基于STM32电力数据采集系统的设计_张旭
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S TM 32F103ZE 12 位 A DC 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[ 5] 。通道采样时间可编程, 总转化时间可缩减到 1 Ls, 此 外, 多种转换模式供选择, 支持 DM A 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。
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 ST M32F103ZE 的 FSM C 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0现象[ 8] 。 2. 4 RS485 通信模块设计
Abstract: T his paper intr oduced alow- po wer- consumption and high- perfor mance electric pow er data acquisition system based o n ST M 32, and ex patiated o n it s operat ional principle and the har dw are and softw are desig n. ST M 32ps abundant function modules helped the system t o realize mult-i channel synchro no us analog ue- to- digital conversions by using the ADC embedded in ST M 32 without any ex pansio n of A SIC chips, and then the flex ible static memor y contro ller ( F SM C) was used to ext end the N AN D FL A SH to sto re data. Besides, the adv anced and standar d inter face of ST M 32 w as ut ilized for the R S485 remote communication base on M ODBU S pro toco l. T his system ov ercame the disadvantag es o f traditional elect ric pow er data co llect ors such as the restr icted sto rag e space and co mmunication interfaces, lo w pr ecision and bad r ea-l time ca pability. T he pr act ical o per ation att ested fo r the impr oved r ea-l time per formance and reliabilit y of t he system w hich w as of low co st, small vo lume, and f riendly human- co mputer inter action. Keywords: ST M 32; electric pow er data acquisition; A / D co nv ersion; telecommunication
数据采集包括对于模拟量与开关量的采集两部分。 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 STM 32F103ZE ADC 输入范 围的电压信号, 以便进入 A DC 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 ST M 32 的 A DC 模拟输入通道, 其幅值范围为 0~ 3. 3 V 。 本系统采用同步注入模式配置 A DC1 的注入组通道 采样 Ua, Ia, 配置 A DC2 的注入通道采样 Ub, Ib, 从而实 现 Ua / Ub 及 Ia / Ib 的同步采样。又由于 Ua + Ub+ Uc = 0, Ia + Ib+ Ic = 0 计算出 Uc, Ic 。定时器 2 的 T RGO 事件触 发 A/ D 转换, 1. 5 周期的采样时间, 可以达到 1 Ls 的转换 时间, 数据右对齐格式进行存储, 使用 DM A 数据传输[ 6] , 不需 CPU 干预, 即 可将 ADC1 和 ADC2 存储在 寄存器 A DC_JDRx( x= 1, 2) 中的转换数据快速存放到指定区域。 2) 开关量数据采集 S TM 3 2F103ZE 的 I/ O 口都可以配置为开关量输入
Design of electric power data acquisition system based on STM32
Zhang X u Q i X ueg uang Li Shiguang Rui Y u Qiu Biao ( Sh andong U ni versit y of Sci ence and T ech nology, Q in gdao 266510)
0引 言
我国经济的高速发展带动了各行业对电力的大量需 求, 因此, 迫切需要对电力供应进行科学的管理, 电力数据 采集系统作为电力供需管理的基本 环节, 发挥着重要作 用, 电力系统的发展对电力数据采集系统的精确性、实时 性以及可靠性都提出了更高的要求。
传统的电力数据采集系统[ 1] 受限于有限的存储空间 和通信接口, 存在精度不高、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 ST M32 的新 型电 力数 据 采集 器 充分 利 用了 STM 32 丰 富的 片 上资 源, 大 大节 约 了 硬件 投 资, 利用 STM 32 具有快速采样的高性能 A DC、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, 精度显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 A DC 转换为数字信号, 再由 ST M 32 进行数据处理; 开
图 1 系统原理
张 旭 等: 基于 ST M 32 电力数据采集系统的设计
2. 1 STM32 片上资源 本系统采用了 ST 公司基于 Cort ex-M 3 内核的 32 位
增强 型 闪 存 微 控 制 器 STM 32F103ZE 作 为 控 制 核 心, C ortex-M 3 内核是专门设计于满足集高性能、低功耗、实时 应用、具有竞争性价格于一体的嵌入式领域的要求[ 4] 。该 芯片最高工作频率可达到 72 M H z, 具有 512 K 字节的闪 存以及 64 K 字节的 SRA M, 丰富的片上资源大大简化了 系统硬件, 同时大大降低了系统功耗。
S TM 32F103ZE 具有 5 个 U SART 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, 最 高达 4. 5 Mb it/ 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 FSM C 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
# 91 #
第 33 卷
电子测量技术
实验数据表明, 本系统设计合理, 运行可靠, 数据测量 准确、精度高且实时性较好, 与传统电力数据采集器相比 具有显著优点。
为了更直观的监控电力数 据采集, 系统需 要把采集 到的数据上传到 控制中心 的 PC, 同时 也方 便了计 算机 联网共享数据。传 统的抄收 数据费 时费力, 效率 较低, 而 RS485 通信方式结构 简单, 价格低 廉, 通信距 离和数 据传 输 速 率 适 当[ 9] 。 系 统 采 用 M ODBU S 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。本系统选用了最高传输速率可达 50 0 Kbps 的隔离 型 RS485 通信芯 片 ADM 2483, 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。A DM 24 83 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。
数据采集
电 子测 量 技 术 ELECT RON IC M EASU REMEN T TECH N OL OGY
第 33 卷 第 11 期 2010 年 11 月
基于 STM32 电力数据采集系统的设计
张 旭 亓学广 李世光 芮 昱 邱 彪
( 山东科技大学 青岛 266510)
摘 要 : 介绍了 一种基于 ST M 32 的低功耗、高性 能的电 力数据 采集系 统, 阐 述了系 统的工 作原理及 其软 硬件设 计。 ST M 32 内部包含丰富的功能模块, 无需外扩芯片, 系统即可 利用 ST M 32 自带的 A DC 对输入 信号进行 多通道 同步模 数转换, 利用灵活的静态存储器控制器 F SM C 扩展 N A ND FL A SH 存储数据, 并利用 ST M 32 先进的标准通 信接口实 现基于 M OD BU S 协议的 R S485 远程通信, 克服了传统 电力 数据采 集器 受限于 有限 的存 储空间 和通 信接口、精 度不 高、实时性差等缺点。实际运行表明, 此系统采 集电力 数据的 实时性和 可靠性 大为提 高, 并且系 统具 有成 本低、体积 小、人机交互友好等优点。 关键词 : ST M 32; 电力数据采集; 模数转换; 远程通信 中图分 类号: T P273 文献标识码: A
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
512 M Bit 的 NAND FLASH , 选 用 了 S T 公 司 的 NAND512-A 芯片, 每页有 512+ 16 个字节, 每块有 16 K+ 512 个字节, 顺序存取时间为 50 ns, 页编程时间为 200 Ls。 STM 32 的静态存储器控制器 FSM C 可以把外部存储器划 分为固定大小为 256 M 字节的 4 个存储块, 其中存储块 2 和 3 可用于访问 NA ND FLA SH 设备, 本电力数据采集系 统利用 FSM C 的存储块 2 连接芯片 NAN D512-A。
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 T LP521 实 现现场 开关量与 ST M 32 间的 电气隔离, 提高电 绝缘和 抗干扰 能力[ 7] 。
第 11 期
关量信号则通过 I/ O 口输入, ST M32 通过中断或查询方 式进行读取[2] 。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[ 3] 。
2 系统硬件设计
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 ST M32F103ZE 的 FSM C 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0现象[ 8] 。 2. 4 RS485 通信模块设计
Abstract: T his paper intr oduced alow- po wer- consumption and high- perfor mance electric pow er data acquisition system based o n ST M 32, and ex patiated o n it s operat ional principle and the har dw are and softw are desig n. ST M 32ps abundant function modules helped the system t o realize mult-i channel synchro no us analog ue- to- digital conversions by using the ADC embedded in ST M 32 without any ex pansio n of A SIC chips, and then the flex ible static memor y contro ller ( F SM C) was used to ext end the N AN D FL A SH to sto re data. Besides, the adv anced and standar d inter face of ST M 32 w as ut ilized for the R S485 remote communication base on M ODBU S pro toco l. T his system ov ercame the disadvantag es o f traditional elect ric pow er data co llect ors such as the restr icted sto rag e space and co mmunication interfaces, lo w pr ecision and bad r ea-l time ca pability. T he pr act ical o per ation att ested fo r the impr oved r ea-l time per formance and reliabilit y of t he system w hich w as of low co st, small vo lume, and f riendly human- co mputer inter action. Keywords: ST M 32; electric pow er data acquisition; A / D co nv ersion; telecommunication
数据采集包括对于模拟量与开关量的采集两部分。 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 STM 32F103ZE ADC 输入范 围的电压信号, 以便进入 A DC 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 ST M 32 的 A DC 模拟输入通道, 其幅值范围为 0~ 3. 3 V 。 本系统采用同步注入模式配置 A DC1 的注入组通道 采样 Ua, Ia, 配置 A DC2 的注入通道采样 Ub, Ib, 从而实 现 Ua / Ub 及 Ia / Ib 的同步采样。又由于 Ua + Ub+ Uc = 0, Ia + Ib+ Ic = 0 计算出 Uc, Ic 。定时器 2 的 T RGO 事件触 发 A/ D 转换, 1. 5 周期的采样时间, 可以达到 1 Ls 的转换 时间, 数据右对齐格式进行存储, 使用 DM A 数据传输[ 6] , 不需 CPU 干预, 即 可将 ADC1 和 ADC2 存储在 寄存器 A DC_JDRx( x= 1, 2) 中的转换数据快速存放到指定区域。 2) 开关量数据采集 S TM 3 2F103ZE 的 I/ O 口都可以配置为开关量输入
Design of electric power data acquisition system based on STM32
Zhang X u Q i X ueg uang Li Shiguang Rui Y u Qiu Biao ( Sh andong U ni versit y of Sci ence and T ech nology, Q in gdao 266510)
0引 言
我国经济的高速发展带动了各行业对电力的大量需 求, 因此, 迫切需要对电力供应进行科学的管理, 电力数据 采集系统作为电力供需管理的基本 环节, 发挥着重要作 用, 电力系统的发展对电力数据采集系统的精确性、实时 性以及可靠性都提出了更高的要求。
传统的电力数据采集系统[ 1] 受限于有限的存储空间 和通信接口, 存在精度不高、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 ST M32 的新 型电 力数 据 采集 器 充分 利 用了 STM 32 丰 富的 片 上资 源, 大 大节 约 了 硬件 投 资, 利用 STM 32 具有快速采样的高性能 A DC、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, 精度显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 A DC 转换为数字信号, 再由 ST M 32 进行数据处理; 开
图 1 系统原理
张 旭 等: 基于 ST M 32 电力数据采集系统的设计
2. 1 STM32 片上资源 本系统采用了 ST 公司基于 Cort ex-M 3 内核的 32 位
增强 型 闪 存 微 控 制 器 STM 32F103ZE 作 为 控 制 核 心, C ortex-M 3 内核是专门设计于满足集高性能、低功耗、实时 应用、具有竞争性价格于一体的嵌入式领域的要求[ 4] 。该 芯片最高工作频率可达到 72 M H z, 具有 512 K 字节的闪 存以及 64 K 字节的 SRA M, 丰富的片上资源大大简化了 系统硬件, 同时大大降低了系统功耗。
S TM 32F103ZE 具有 5 个 U SART 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, 最 高达 4. 5 Mb it/ 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 FSM C 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
# 91 #
第 33 卷
电子测量技术
实验数据表明, 本系统设计合理, 运行可靠, 数据测量 准确、精度高且实时性较好, 与传统电力数据采集器相比 具有显著优点。
为了更直观的监控电力数 据采集, 系统需 要把采集 到的数据上传到 控制中心 的 PC, 同时 也方 便了计 算机 联网共享数据。传 统的抄收 数据费 时费力, 效率 较低, 而 RS485 通信方式结构 简单, 价格低 廉, 通信距 离和数 据传 输 速 率 适 当[ 9] 。 系 统 采 用 M ODBU S 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。本系统选用了最高传输速率可达 50 0 Kbps 的隔离 型 RS485 通信芯 片 ADM 2483, 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。A DM 24 83 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。
数据采集
电 子测 量 技 术 ELECT RON IC M EASU REMEN T TECH N OL OGY
第 33 卷 第 11 期 2010 年 11 月
基于 STM32 电力数据采集系统的设计
张 旭 亓学广 李世光 芮 昱 邱 彪
( 山东科技大学 青岛 266510)
摘 要 : 介绍了 一种基于 ST M 32 的低功耗、高性 能的电 力数据 采集系 统, 阐 述了系 统的工 作原理及 其软 硬件设 计。 ST M 32 内部包含丰富的功能模块, 无需外扩芯片, 系统即可 利用 ST M 32 自带的 A DC 对输入 信号进行 多通道 同步模 数转换, 利用灵活的静态存储器控制器 F SM C 扩展 N A ND FL A SH 存储数据, 并利用 ST M 32 先进的标准通 信接口实 现基于 M OD BU S 协议的 R S485 远程通信, 克服了传统 电力 数据采 集器 受限于 有限 的存 储空间 和通 信接口、精 度不 高、实时性差等缺点。实际运行表明, 此系统采 集电力 数据的 实时性和 可靠性 大为提 高, 并且系 统具 有成 本低、体积 小、人机交互友好等优点。 关键词 : ST M 32; 电力数据采集; 模数转换; 远程通信 中图分 类号: T P273 文献标识码: A
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
512 M Bit 的 NAND FLASH , 选 用 了 S T 公 司 的 NAND512-A 芯片, 每页有 512+ 16 个字节, 每块有 16 K+ 512 个字节, 顺序存取时间为 50 ns, 页编程时间为 200 Ls。 STM 32 的静态存储器控制器 FSM C 可以把外部存储器划 分为固定大小为 256 M 字节的 4 个存储块, 其中存储块 2 和 3 可用于访问 NA ND FLA SH 设备, 本电力数据采集系 统利用 FSM C 的存储块 2 连接芯片 NAN D512-A。
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 T LP521 实 现现场 开关量与 ST M 32 间的 电气隔离, 提高电 绝缘和 抗干扰 能力[ 7] 。
第 11 期
关量信号则通过 I/ O 口输入, ST M32 通过中断或查询方 式进行读取[2] 。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[ 3] 。
2 系统硬件设计