基于MAXQ3180電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究

范利媛　呂常智　宋紅衛(wèi)　宋俊

摘 要：電能質(zhì)量問(wèn)題對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展造成的損失是非常巨大的，電能質(zhì)量的監(jiān)測(cè)就顯得非常重要。本文基于MAXQ3180的能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研制。以MAXQ3180為電力數(shù)據(jù)采集器件，以STM32為微處理器，能實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)電網(wǎng)的各項(xiàng)參數(shù)，并且將數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸和保存，為電能質(zhì)量控制和電力調(diào)度提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：電能質(zhì)量 監(jiān)測(cè) MAXQ3180

中圖分類(lèi)號(hào)：G64 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）02（c）-0008-04

Abstract：Loss of power quality problems caused by the development of the national economy is very great，and power quality monitoring is very important.Based on the MAXQ3180 development of quality monitoring systems.MAXQ3180-power data acquisition device，the STM32 is the microprocessor，can real-time monitoring of the parameters of the grid，and data transmission and preservation，to provide a basis for power quality control and power dispatch.

Key words：Power quality monitoring the MAXQ3180

隨著智能電網(wǎng)技術(shù)的不斷成熟和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。電力系統(tǒng)中的儀表儀器己經(jīng)進(jìn)入了智能化和自動(dòng)化的時(shí)代[1]。智能化和自動(dòng)化的特性不僅要求這些儀表儀器像傳統(tǒng)的計(jì)量表計(jì)具有計(jì)量功能，并且還要具有測(cè)量、控制、保護(hù)、通信等功能，用來(lái)反映電氣元件控制調(diào)節(jié)和運(yùn)行狀態(tài)。該文通過(guò)借鑒國(guó)內(nèi)外成熟的研究學(xué)術(shù)成果，研制出具有較高性能價(jià)格比的、適應(yīng)中國(guó)國(guó)情的，并同時(shí)具有計(jì)量、監(jiān)測(cè)、通信等功能的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。設(shè)計(jì)依據(jù)電能質(zhì)量檢測(cè)裝置具有多功能的檢測(cè)要求，提出了基于MAXQ3180的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置的設(shè)計(jì)方案，闡述了電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)，各種電能質(zhì)量參數(shù)的測(cè)量以及選用的通訊方式等。本設(shè)計(jì)中的MCU（Micro Control Unit）為STM32，對(duì)MAXQ3180檢測(cè)到的電能質(zhì)量經(jīng)過(guò)STM32的處理后進(jìn)行顯示、傳輸、儲(chǔ)存和分析。組成了是個(gè)十分精確、低功耗、多功能的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能

設(shè)計(jì)以ST公司的Cortex-M3內(nèi)核的STM32為主控器，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電網(wǎng)參數(shù)的檢測(cè)和監(jiān)測(cè)。并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到SD卡中。通過(guò)CAN接口發(fā)送到控制主機(jī)，同時(shí)112*64液晶實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前的狀態(tài)。如果系統(tǒng)運(yùn)行正常則將正常信息存儲(chǔ)到SD卡中，便于以后查詢(xún)。系統(tǒng)采用220 V市電供電方便了工程應(yīng)用。本裝置采用DSP+MCU技術(shù)，計(jì)量芯片選用MAXQ3180，MCU為STM32的整體設(shè)計(jì)方案，MAXQ3180除了含有AFE以外還有集成DSP精密脈沖發(fā)生器以及SPI接口，實(shí)現(xiàn)的功能如圖1所示，硬件設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 電能質(zhì)量數(shù)據(jù)收集模塊

MAXQ3180的輸入包括3個(gè)電壓通道和4個(gè)電流通道，內(nèi)部還有一個(gè)通道實(shí)際上用于溫度傳感器。3個(gè)電壓通道使用電阻分壓的方式，4個(gè)電流通道（3個(gè)為ABC三相電流，1個(gè)為零線(xiàn)電流）采用CT輸入的方式。

本設(shè)計(jì)中采用了電阻分壓的方式來(lái)作為電壓通道測(cè)量電壓。為了器件實(shí)用的方便我們使用了540∶1的分壓比，電壓通道上并聯(lián)電容用來(lái)作為抗混疊的濾波器，如圖3所示。

電流通道設(shè)計(jì)中采用了0.05級(jí) 1.5（6）A 的電流互感器[2]，在實(shí)際使用時(shí)為了避免計(jì)量芯片內(nèi)部ADC飽和而使實(shí)際值不超過(guò)這個(gè)計(jì)算值，當(dāng)然如圖所示由于電流輸入通道上并聯(lián)了肖特二極管。二極管有保護(hù)的作用所以在一定程度上過(guò)載不會(huì)對(duì)檢測(cè)芯片產(chǎn)生毀滅性的后果。為了防止混疊現(xiàn)象電流輸入通道上也有用于抗混疊的濾波器。電流通道如圖4所示。

2.2 微處理器模塊

本設(shè)計(jì)中采用的MCU為STM32處理器，它具有3級(jí)流水線(xiàn)哈弗結(jié)構(gòu)，3.3 V供電，Cortex-M3內(nèi)核，最高工作頻率為72 MHz，處理能力為1.25DMips/MHz，功耗為0.19 mW/MHz。軟件采用ST公司提供的函數(shù)庫(kù)，降低了開(kāi)發(fā)的難度。內(nèi)部集成12位高速ADC，轉(zhuǎn)換一次時(shí)間僅為1 us，內(nèi)含有CAN總線(xiàn)控制器，這樣配合CAN收發(fā)器就可以實(shí)現(xiàn)CAN網(wǎng)絡(luò)通信，通信距離可達(dá)10 km，通信速率最高可達(dá)1 Mbps。不同的外設(shè)可以配置成不同的速率，充分發(fā)揮中央處理單元的性能。

STM32與MAXQ3180的連接

STM32與MAXQ3180的 SPI協(xié)議進(jìn)行通訊連接方式如圖5所示。一般情況下為了安全問(wèn)題考慮MAXQ3180需要使用光耦和MCU隔離開(kāi)來(lái)[3]。MAXQ3180和MCU之間的通訊有時(shí)能達(dá)到1Mbps，本設(shè)計(jì)采用的光電藕隔離芯片為6N137光耦合器[4]，6N137是一種用于單通道的光耦合器，它的內(nèi)部有一個(gè)集成檢測(cè)器和一個(gè)波長(zhǎng)為850nm的AIGAAs LED，集成檢測(cè)器有三部分組成分別為高增益線(xiàn)性運(yùn)放、光敏二極管和三極管（肖特基鉗位的集電極開(kāi)路），有電壓、電流補(bǔ)償和溫度補(bǔ)償?shù)墓δ?，非常高的輸入輸出隔離，并且傳輸速度很高等優(yōu)點(diǎn)。

2.3 通訊電路模塊

選擇一個(gè)合適的通信方式對(duì)整個(gè)配電系統(tǒng)是極其重要的，在本系統(tǒng)中，將選擇CAN總線(xiàn)作為這個(gè)系統(tǒng)的通信方式，其中，通信介質(zhì)為雙絞線(xiàn)[5]，采用CAN2.0B協(xié)議。由于傳統(tǒng)饋線(xiàn)終端設(shè)備的通信方式大都采用RS485，所以在本系統(tǒng)中，附加了RS485接口，同時(shí)為了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試方便，又加了RS232接口作為當(dāng)?shù)赝ㄐ沤涌?。?dāng)采用分散式多點(diǎn)監(jiān)測(cè)時(shí)我們?cè)O(shè)計(jì)了采用CAN總線(xiàn)的通訊方式。使用單點(diǎn)監(jiān)測(cè)時(shí)我們?cè)O(shè)計(jì)了RS232通訊和RS485通訊，因此系統(tǒng)的應(yīng)用非常廣泛。

2.3.1 CAN通信

典型的CAN通信電路圖如圖6所示，與STM32相連接無(wú)需電平轉(zhuǎn)換，通信速率可達(dá)1 Mbit/s，三種工作模式：等待模式、斜率控制模式、高速模式，三種工作模式可通過(guò)RS端進(jìn)行調(diào)節(jié)，在高輸入阻抗時(shí)總線(xiàn)上可掛接120個(gè)節(jié)點(diǎn)。TXD、RXD分別于CAN控制器的RXD、TXD相連接。STM32CAN控制器，支持CAN2.0A、CAN2.0B，3個(gè)發(fā)送郵箱，2個(gè)3級(jí)深度的接收FIFO?？梢怨ぷ髟跍y(cè)試模式、環(huán)回模式、靜默模式等，調(diào)試時(shí)可將控制器配在環(huán)回模式，在環(huán)回模式下CAN內(nèi)核忽略確認(rèn)錯(cuò)誤（在數(shù)據(jù)/遠(yuǎn)程幀的確認(rèn)位時(shí)刻，不檢測(cè)是否有顯性位）。在環(huán)回模式下，BXCAN在內(nèi)部把TX輸出回饋到Rx輸入上，而完全忽略CANRX引腳的實(shí)際狀態(tài)。發(fā)送的報(bào)文可以在CANTX引腳上檢測(cè)到。

2.3.2 RS232通信模塊

為了方便就地調(diào)試和通訊，引入了232串口，如圖7所示，該電路采用MAX232驅(qū)動(dòng)芯片，該芯片是+3.3V供電，具有兩個(gè)接收和發(fā)送通道，且功耗低、集成度比較高。

2.3.3 RS485通信模塊

傳統(tǒng)自動(dòng)化系統(tǒng)的通信方式大都是RS485，為了與傳統(tǒng)設(shè)備兼容，在本系統(tǒng)中加了RS485接口，RS485采用雙工工作方式，只能有一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為主機(jī)，應(yīng)用RS485可以聯(lián)網(wǎng)成分布式系統(tǒng)，其允許最多并聯(lián)32臺(tái)驅(qū)動(dòng)器和32臺(tái)接收器，一般為主從方式，常用波特率有19200，9600，4800，通訊距離小于1200 m[6]。

圖8是485通信電路，RE和DE為接收、發(fā)送使能，分別接STM32的IO管腳，RO為串行數(shù)據(jù)輸出，RI為串行數(shù)據(jù)輸入，在裝置末端，閉合開(kāi)關(guān)SW_1時(shí)接120Ω電阻，主要目的是達(dá)到終端匹配，另外，2.5 V穩(wěn)壓管起到保護(hù)MAX485芯片的作用。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)的主流程圖

主程序是一個(gè)無(wú)限的循環(huán)，首先進(jìn)行各個(gè)模塊的初始化處理，然后顯示出界面，進(jìn)行按鍵的掃描，當(dāng)按下每一個(gè)按鍵之后，系統(tǒng)執(zhí)行所要操作的項(xiàng)目進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，然后行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和通訊，整個(gè)流程圖如圖9所示。

3.2 電能數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)

MAXQ3180的內(nèi)部的DSP（數(shù)字信號(hào)處理器）可以對(duì)每一相的原始電流就行處理和電壓采樣，進(jìn)行連續(xù)大量計(jì)算數(shù)據(jù)，比如有功、無(wú)功電能、功率因數(shù)、RMS電流、RMS電壓、視在功率、還有電壓和電流的基波和諧波等。

MAXQ3180對(duì)采集的電流電壓進(jìn)行數(shù)字濾波、校正、計(jì)算和換算，外部主處理器通過(guò)SPI串行接口讀取各種參數(shù)和檢測(cè)結(jié)果。MAXQ3180處理所需的參數(shù)和策略等，由外部主處理器通過(guò)SPI接口進(jìn)行設(shè)置。電能累加數(shù)據(jù)還可以脈沖方式輸出。測(cè)量的具體步驟如下：

首先要使能諧波測(cè)量，此時(shí)需要把AuX_cFG.bit6（ENAUX）置位用來(lái)使能輔助通道測(cè)量，同時(shí)把AUX_CFG..bit7（ENHARM）置位用來(lái)使能諧波測(cè)量。

再次要配置通道，因?yàn)镸AXQ3180用于諧波計(jì)算的通道只有一個(gè)，所以在一個(gè)時(shí)刻只能測(cè)到某一次的諧波分量。因此為了獲得所有的諧波數(shù)據(jù)必須切換通道。本設(shè)計(jì)使用Aux CFG（地址為0x10）寄存器bit3—0實(shí)現(xiàn)通道的切換。選擇的通道波形在通過(guò)修改其中的位后可以進(jìn)入數(shù)字濾波器并進(jìn)行計(jì)算處理：等配置好寄存器后，所選擇的通道就會(huì)進(jìn)入濾波器。

最后等待濾波器穩(wěn)定后讀取數(shù)據(jù)，做好前面的工作后等到諧波峰值濾波器穩(wěn)定后，就可以記錄出比較準(zhǔn)確的諧波數(shù)據(jù)了。然后讀取數(shù)據(jù)就可以了，通過(guò)按鍵可以調(diào)整需要的諧波參數(shù)。

4 信號(hào)采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

5 結(jié)語(yǔ)

該設(shè)計(jì)旨在提高我國(guó)電網(wǎng)的自動(dòng)化和智能化，通過(guò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以了解到當(dāng)前的電能質(zhì)量，為電網(wǎng)的健康運(yùn)行提供技術(shù)支持，提高了電網(wǎng)的可靠性和安全性。該系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單方便，能采集到大部分所需要的電能質(zhì)量指標(biāo)。系統(tǒng)用的MAXQ3180和STM32都是典型的低功耗器件，非常適合來(lái)制造精密儀器特別是低功耗的電力計(jì)量器。當(dāng)然，當(dāng)前的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置和水平離電力市場(chǎng)和智能電網(wǎng)的要求還有一定的差距。需要我們共同的努力來(lái)實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)、分析和控制裝置的研制，為智能電網(wǎng)的建成貢獻(xiàn)自己的一份力量。

參考文獻(xiàn)

[1] 王晶.基于MAXQ3180多功能電表的設(shè)計(jì)及其GPRS抄表方式的研究[D].安徽合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2010.

[2] 美信產(chǎn)品介紹.如何使用MAXQ3180設(shè)計(jì)三相多功能電能表.2009.

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[4] Davis MW.A new thermal rating approach：the real time thermal rating system for strategic overhead conductor transmission lines，part I[J].IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems，1977，96（3）：803-809.

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[6] 楊翠峰.基于DSP的低壓電網(wǎng)電力參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[D]，武漢：武漢理工大學(xué)，2011.

[7] 曾滔.基于TMS320F2812的電能質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D]，福建：廈門(mén)大學(xué)，2008.

[8] 趙建.基于MODBUS的多功能電力監(jiān)控儀表的研制[D].山東濟(jì)南：山東大學(xué)，2010.

2.3.1 CAN通信

典型的CAN通信電路圖如圖6所示，與STM32相連接無(wú)需電平轉(zhuǎn)換，通信速率可達(dá)1 Mbit/s，三種工作模式：等待模式、斜率控制模式、高速模式，三種工作模式可通過(guò)RS端進(jìn)行調(diào)節(jié)，在高輸入阻抗時(shí)總線(xiàn)上可掛接120個(gè)節(jié)點(diǎn)。TXD、RXD分別于CAN控制器的RXD、TXD相連接。STM32CAN控制器，支持CAN2.0A、CAN2.0B，3個(gè)發(fā)送郵箱，2個(gè)3級(jí)深度的接收FIFO?？梢怨ぷ髟跍y(cè)試模式、環(huán)回模式、靜默模式等，調(diào)試時(shí)可將控制器配在環(huán)回模式，在環(huán)回模式下CAN內(nèi)核忽略確認(rèn)錯(cuò)誤（在數(shù)據(jù)/遠(yuǎn)程幀的確認(rèn)位時(shí)刻，不檢測(cè)是否有顯性位）。在環(huán)回模式下，BXCAN在內(nèi)部把TX輸出回饋到Rx輸入上，而完全忽略CANRX引腳的實(shí)際狀態(tài)。發(fā)送的報(bào)文可以在CANTX引腳上檢測(cè)到。

2.3.2 RS232通信模塊

為了方便就地調(diào)試和通訊，引入了232串口，如圖7所示，該電路采用MAX232驅(qū)動(dòng)芯片，該芯片是+3.3V供電，具有兩個(gè)接收和發(fā)送通道，且功耗低、集成度比較高。

2.3.3 RS485通信模塊

傳統(tǒng)自動(dòng)化系統(tǒng)的通信方式大都是RS485，為了與傳統(tǒng)設(shè)備兼容，在本系統(tǒng)中加了RS485接口，RS485采用雙工工作方式，只能有一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為主機(jī)，應(yīng)用RS485可以聯(lián)網(wǎng)成分布式系統(tǒng)，其允許最多并聯(lián)32臺(tái)驅(qū)動(dòng)器和32臺(tái)接收器，一般為主從方式，常用波特率有19200，9600，4800，通訊距離小于1200 m[6]。

圖8是485通信電路，RE和DE為接收、發(fā)送使能，分別接STM32的IO管腳，RO為串行數(shù)據(jù)輸出，RI為串行數(shù)據(jù)輸入，在裝置末端，閉合開(kāi)關(guān)SW_1時(shí)接120Ω電阻，主要目的是達(dá)到終端匹配，另外，2.5 V穩(wěn)壓管起到保護(hù)MAX485芯片的作用。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)的主流程圖

主程序是一個(gè)無(wú)限的循環(huán)，首先進(jìn)行各個(gè)模塊的初始化處理，然后顯示出界面，進(jìn)行按鍵的掃描，當(dāng)按下每一個(gè)按鍵之后，系統(tǒng)執(zhí)行所要操作的項(xiàng)目進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，然后行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和通訊，整個(gè)流程圖如圖9所示。

3.2 電能數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)

MAXQ3180的內(nèi)部的DSP（數(shù)字信號(hào)處理器）可以對(duì)每一相的原始電流就行處理和電壓采樣，進(jìn)行連續(xù)大量計(jì)算數(shù)據(jù)，比如有功、無(wú)功電能、功率因數(shù)、RMS電流、RMS電壓、視在功率、還有電壓和電流的基波和諧波等。

MAXQ3180對(duì)采集的電流電壓進(jìn)行數(shù)字濾波、校正、計(jì)算和換算，外部主處理器通過(guò)SPI串行接口讀取各種參數(shù)和檢測(cè)結(jié)果。MAXQ3180處理所需的參數(shù)和策略等，由外部主處理器通過(guò)SPI接口進(jìn)行設(shè)置。電能累加數(shù)據(jù)還可以脈沖方式輸出。測(cè)量的具體步驟如下：

首先要使能諧波測(cè)量，此時(shí)需要把AuX_cFG.bit6（ENAUX）置位用來(lái)使能輔助通道測(cè)量，同時(shí)把AUX_CFG..bit7（ENHARM）置位用來(lái)使能諧波測(cè)量。

再次要配置通道，因?yàn)镸AXQ3180用于諧波計(jì)算的通道只有一個(gè)，所以在一個(gè)時(shí)刻只能測(cè)到某一次的諧波分量。因此為了獲得所有的諧波數(shù)據(jù)必須切換通道。本設(shè)計(jì)使用Aux CFG（地址為0x10）寄存器bit3—0實(shí)現(xiàn)通道的切換。選擇的通道波形在通過(guò)修改其中的位后可以進(jìn)入數(shù)字濾波器并進(jìn)行計(jì)算處理：等配置好寄存器后，所選擇的通道就會(huì)進(jìn)入濾波器。

最后等待濾波器穩(wěn)定后讀取數(shù)據(jù)，做好前面的工作后等到諧波峰值濾波器穩(wěn)定后，就可以記錄出比較準(zhǔn)確的諧波數(shù)據(jù)了。然后讀取數(shù)據(jù)就可以了，通過(guò)按鍵可以調(diào)整需要的諧波參數(shù)。

4 信號(hào)采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

5 結(jié)語(yǔ)

該設(shè)計(jì)旨在提高我國(guó)電網(wǎng)的自動(dòng)化和智能化，通過(guò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以了解到當(dāng)前的電能質(zhì)量，為電網(wǎng)的健康運(yùn)行提供技術(shù)支持，提高了電網(wǎng)的可靠性和安全性。該系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單方便，能采集到大部分所需要的電能質(zhì)量指標(biāo)。系統(tǒng)用的MAXQ3180和STM32都是典型的低功耗器件，非常適合來(lái)制造精密儀器特別是低功耗的電力計(jì)量器。當(dāng)然，當(dāng)前的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置和水平離電力市場(chǎng)和智能電網(wǎng)的要求還有一定的差距。需要我們共同的努力來(lái)實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)、分析和控制裝置的研制，為智能電網(wǎng)的建成貢獻(xiàn)自己的一份力量。

參考文獻(xiàn)

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[6] 楊翠峰.基于DSP的低壓電網(wǎng)電力參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[D]，武漢：武漢理工大學(xué)，2011.

[7] 曾滔.基于TMS320F2812的電能質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D]，福建：廈門(mén)大學(xué)，2008.

[8] 趙建.基于MODBUS的多功能電力監(jiān)控儀表的研制[D].山東濟(jì)南：山東大學(xué)，2010.

2.3.1 CAN通信

典型的CAN通信電路圖如圖6所示，與STM32相連接無(wú)需電平轉(zhuǎn)換，通信速率可達(dá)1 Mbit/s，三種工作模式：等待模式、斜率控制模式、高速模式，三種工作模式可通過(guò)RS端進(jìn)行調(diào)節(jié)，在高輸入阻抗時(shí)總線(xiàn)上可掛接120個(gè)節(jié)點(diǎn)。TXD、RXD分別于CAN控制器的RXD、TXD相連接。STM32CAN控制器，支持CAN2.0A、CAN2.0B，3個(gè)發(fā)送郵箱，2個(gè)3級(jí)深度的接收FIFO?？梢怨ぷ髟跍y(cè)試模式、環(huán)回模式、靜默模式等，調(diào)試時(shí)可將控制器配在環(huán)回模式，在環(huán)回模式下CAN內(nèi)核忽略確認(rèn)錯(cuò)誤（在數(shù)據(jù)/遠(yuǎn)程幀的確認(rèn)位時(shí)刻，不檢測(cè)是否有顯性位）。在環(huán)回模式下，BXCAN在內(nèi)部把TX輸出回饋到Rx輸入上，而完全忽略CANRX引腳的實(shí)際狀態(tài)。發(fā)送的報(bào)文可以在CANTX引腳上檢測(cè)到。

2.3.2 RS232通信模塊

為了方便就地調(diào)試和通訊，引入了232串口，如圖7所示，該電路采用MAX232驅(qū)動(dòng)芯片，該芯片是+3.3V供電，具有兩個(gè)接收和發(fā)送通道，且功耗低、集成度比較高。

2.3.3 RS485通信模塊

傳統(tǒng)自動(dòng)化系統(tǒng)的通信方式大都是RS485，為了與傳統(tǒng)設(shè)備兼容，在本系統(tǒng)中加了RS485接口，RS485采用雙工工作方式，只能有一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為主機(jī)，應(yīng)用RS485可以聯(lián)網(wǎng)成分布式系統(tǒng)，其允許最多并聯(lián)32臺(tái)驅(qū)動(dòng)器和32臺(tái)接收器，一般為主從方式，常用波特率有19200，9600，4800，通訊距離小于1200 m[6]。

圖8是485通信電路，RE和DE為接收、發(fā)送使能，分別接STM32的IO管腳，RO為串行數(shù)據(jù)輸出，RI為串行數(shù)據(jù)輸入，在裝置末端，閉合開(kāi)關(guān)SW_1時(shí)接120Ω電阻，主要目的是達(dá)到終端匹配，另外，2.5 V穩(wěn)壓管起到保護(hù)MAX485芯片的作用。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)的主流程圖

主程序是一個(gè)無(wú)限的循環(huán)，首先進(jìn)行各個(gè)模塊的初始化處理，然后顯示出界面，進(jìn)行按鍵的掃描，當(dāng)按下每一個(gè)按鍵之后，系統(tǒng)執(zhí)行所要操作的項(xiàng)目進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，然后行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和通訊，整個(gè)流程圖如圖9所示。

3.2 電能數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)

MAXQ3180的內(nèi)部的DSP（數(shù)字信號(hào)處理器）可以對(duì)每一相的原始電流就行處理和電壓采樣，進(jìn)行連續(xù)大量計(jì)算數(shù)據(jù)，比如有功、無(wú)功電能、功率因數(shù)、RMS電流、RMS電壓、視在功率、還有電壓和電流的基波和諧波等。

MAXQ3180對(duì)采集的電流電壓進(jìn)行數(shù)字濾波、校正、計(jì)算和換算，外部主處理器通過(guò)SPI串行接口讀取各種參數(shù)和檢測(cè)結(jié)果。MAXQ3180處理所需的參數(shù)和策略等，由外部主處理器通過(guò)SPI接口進(jìn)行設(shè)置。電能累加數(shù)據(jù)還可以脈沖方式輸出。測(cè)量的具體步驟如下：

首先要使能諧波測(cè)量，此時(shí)需要把AuX_cFG.bit6（ENAUX）置位用來(lái)使能輔助通道測(cè)量，同時(shí)把AUX_CFG..bit7（ENHARM）置位用來(lái)使能諧波測(cè)量。

再次要配置通道，因?yàn)镸AXQ3180用于諧波計(jì)算的通道只有一個(gè)，所以在一個(gè)時(shí)刻只能測(cè)到某一次的諧波分量。因此為了獲得所有的諧波數(shù)據(jù)必須切換通道。本設(shè)計(jì)使用Aux CFG（地址為0x10）寄存器bit3—0實(shí)現(xiàn)通道的切換。選擇的通道波形在通過(guò)修改其中的位后可以進(jìn)入數(shù)字濾波器并進(jìn)行計(jì)算處理：等配置好寄存器后，所選擇的通道就會(huì)進(jìn)入濾波器。

最后等待濾波器穩(wěn)定后讀取數(shù)據(jù)，做好前面的工作后等到諧波峰值濾波器穩(wěn)定后，就可以記錄出比較準(zhǔn)確的諧波數(shù)據(jù)了。然后讀取數(shù)據(jù)就可以了，通過(guò)按鍵可以調(diào)整需要的諧波參數(shù)。

4 信號(hào)采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

5 結(jié)語(yǔ)

該設(shè)計(jì)旨在提高我國(guó)電網(wǎng)的自動(dòng)化和智能化，通過(guò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以了解到當(dāng)前的電能質(zhì)量，為電網(wǎng)的健康運(yùn)行提供技術(shù)支持，提高了電網(wǎng)的可靠性和安全性。該系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單方便，能采集到大部分所需要的電能質(zhì)量指標(biāo)。系統(tǒng)用的MAXQ3180和STM32都是典型的低功耗器件，非常適合來(lái)制造精密儀器特別是低功耗的電力計(jì)量器。當(dāng)然，當(dāng)前的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置和水平離電力市場(chǎng)和智能電網(wǎng)的要求還有一定的差距。需要我們共同的努力來(lái)實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)、分析和控制裝置的研制，為智能電網(wǎng)的建成貢獻(xiàn)自己的一份力量。

參考文獻(xiàn)

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[6] 楊翠峰.基于DSP的低壓電網(wǎng)電力參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[D]，武漢：武漢理工大學(xué)，2011.

[7] 曾滔.基于TMS320F2812的電能質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D]，福建：廈門(mén)大學(xué)，2008.

[8] 趙建.基于MODBUS的多功能電力監(jiān)控儀表的研制[D].山東濟(jì)南：山東大學(xué)，2010.