CN202939199U

CN202939199U - 基于arm处理器的三相电能计量电路

Info

Publication number: CN202939199U
Application number: CN 201220588038
Authority: CN
Inventors: 张兴旺; 赖前程
Original assignee: China National Electric Apparatus Research Institute Co Ltd
Current assignee: Guangzhou Kinte Industrial Co Ltd
Priority date: 2012-11-08
Filing date: 2012-11-08
Publication date: 2013-05-15
Anticipated expiration: 2022-11-08

Abstract

本实用新型公开了一种基于ARM处理器的三相电能计量电路，包括用于采集待测三相交流电电流信息的三相电流采样电路、用于采集待测三相交流电电压信息的三相电压采样电路、具有电能参数校准功能的电能计量芯片和用于控制三相电能计量电路工作的ARM处理器，所述三相电流采样电路和三相电压采样电路的输出端分别连接到电能计量芯片的相应输入端口，所述电能计量芯片和ARM处理器的相应端口相连接，所述电能计量芯片接收三相电流采样电路和三相电压采样电路输出的信号并计算出待测三相交流电的电能参数，所述ARM处理器将该待测三相交流电的电能参数以可读数据形式输出。本实用新型能够实现对三相交流电电能参数的计量。

Description

基于ARM处理器的三相电能计量电路

技术领域

本实用新型涉及一种三相电能计量电路，具体地说是一种基于ARM处理器的三相电能计量电路。

背景技术

目前，对于三相交流电的电能参数，如三相电压、电流和功率等的采集，常用的采集方法是直接对三相交流电的电压和电流进行交流采样，再通过软件编程采用相应的算法计算出所需的三相电能数据。

采用上述现有技术的采集方法存在以下缺点：

首先，由于三相交流电的电压、电流信号中往往含有较多的高次谐波，若该采集方法的采样频率不够高，则容易造成信号高低频混叠，严重影响测量精度，故此方法须配备一款多通道、同步采样、高精度、高速度的A/D转换芯片，但此类芯片价格高昂；

其次，该采集方法的算法计算量大，因此其对运行算法的计量电路的运算量和运算速度要求很高，并且实现算法的软件编程设计繁琐。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种基于ARM处理器的三相电能计量电路，能够实现对三相交流电电能参数的计量。

本实用新型的目的是通过以下技术措施实现的：

一种基于ARM处理器的三相电能计量电路，所述的三相电能计量电路包括用于采集待测三相交流电电流信息的三相电流采样电路、用于采集待测三相交流电电压信息的三相电压采样电路、具有电能参数校准功能的电能计量芯片和用于控制三相电能计量电路工作的ARM处理器，所述三相电流采样电路和三相电压采样电路的输出端分别连接到电能计量芯片的相应输入端口，所述电能计量芯片和ARM处理器的相应端口相连接，所述电能计量芯片接收三相电流采样电路和三相电压采样电路输出的信号并计算出待测三相交流电的电能参数，所述ARM处理器将该待测三相交流电的电能参数以可读数据形式输出。

作为实用新型的改进，所述的三相电能计量电路还包括用于显示所述待测三相交流电电能参数的显示单元，该显示单元连接到所述ARM处理器的相应端口。

作为实用新型的改进，所述的三相电能计量电路还包括用于实现三相电能计量电路与上位机通信的串口通信模块；所述串口通信模块与ARM处理器的相应端口相连接。

作为实用新型的改进，所述的三相电能计量电路还包括用于实现三相电能计量电路与外部工控设备通信的CAN总线通信模块；所述CAN总线通信模块与ARM处理器的相应端口相连接。

作为实用新型的一种实施方式，所述电能计量芯片通过SPI总线与ARM处理器的相应端口相连接。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

本实用新型的三相电能计量电路采用采样电路对三相交流电进行电流、电压采样，并通过电能计量芯片计算三相交流电的电能参数，如高精度的量有功功率、无功功率、视在功率、电压有效值、电流有效值、波形采样、测量电压周期、频率等，并且该电能计量芯片测量精度高、可靠性高、抗电磁能力强，而ARM处理器只需将电能计量芯片计算出的电能参数以可读数据形式输出，这样，ARM处理器的工作量大大减轻，测量的精度也得以显著提高，而该处理好的可读数据形式电能参数能够方便地通过CAN总线和串口通信接口把三相电能参数发送到上位机或其他设备上，给数据采集终端提供了丰富的电气参数，因此，本实用新型的三相电能计量电路具有较高的性价比，可以应用于多个领域的电能计量中。

附图说明

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步的详细说明：

图1为本实用新型的电路原理框图；

图2为本实用新型中三相电流采样电路的电路原理图；

图3为本实用新型中三相电压采样电路的电路原理图；

图4为本实用新型中电能计量芯片及其外围电路的电路原理图；

图5为本实用新型中ARM处理器和串口通信模块的电路原理图；

图6为本实用新型中CAN总线通信模块的电路原理图。

具体实施方式

图1至图6示出了本实用新型基于ARM处理器的三相电能计量电路，该三相电能计量电路包括用于采集待测三相交流电电流信息的三相电流采样电路、用于采集待测三相交流电电压信息的三相电压采样电路、具有电能参数校准功能的电能计量芯片、用于控制三相电能计量电路工作的ARM处理器、用于显示所述待测三相交流电电能参数的液晶显示单元、用于实现三相电能计量电路与外部工控设备通信的CAN总线通信模块和用于实现三相电能计量电路与上位机通信的串口通信电路。其中，电能计量芯片选用ADI公司生产的ADE7758芯片，ARM处理器选用STM32F103VBT6处理器。

上述三相电流采样电路和三相电压采样电路的输出端分别连接到电能计量芯片的相应输入端口，所述电能计量芯片通过SPI总线与ARM处理器的相应端口相连接，液晶显示单元连接到所述ARM处理器的相应端口，串口通信模块和CAN总线通信模块分别与ARM处理器的相应端口相连接。所述电能计量芯片接收三相电流采样电路和三相电压采样电路输出的信号并计算出待测三相交流电的电能参数，如三相电压、电流有效值，三相视在功率、有功功率、无功功率及功率因数等，所述ARM处理器将该待测三相交流电的电能参数以可读数据形式输出，通过ARM处理器的控制，该可读数据形式的三相交流电电能参数分别在液晶显示单元上显示、通过CAN总线通信模块传输到外部工控设备通信以及通过串口通信电路传输到上位机。

参见图2，本实用新型的三相电流采样电路包括三个子电流采样电路，该三个子电流采样电路分别处理三相交流电其中一相的电流输入信号。第一子电流采样电路包括输入端子J2、电感L2、电感L3、电阻R1~R6、电容C27和电容C28；其中电感L2、电感L3和电阻R1~R6组成常用的电阻分压电路和差分输出电路形式，其作用是通过电路的分压和差分输出，将从输入端子J2输入的电压信号降压并以差分信号的形式输出，实现对三相交流电第一相电流的采样并适于上述ADE7758电能计量芯片对输入信号的要求，其中为保证降压精度，电阻R1~R6选用高精度电阻。第一子电流采样电路的差分输出正端，即电阻R2和电容C27的连接点连接到上述ADE7758电能计量芯片的IAP端，即其第5引脚；第一子电流采样电路的差分输出负端，即电阻R6和电容C28的连接点连接到上述ADE7758电能计量芯片的IAN端，即其第6引脚。通过合理设置第一子电流采样电路的电路参数，在本实用新型工作时，输入端子J2外接一莱姆公司生产的电流传感器，该电流传感器将三相交流电第一相的电流信号转换成电压信号通过端子J2输入第一子电流采样电路，第一子电流采样电路将该电压信号降压成最大电压为0.5VAC的差分信号，通过电容C27和电容C28滤波后向上述ADE7758电能计量芯片的IAP端和IAN端输出，其中，该电流传感器的参考地端应与本实用新型三相电流采样电路的参考地端分开设置。第二和第三子电流采样电路分别用于对三相交流电的第二和第三相信号进行降压和差分输出，它们与第一子电流采样电路的电路组成和工作原理均相同，在此不再赘述。第二子电流采样电路的输入端子为J3，它的差分输出端连接到上述ADE7758电能计量芯片的IBP端和IBN端，即其第7和第8引脚；第三子电流采样电路的输入端子为J4，它的差分输出端连接到上述ADE7758电能计量芯片的ICP端和ICN端，即其第9和第10引脚。

参见图3，本实用新型的三相电压采样电路包括输入端子J5、三个子电压采样电路，该三个子电压采样电路分别处理三相交流电其中一相的电压输入信号。第一子电压采样电路包括电感L9、电阻R19~R23和电容C47；其中电阻R19~R21和电阻R23组成常用的电阻分压电路形式，其作用是对从输入端子J5输入的电压信号进行降压输出，实现对三相交流电第一相电流的采样并适应于上述ADE7758电能计量芯片对输入信号的要求，其中为保证降压精度，电阻R19~R23选用高精度电阻。电容C47与电阻R23相并联，作用是对降压后的信号进行滤波，电阻R22的一端连接到电阻R23和电容C47的连接点，电阻R22的另一端为第一子电压采样电路的输出端，电阻R22的作用是限制第一子电压采样电路输出信号的电流。第一子电压采样电路的输出端连接到上述ADE7758电能计量芯片的VAP端，即其第16引脚；通过合理设置第一子电压采样电路的电路参数，在本实用新型工作时，三相交流电的第一相信号通过输入端子J5输入第一子电压采样电路，第一子电压采样电路将该第一相信号降压成最大电压为0.5VAC的交流电压信号，并向上述ADE7758电能计量芯片的VAP端输出。第二和第三子电压采样电路分别用于对三相交流电的第二和第三相信号进行降压输出，它们与第一子电压采样电路的电路组成和工作原理均相同，在此不再赘述。第二子电压采样电路的输出端连接到上述ADE7758电能计量芯片的VBP端，即其第15引脚；第三子电压采样电路的输出端连接到上述ADE7758电能计量芯片的VCP端，即其第14引脚。

参见图4，本实用新型的电能计量芯片选用ADI公司生产的ADE7758三相高精度多功能电能计量芯片，该ADE7758电能计量芯片是一款高精度三相电能测量IC，能在1000:1动态范围内的线形误差小于0.1%，并带有一个SPI串行通讯口和两路脉冲输出。其片内集成了两级Σ-△A/D转换器、数字积分器、参考电压源、温度传感器以及三相有功、无功、视在电能测量和电压、电流有效值计算的信号处理模块。

ADE7758电能计量芯片适用于在各种三相电路中(三线制或四线制)测量有功、无功、视在电能。它还为每相提供了系统校正功能，如有效值偏移校正、相位校正以及功率校正，其引脚APCF逻辑输出给出了有功功率的信息，引脚VARCF逻辑输出提供了瞬时无功功率和视在功率的信息。

ADE7758电能计量芯片内部有众多寄存器，其各种设定和操作主要是对这些寄存器的读和写。每个寄存器在读、写时，首先要执行一个写通信寄存器的操作，然后开始传输数据。ARM处理器写入的命令字控制着ADE7758的工作模式、测量模式、波形采样模式、有效值偏差补偿量和中断模式等。

其中，图4示出了该ADE7758电能计量芯片必要的外围电路的连接方式，该外围电路的连接属于现有技术，可参照该ADE7758电能计量芯片的技术手册设计，在此不再详细说明。其中，ADE7758电能计量芯片的DOUT端口，即其第24引脚连接到STM32F103VBT6处理器的PB14-53端口；ADE7758电能计量芯片的SCLK端口，即其第23引脚连接到STM32F103VBT6处理器的PB13-52端口；ADE7758电能计量芯片的DIN端口，即其第22引脚连接到STM32F103VBT6处理器的PB15-54端口；ADE7758电能计量芯片的CS端口，即其第21引脚连接到STM32F103VBT6处理器的PB12-51端口；ADE7758电能计量芯片的IRQ端口，即其第18引脚连接到STM32F103VBT6处理器的PB11-48端口；ARM处理器通过SPI与ADE7758通信，对ADE7758电能计量芯片进行参数校准，校准的参数写入ADE7758电能计量芯片相应的参数中。校准完成后就可以通过读取ADE7758电能计量芯片相应的寄存器得到所需要的三相电能数据，包括各相电压电流有效值、视在功率、有功功率、无功功率、功率因数、累计电量等电能参数。

本实用新型的ARM处理器选用STM32F103VBT6处理器，该ARM处理器是基于ARMV7架构的Cortex-M3处理器，具有较高的性价比，是这个应用系统的核心，包括ARM微处理器、SDRAM、FLASH等组成一个完成系统所必需的主要器件，其内核是ARM32位的Cortex-M3CPU，最高72MHz的工作频率。不仅支持Thumb-2指令集，而且拥有很多新特性。STM32F103VBT6拥有128K闪存，20K RAM，具备丰富的外设资源，如：三个USART，三个16位定时器，两个SPI、两个I2C、USB、CAN、一个PWM定时器和一个ADC，在众多的工业控制场合中得到广泛的应用。

图5示出了本实用新型的串口通信模块，该串口通信模块使用了带隔离型的增强型RS485收发器。ADM2483是带隔离的增强型RS485收发器，它包括一个三通道隔离器、一个带三态输出的差分驱动器和一个带三态输入的差分接收器。其1/8单位负载的接收器输入阻抗可允许多达256个收发器接入总线。最高传输速率可达500Kbps。其中，ADM2483收发器的RXD端口，即其第3引脚连接到STM32F103VBT6处理器的PD6-87端口；ADM2483收发器的RE和DE端口，即其第4和5引脚连接到STM32F103VBT6处理器的PD7-88端口；ADM2483收发器的TXD端口，即其第6引脚连接到STM32F103VBT6处理器的PD5-86端口。ARM处理器通过SPI得到三相电能参数并进行处理后，可以通过该串口通信模块把三相电能信息送给上位机或其他设备。

图6示出了本实用新型的CAN总线通信模块，CAN总线通信采用ADUM1201双通道高速隔离和TJA1050高速CAN总线收发器组成CAN总线通信电路。其中，ADUM1201芯片的VOA端口，即其第2引脚连接到STM32F103VBT6处理器的PA11端口；ADUM1201芯片的VIB端口，即其第3引脚连接到STM32F103VBT6处理器的PA12端口；ARM处理器通过SPI得到三相电能参数并进行处理后，可以通过CAN总线发送给其他工控设备。

本实用新型具有很强的通用性，可以应用于各种三相电能计量的系统中，如光伏逆变器、风电控制器等，硬件和软件的实现都非常方便和简单。电路的各个模块和功能接口具有很强的独立性，可以根据实际使用情况进行裁剪和替换；所有的器件都使用了标准的封装形式，各种输入/输出接口都使用了标准的通信协议和器件，符合产品的标准化要求。

本实用新型不局限与上述具体实施方式，根据上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本实用新型上述基本技术思想前提下，本实用新型还可以做出其它多种形式的等效修改、替换或变更，将上述电能计量芯片或ARM处理器以功能相同或相近的其他型号器件替代，均落在本实用新型的保护范围之中。

Claims

1.一种基于ARM处理器的三相电能计量电路，其特征在于：所述的三相电能计量电路包括用于采集待测三相交流电电流信息的三相电流采样电路、用于采集待测三相交流电电压信息的三相电压采样电路、具有电能参数校准功能的电能计量芯片和用于控制三相电能计量电路工作的ARM处理器，所述三相电流采样电路和三相电压采样电路的输出端分别连接到电能计量芯片的相应输入端口，所述电能计量芯片和ARM处理器的相应端口相连接，所述电能计量芯片接收三相电流采样电路和三相电压采样电路输出的信号并计算出待测三相交流电的电能参数，所述ARM处理器将该待测三相交流电的电能参数以可读数据形式输出。

2.根据权利要求1所述的基于ARM处理器的三相电能计量电路，其特征在于：所述的三相电能计量电路还包括用于显示所述待测三相交流电电能参数的显示单元，该显示单元连接到所述ARM处理器的相应端口。

3.根据权利要求2所述的基于ARM处理器的三相电能计量电路，其特征在于：所述的三相电能计量电路还包括用于实现三相电能计量电路与上位机通信的串口通信模块；所述串口通信模块与ARM处理器的相应端口相连接。

4.根据权利要求3所述的基于ARM处理器的三相电能计量电路，其特征在于：所述的三相电能计量电路还包括用于实现三相电能计量电路与外部工控设备通信的CAN总线通信模块；所述CAN总线通信模块与ARM处理器的相应端口相连接。

5.根据权利要求1至4任一项所述的基于ARM处理器的三相电能计量电路，其特征在于：所述电能计量芯片通过SPI总线与ARM处理器的相应端口相连接。