基于STM32的电能质量检测技术研究
摘要： 目前国内外已有多种检测电能质量的方法， 介绍了一种基于ARM Co rtex- M3 内核的32 位处理器STM32 内嵌式智能仪器模式设计的方案。利用STM32 内置A/ D 以及ATT7022B 芯片对信号进行多通道采集， 对各电能参数进行检测和分析。运用处理器自带的SD 卡和U SB 接口对所测大量数据进行存储和传输， 并通过彩色液晶屏实时显示所测数据， 检测设备间通过2. 4 G 无线通信模块进行数据交换。实际运行表明该设备操作简单、技术指标完全符合国家相关标准， 具有较好的应用、推广价值。
0 引言
近些年来， 随着现代化工业设备和民用电器设备的普及， 电力用户对供电质量的要求越来越高。特别是大量非线性电力负荷用到日常生活和工业生产中， 使得公用电网中的电能质量问题愈显凸出， 已经严重影响了电能供应质量。因此， 根据国家电能质量检测标准， 有必要对电网供电的各项参数进行测试， 分析电网的电能质量。
国内外已有不少方法对电能质量进行检测。但是传统的基于8、16 位的单片机的电能检测设备存在处理速度慢， 硬件结构不够完善等缺点。而当下比较流行的运用DSP 处理器的电能检测设备， 虽然其处理速度快、精度高，但是成本较高、功耗大， 不利于大规模的推广。本文提出一种基于STM32 芯片以内嵌入式智能仪器模式设计的方案。STM32 具有杰出的功耗控制及众多外设。设计时可充分利用其丰富的片上资源， 大大节省了硬件的投资。
利用STM2 内置的A/ D 可对信号进行高速采集和处理，其自带的USB 接口可对数据进行快速传输， 以及通过电阻式彩色触摸屏T FT 对相关数据进行实时显示等。系统具有设计结构简单、携带方便、低成本、低功耗、可靠性高等优点， 适合实时现场操作， 具有较高的应用价值。
1 电能质量检测设备总体设计方案
本电能质量检测系统的主要设计思路是： 根据国家制定的电能质量相关标准对系统进行设计、开发， 系统框图如图1 所示。通过高精度的模拟信号采集电路对公用电网的电压、电流进行采集; 通过FFT 算法对谐波进行检测分析， 以及运用电能检测芯片对电压幅值、电流值、功率因素等一系列参数进行检测; 最后将测试结果显示在液晶屏幕上， 同时将数据存储在SD 卡上， 检测设备之间可以通过2. 4 G 无线通信模块进行数据交换， 还可运用U SB 通信接口传输实时的数据到上位机， 以便上位机对数据进行存储和分析。
图1 系统框图
2 硬件设计
2. 1 STM32 处理器介绍
本系统采用的是由意法半导体公司推出的基于ARMCor tex??M3 内核的STM32F103RBT 6 增强型32 位处理器。其工作频率为72 MHz, 内置高速存储器( 高达128 K字节的闪存和20 K 字节的SRAM) , 丰富的增强型I/ O 端口和联接到2 条APB 总线的外设。包含2 个12 位的A/D、3 个通用16 位定时器和1 个PWM 定时器， 还包含标准和先进的通信接口： 多达2 个IIC 接口和SPI 接口、3 个USART 接口、一个USB 接口和一个CAN 接口。STM32较市场上同种类的单片机具有价格低、功能强、使用简单、开发方便等优势。
2. 2 电能数据采集模块设计
对于前端电压电流的采集选用高精度的电压电流互感器。其体积小、精度高、全封闭、机械和耐环境性能好，电压隔离能力强， 安全可靠且工作频率范围在20 Hz ~20 kHz。运用互感器将大电压电流信号转换成小信号， 再通过分压将其转换成STM32 的A/D 输入通道的合理电压输入范围( 0~ 3. 3 V ) 。
2. 3 电能数据处理模块
电能数据处理主要分为2 个模块， 即谐波采集、分析模块和AT T 7022B 高精度三相电能专用计量芯片模块。
是通过STM32 处理器内置的A/ D 转换器对采集的信号运用FFT 算法进行谐波处理和分析。该模数转换器是12 位的逐次逼近型的， 多达18 个通道， 可测量16 个外部和2 个内部信号源。各通道的A /D 转换可以单次、连续、扫描或间断模式执行。A/D 的结果可以左对齐或右对齐方式存储在16 位数据寄存器中。其模拟看门狗特性允许应用程序检测输入电压是否超出用户的高/ 低阀值。
该设计是运用STM32 内置A/ D 的同步规则模式将所测得的数据通过DMA 传输， 以节省CPU 资源。
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