統(tǒng)的一次性投資，而且可減少工程實施中調(diào)試通信系統(tǒng)的時間，降低通信系統(tǒng)的維護費用，減輕工作人員的勞動強度，提高工作效率及配網(wǎng)自動化管理水平。該系統(tǒng)已在廣西某電力部門應(yīng)用一年多。現(xiàn)場實際應(yīng)用效果證明采用ARM嵌入式控制器LPC2210和高精度電量計量芯片ADE7758使智能無功補償控制器工作更加穩(wěn)定，實時性更好，是一種理想的無功補償控制器升級換代產(chǎn)品，具有很好的推廣應(yīng)用前景。
參考文獻(xiàn)
[1] 王云，賈清寒，胡曉龍.基于無線網(wǎng)的配電變壓器監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用[J].電力系統(tǒng)自動化，2002，26(16)：75-78.
[2] 林功平，徐石明，羅劍波.配電自動化終端技術(shù)分析[J].電力系統(tǒng)自動化，2003，27(12).
[3] 楊彩虹，王芙蓉，賀德華.GSM的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和承載能力[J].電訊技術(shù)，2002，42(1)：101-105.
[4] 廣州周立功單片機發(fā)展有限公司.LPC2210/2220 User?Manual[EB/OL].www.zlgmcu.com，2005.
[5] Analog Devices.ADE7758 DateSheet，Poly Phase Multifunction Energy Metering IC with per Phase Information[Z].ANALOG DEVICES，2006.
[6] 杜春雷.ARM體系結(jié)構(gòu)與編程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2003.