基于ARM的中壓FTU檢測平臺的設(shè)計

謝志遠，貢振崗，楊 星，吳曉燕

（華北電力大學 電子與通信工程系，河北 保定 071000）

隨著我國智能電網(wǎng)建設(shè)的不斷深入，大量的智能電氣設(shè)備在智能電網(wǎng)中得到應用。智能電力設(shè)備的大力發(fā)展必然需求一種測試平臺對其智能模塊進行有效的測試,以保證智能模塊各功能的正常，同時高效率的檢測平臺大大縮短了對智能電力設(shè)備的開發(fā)周期。

目前國內(nèi)外還沒有一個針對中壓柱上FTU的檢測裝置，隨著這種中壓電力線柱上FTU的推廣應用，利用一種具備檢測功能的測試平臺實現(xiàn)對FTU的功能檢測具有現(xiàn)實的應用意義，所以本文提出了對中壓柱上FTU檢測平臺的設(shè)計。

1 檢測平臺的設(shè)計原理

檢測平臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。檢測平臺主要由單片機控制系統(tǒng)、信號源電路、可編程增益放大電路、恒流電路、電壓/電流采樣電路、狀態(tài)量/控制量電路、屏幕和按鍵掃描電路構(gòu)成。

高精度正弦信號由單片機控制產(chǎn)生，產(chǎn)生的信號分別給予兩路可編程增益放大電路：一路可編程放大電路經(jīng)過幅度調(diào)整電路產(chǎn)生交流電壓信號，另一路經(jīng)過幅度調(diào)整送給壓控恒流電路產(chǎn)生交流電流信號，產(chǎn)生的交流電壓、電流信號經(jīng)過采樣電路反饋送給單片機。通過單片機控制繼電器的分合模擬斷路器工作時的分合及儲能狀態(tài)，通過光耦電路檢測FTU的分合閘命令，通過按鍵設(shè)置產(chǎn)生信號的幅度及手動模擬控制斷路器的工作狀態(tài)，相應信息由屏幕顯示。

1.1 單片機控制器

本系統(tǒng)選用基于ARM7 TDMI-S內(nèi)核的LPC2214處理器。該單片機是一個低功耗、高性能的32位單片機，并帶有256 KB的高速Flash存儲器和16 KB的片內(nèi)隨機存儲器，128 bit寬度的存儲器接口和獨特的加速結(jié)構(gòu)使32 bit代碼能夠在最大時鐘60 MHz的速率下運行[1]。

1.2 高精度信號源

信號發(fā)生電路采用高精度DDS芯片AD9833數(shù)字可編程波形產(chǎn)生器件，AD9833頻率、相位數(shù)字可編程，采用3線SPI串口控制、占用資源少、低功耗特性符合精密電路的芯片選擇。用AD9833可產(chǎn)生高精度工頻的正弦信號。應用電路如圖2所示。

為了增大AD9833產(chǎn)生信號的驅(qū)動能力及抗干擾能力，在信號輸出端加一級由運放OP497構(gòu)成的電壓跟隨器，增加信號的驅(qū)動能力及穩(wěn)定性。

1.3 可編程增益放大電路

可編程增益放大電路由兩部分構(gòu)成：第1部分是經(jīng)過高精度D/A芯片產(chǎn)生模擬電壓量[2]，第2部分是用壓控增益放大電路將D/A產(chǎn)生的電壓量轉(zhuǎn)化成相應的增益放大。D/A選用 12 bit高速轉(zhuǎn)化芯片TLV5618，12 bit的控制長度可以準確控制增益步進[3]；壓控增益芯片選用VCA822。由TLV5618和VCA822構(gòu)成的可編程增益電路如圖3所示。

壓控增益芯片VCA822是寬頻帶、V/V線性、持續(xù)可變增益的放大器。應用電路基本增益公式為：

在電路中選擇阻值R8=R13，因此增益公式變?yōu)?

1.4 恒流源電路方案選擇

恒流電路設(shè)計選用OPA564功率運放[4]，OPA564是一種可以提供大電流輸出的運算放大器件，雙極性電源供電，極限電流輸出達1.9 A。OPA564的器件特性滿足本設(shè)計方案的需求，基于OPA564的VI變換電路如圖4所示。

OPA564構(gòu)成同相求和運算電路,圖中電阻R34=R35＝R36＝R37，輸出恒流 I o的推導過程為：

將(3)式帶入(4)式得:

電阻R ef上的電壓為:

流過電阻R ef的電流:

電阻R ef選用功率精密電阻。

1.5 電壓、電流采集電路

采集芯片選用高精度電能專用計量芯片ATT7022B，它集成了二階ADC、參考電壓電路以及所有功率、能量、有效值和頻率測量的數(shù)字信號處理等電路，可以滿足測量交流電流、電壓有效值的需求。

在電流、電壓信號輸送到ATT7022B之前，要經(jīng)過電流、電壓互感器和采樣電路，互感器自選精密型電流、電壓互感器。應用ATT7022B時，需要通過軟件編程與標準表進行參數(shù)校準,參數(shù)校準方式依據(jù)ATT7022B使用資料。同時，為ATT7022B提供高精度穩(wěn)壓電源芯片，可以減小電源紋波對ATT7022B采樣計算的影響，穩(wěn)壓芯片選用ADP3330-5系列,可以輸出高精度、高穩(wěn)定度的5 V電壓。

ATT7022B提供一個SPI接口，以便與ARM7之間進行計量參數(shù)的傳遞。ATT7022B實時采集信號線上的交流量，并將采集處理的數(shù)據(jù)存儲到相應的有效值寄存器中，通過軟件編程讀取寄存器中的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)用于軟件計算處理和在液晶屏幕上的顯示。

1.6 軟件參數(shù)補償

隨著電流、電壓輸出的增大，由于溫度或者元件電氣特性等因素,電流、電壓的輸出特性成非線性增長，造成設(shè)定值與實際輸出值之間產(chǎn)生偏差，可采用軟件的方式進行參數(shù)補償消除偏差。補償方法為，通過軟件編程將設(shè)定值與采樣返回值進行比較，采用步長變化的多次比較動態(tài)調(diào)整進行參數(shù)補償[5]。

1.7 模擬斷路器工作狀態(tài)

主要通過編程控制繼電器分合,以模擬斷路器工作狀態(tài)量(包括合閘、分閘和儲能3種狀態(tài))。此部分電路配備端子接口，通過端子接口連接FTU將狀態(tài)量反饋給FTU測控模塊，用來檢測測控模塊所檢測到的斷路器的工作狀態(tài)是否正確。

1.8 檢測FTU合、分閘

根據(jù)FTU產(chǎn)生控制信號的特征進行信號檢測電路的設(shè)計，F(xiàn)TU產(chǎn)生的控制量信號為脈沖型，針對這種脈沖型信號采用LPC2214定時器捕獲功能，當有電平翻轉(zhuǎn)時LPC2214可以準確捕獲。為了防止類似脈沖信號的干擾信號造成處理器誤判的現(xiàn)象，控制量送到LPC2214前加上一級光耦隔離毛刺信號等干擾信號的影響。采用指示燈指示合、分閘狀態(tài)及儲能狀態(tài)。

1.9 顯示模塊

采用一塊三線串口操作型號為JCR35MDV1的液晶顯示屏，3條線分別為寫數(shù)據(jù)線、時鐘線、片選線，軟件編程選用LPC2214 3個I/O口即可驅(qū)動液晶顯示設(shè)置信息和測試信息。

1.10 按鍵檢測模塊

采用ZLG7290按鍵專用檢測芯片，ZLG7290是一種I2C接口鍵盤驅(qū)動管理器件，方便與處理器接口。應用LPC2214內(nèi)部I2C資源結(jié)合軟件編程讀取ZLG7290按鍵掃描的信息。

2 軟件系統(tǒng)設(shè)計

程序流程圖如圖5所示。程序開始執(zhí)行后進行系統(tǒng)初始化，初始化過程中將程序中預先設(shè)定的默認值送到AD9833和TLV5618中,并使繼電器工作在默認合、分閘狀態(tài)，由液晶屏幕顯示各種設(shè)置信息和測試信息。ATT7022B采集電流、電壓并由LPC2214讀出ATT7022B寄存器中的數(shù)值，將寄存器讀出數(shù)值與設(shè)定值比較是否在誤差范圍內(nèi)，如果不在誤差范圍內(nèi)則執(zhí)行軟件參數(shù)補償，將補償參數(shù)寫到TLV5618，直到滿足誤差要求為止。按鍵與控制量檢測都為外部中斷事件，有中斷發(fā)生時判斷是否為按鍵中斷，若是按鍵中斷再判斷是寫TLV5618還是手動控制合、分閘及儲能狀態(tài)；若不是按鍵中斷則執(zhí)行控制量捕獲中斷程序,并對FTU發(fā)來的控制信號做出相應動作。

3 試驗與結(jié)論

本系統(tǒng)設(shè)計完成后，對系統(tǒng)的性能進行了測試。首先對系統(tǒng)產(chǎn)生交流信號的穩(wěn)定性進行了測試，選用6位數(shù)字萬用表測試恒流輸出值，將顯示值與標準表測試值進行比較，并計算誤差，誤差計算公式為：

圖5 軟件流程圖

I1、I2、I3、ΔI分別為電流設(shè)定值、液晶顯示值、萬用表測 量 值 和 電 流 誤 差 率 ，V1、V2、V3、ΔV 分 別 為 電 壓 設(shè) 定值、液晶顯示值、萬用表測量值和電壓誤差率。設(shè)定值、顯示值及測量值均為有效值，實驗數(shù)據(jù)如表1。

表1 實驗數(shù)據(jù)

從試驗數(shù)據(jù)可以看出,電流在50 mA以上誤差率基本穩(wěn)定在0.1%，電壓在500 mV以上誤差率基本穩(wěn)定在0.1%。該系統(tǒng)有較好的輸出穩(wěn)定度，可以滿足檢測FTU的采樣功能。

在其他試驗測試中得到測試結(jié)果,該系統(tǒng)能夠準確檢測到FTU輸出的控制量信號，并能通過軟件判斷響應將繼電器切換到相應的工作狀態(tài)，同時手動控制繼電器狀態(tài)切換迅速執(zhí)行準確，屏幕顯示信息準確。硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)協(xié)調(diào)運行，此方案設(shè)計的檢測平臺能夠準確檢測FTU的測控功能。

目前沒有一個專門針對中壓柱上FTU功能進行測試的檢測平臺，本設(shè)計方案在智能電力設(shè)備檢測領(lǐng)域中有所突破，檢測平臺的設(shè)計不但可以提高電力設(shè)備質(zhì)量檢測的效率，同時還能夠快速診斷出FTU設(shè)備投入運行前存在的故障，保證了電力設(shè)備質(zhì)量的可靠性，確保了電網(wǎng)系統(tǒng)運行的安全。同時，隨著FTU設(shè)備功能的日益發(fā)展豐富，檢測平臺的檢測診斷功能也將不斷擴展完善。

[1]周立功.ARM嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)教程[M].北京：北京航空航天大學出版社，2008.

[2]范新強,姚興輝.基于單片機控制的高精度直流電流源系統(tǒng)的開發(fā)[J].工礦自動化，2006，12(6):49-50.

[3]Burr-Brown Corporation.12 bit high speed micro power sampling analog-to-digital converter[Z].1996:1-13.

[4]陳凱良，竺樹聲.恒流源及其應用電路[M].杭州：浙江科學技術(shù)出版社,1992.

[5]SLDSS A N,WRIGHT C.ARM嵌入式系統(tǒng)開發(fā)-軟件設(shè)計與優(yōu)化[M].沈建華，譯北京：北京航空航天大學出版社，2005.