基于ARM7TDMI的配电综合测控仪的设计与实现

0 引言

　　为了能对大量负荷进行在线监控。很多公司较早地研制了基于单片机技术，能对配电变压器或配电线路负荷运行参数、电容器投切、电量采集等进行综合监控的配电综合测控仪。但是，由于供电系统负荷的复杂性，特别是用户非线性负荷的大量使用，企业对谐波等电能质量问题越来越重视，因此，对配电综合测控仪的要求也随之提高，而且普遍要求增加谐波、频率监测和通信组网等功能。为了解决这些问题。本文以PHILIPS公司的ARM7芯片LPC2220FBD144为核心，研制出了新一代的配电综合测控仪。

　　1硬件电路设计

　　1.1硬件电路总体结构

　　本装置的硬件结构框图如图1所示，它主要由数据采集、运算处理、数据存储、键盘显示、通信接口等单元组成。其中运算处理单元是核心部分，用于实现数据信号处理、快速傅立叶变换(FFT)等功能。考虑配电综合测控仪要求的运算速度、精度、硬件资源等需要，本设计选择了PHILIPS公司的LPC2220FBD144型ARM7芯片。

　　该LPC2220FBD144芯片是LPC2200系列中性价比较好的一款ARM7芯片，采用LQFP封装，四条边上各有36个引脚。该芯片具有改进的冯诺依曼结构(指令和数据共用一条32位总线)，采用三级流水线，可以同时进行几个操作，并能使外处理和存储器系统连续操作。该芯片内嵌高达256KB的高速闪烁存储器、64 KB静态RAM、32位的算术逻辑单元、32位累加器、64位的乘法器以及精简指令集，其指令最短周期可以达到17 ns。这些特点使它的操作非常灵活，处理能力强并且速度快。由于其应用程序可以固化在CPU内部，因而不但可以降低成本、减少体积，系统升级也比较方便，而且它的功耗低、资源配置灵活，非常适用于生产现场的数据采集和处理。

　　 1.2数据采集电路

　　本系统中的数据采集电路由PT与CT、信号整理和A／D转换三部分组成，实时电流和电压经过PT、CT以及信号整理电路后，可变成0～3.3 V的模拟信号，然后经模拟转换电路完成数字化处理。数据采集部分的硬件电路如图2所示(6路采集电路中的一路Ua)。

　　根据测量谐波等参数和数字抗频率混叠的要求，本装置对信号波形按每个周期128点进行采样，采样周期为156μs。ARM7内部的A／D是8路输入的10位逐次逼模一数转换器，由于它可以对电流和电压进行同步采样，而且精度比较高，所以本设计没有再使用其它外围A／D芯片。

　　1.3存储器和时钟电路

　　存储器主要由三星公司的NAND FLASH存储器芯片组成.NAND FLASH是容量为16 MB的非易失闪烁存储器芯片，可用于存放采集来的数据和已备上传的历史数据。

　　时钟采用PHILIPS公司的PCF8563芯片。该芯片具有低功耗CMOS实时时钟／日历，而且外围接口简单，精度和可靠性高，工作稳定。芯片最大总线速度为400 kbits／s，每次读写数据后，其内嵌的字地址寄存器会自动产生增量。PCF8563有16个8位寄存器，并有可自动增量的地址寄存器、内置32.768 kHz的振荡器(带有一个内部集成电容)、分频器(用于给实时时钟RTC提供源时钟)、可编程时钟输出、定时器、报警器、掉电检测器和400 kHz的I2C总线接口等；同时具有计秒、分、时、星期、日、月、年以及闰年补偿功能，可用二进制数码和BCD码表示时间、日历和定闹。安上锂电池以后，断电情况下可以十年不丢失数据，功能上完全可以满足本装置的需要。

　　1.4通讯电路

　　本产品采用了两路通讯电路，一路为RS-485总线接口，另一路为RS-232总线接口。RS-485总线接口的总线收发器使用SP3485。SP3485是一个3.3 V的低功耗半双工收发器，它完全满足RS-485串行协议的要求，符合RS-485的电气规范，数据传输速率可达10 Mbps(带负载)。由于RS-485总线所占用的IO口线与UART0的口线是复用的，所以，在进行RS485总线通信时，必须停止UART0接口的通信。RS485通信的方向由P2.16控制，当P2.16为低时，核心板接收总线数据；当P2.16为高时，核心板向总线发送数据，其电路图如图3所示。

　　RS-232总线接口的总线收发器使用SP3232E。SP3232E系列芯片是一个2驱动器／2接收器的低功耗器件，SP3232E有一个高效电荷泵，工作电压为3.3 V时，只需0.1μF电容就可以进行操作。电荷泵允许SP3232E系列器件在3.3～5.0 V内的某个电压下发送符合RS-232的信号。由于本产品是3.3 V系统，因此使用SP3232E进行RS232电平转换，其电路图如图4所示。