基于STM32与Labview的电参数测量系统设计

基于STM32与Labview的电参数测量系统设计
黄丰磊;卢海锋;朱浩然
【摘要】为解决传统电参数测量仪智能化程度低和数据无法分析、存储等问题,应用STM32和Labview软件设计工频电参数测量系统,实现电压、电流、相位、频率、无功功率、有功功率以及功率因数等参数的测量及分析。

采用高精度三相电能测量集成芯片ATT7022E对三相电参数进行采样,运用STM32 I/O模拟SPI方式驱动ATT7022E获取电参数测量数据,通过串口数据传输到Labview并对采集数据进行处理。

结果表明,系统具有智能化程度高、使用方便、易于维护等优点。

【期刊名称】《电器与能效管理技术》
【年(卷),期】2014(000)015
【总页数】4页(P37-39,56)
【关键词】电参数;STM32;Labview;ATT7022E
【作者】黄丰磊;卢海锋;朱浩然
【作者单位】浙江省高低压电器产品质量监督检验中心,浙江温州325603
【正文语种】中文
【中图分类】TM933.49
随着广大人民群众生活水平的逐步提高,电器产品被广泛应用于人民生活的各个领域,因此,保证电器产品的质量具有重要意义。

如何在电器产品检测过程中实时分析和监测电参数,以确保电器产品检测结果真实有效,已成为检测技术的重要方向[1]。

传统的测量电参数方案,存在硬件电路复杂、周期波动采样点较少、谐波分量等一
些参数无法获得等缺点[2]。

本文采用以STM32为核心的工频电参数测量系统,实
现对电流和电压有效值、有功功率、无功功率以及功率因数等电参数的测量、分析、存储,具有结构简单、测量精度高等优点。

系统采用ST公司微控制器STM32F051C8、高精度三相电能专用计量芯片
ATT7022E和NI公司Labview软件结合的检测方案。

其中,STM32F051C8和ATT7022E组成下位机,主要用于电参数数据的采样;Labview作为上位机,主要用于数据通信,完成采样数据显示、分析和存储。

系统结构如图1所示。

2.1 电参数采集电路
测量单元主要以ATT7022E芯片为核心。

ATT7022内部集成了6路19位ADC,
采用双端差分信号输入,输入最大的正弦信号有效值为±800 mV[3]。

ADC前端采样将芯片与电网进行隔离,使电路具有较好的抗干扰性和安全性。

电压采样电路如图2所示。

电压互感器选用LCTV31CE型微型精密电压互感器(2
mA/2 mA)。

电流采样通过电流互感器差分方式完成,电流互感器选LCTA2DCC型精密微型电流互感器(5 A/5 mA),电流采样电路如图3所示。

2.2 串口接口电路
PC端与STM32单片机之间的串行异步通讯采用RS-232接口电路实现。

STM32单片机内部的串行接口电路具有全双工异步通讯功能,但是单片机输出的信号是
TTL电平,需使用MAX3232芯片将其转换为标准RS-232电平。

串口接口电路如
图4所示。

2.3 ATT7022E电路
ATT7022E集成了7路二阶sigma-delta ADC、参考电压电路以及所有功率、能量、有效值、功率因数及频率测量的数字信号处理等电路,能够测量各相以及合相
的有功功率、无功功率、视在功率、有功能量及无功能量,同时还能测量各相电流、
电压有效值、功率因数、相角、频率等参数,充分满足设计的需求。

ATT7022E通过SPI与STM32进行数据交换,其中GND和UCC(3.3 V)用于给模
块供电,MISO/MOSI/SCK用于SPI通信,CS是片选信号,RST 为模块复位信号。

ATT7022E接线图如图5所示。

3.1 STM32软件设计
STM32F051C8采用KEIL MDK4.5作为开发环境,系统采样程序由主程序和若干子程序构成,子程序包括SPI驱动ATT7022E,与上位机Labview通信程序。

数据采集程序框图如图6所示。

STM32系统初始化包括对ATT7022E的初始化和UART
串口初始化,ATT7022E采用SPI接口驱动,需要对STM32F051C8的SPI引脚分别配置并初始化[4]。

3.2 Labview上位机软件设计
Labview提供了丰富的仪器控制功能,支持VISA、SCIP和IVI 等程控软件标准。

在串口通信方面,串口操作的功能节点均使用VISA 节点[5]。

本文使用了4个VISA 函数。

(1) VISA配置函数(VISA Configure Serial Port)用于串口的初始化,选择串口,设置波特率、数据位、停止位和校验位,文中的串口波特率为19 200 bps,8 bits数据位,1 bit停止位,无奇偶校验位。

(2) VISA读取函数(VISA Read),将指定串口接收缓冲区中的数据按指定字节数读取到计算机内存中。

(3) VISA串口字节数函数(VISA Bytes at Serial Port) ,返回指定串口接收缓冲区中的数据字节数。

(4) VISA关闭(VISA Close) ,结束与指定的串口资源会话,关闭串口资源。

Labview通过VISA串口发送采集电参数信号命令给下位机STM32,延时500 ms,等待下位机返回电参数数据,获得电参数数据后进行分析,使用示波器控件进行显示。

流程如图7所示。

使用上述软硬件设计的电参数采集系统,并对采样电参数信号进行显示、存储。

电参数采集系统实现了在程序界面上实时显示电压、电流、频率、功率等电参数。

试验表明,整个串口数据采集系统具有以下特点:
(1) 实时显示动态数据。

上位机Labview软件能够动态接收串口数据,经过处理后,能够实时地显示到相应的界面示波图。

(2) 数据的存储。

计算机能够实时存储接收到的数据,并且以便于事后分析的格式完整存储。

其存储数据可以直接导入其他数据分析软件进行分析。

文中介绍了基于STM32及Labview电参数采集系统,实现了对多种电参数的数据快速、精确的采集测量,并制作了Labview界面,可以实现现场电参数采集、显示与存储。

通过试验验证,应用效果良好。

【相关文献】
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备,2007,27(6):85-89.
[2] 张志杰.基于ADE7754的三相电源功率表的设计与实现[J].微型电脑应用,2004(10):38-41.
[3] 珠海炬力集成电路设计有限公司.ATT7022A用户手册[G].2013.
[4] 杜运福.基于STM32与ATT7022E的用电智能采集模块设[D].苏州：苏州大学，2012.
[5] 吕向锋,高洪林.基于LabVIEW 串口通信的研究[J].理论与方法,2009,29(12):21-30,42.。