基于LP2132芯片的备自投测控单元的硬件设计

摘要：采用模块化的设计，以一个支持实时仿真和跟踪，16／32位的ARM7TDMI-S CPU微控制器LPC2132为核心，配合其他功能芯片，完成硬件设计要求。考虑到强弱电信号之间的相互电磁干扰，在整体结构上采用3层电路板，实现了强弱电信号的隔离，提高了系统的抗干扰性、运行的稳定性和人员现场操作的安全性。本控制单元设计完全符合备自投配电终端智能化、小型化、多功能化的要求。
关键词：配电；监测终端；串行数据通信；LPC2132

    文中以LPC2132芯片作为系统主控器，针对电力系统数据信号采集、数据通信以及系统状态监测等问题，设计出一种含两主一备功能的备自投等多功能配电的硬件系统，其可以测量回路中的有功功率、无功功率、能量、电压、电流、功率因数等功能。以两路市电作为进线，另加一路备用电源，通过联络开关将两段母线联通供电，三路电源互为备用。该系统亦可实现远程监控和备自投。

1 系统的总体结构
    系统整体结构采用3层电路板：底层为信号采集电路板，因其上层多为大型元器件，为了保持测试仪结构稳定性，将其置于底层。该层主要用于信号的传输与变换，将外部传送的大电压电流信号转换为小电压电流信号；中间层为信号处理电路板，它将信号采集板传送的小电压电流信号进行处理，该层也是本设计的主控电路板；上层是LCD显示电路板，用于对从中间层传送的测量参数进行显示，如图1所示。

2 微控制器的选择
    本系统选择LPC2132作为微控制器，它是基于一个支持实时仿真和嵌入式跟踪的32／16位ARM7TDMI-STM CPU微控制器，带有64／128／256／512 kB的嵌入高速Flash存储器。LPC2132具有多个32位定时器，1个(LPc2132)10位8路ADC，10位DAC，PWM通道，47个GPIO，9个边沿或电平触发的外部中断。系统LPC2132外接口示意图，如图2所示。

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3 系统中的RS485总线
3．1 RS485总线一般概念
    文中智能终端与上位机通讯所涉及的RS485串行通信接口技术，是由RS232，RS422技术逐步发展而来的。RS-485标准的最大传输距离约l 219 m，最大传输速率10 MB·s-1。RS-485具有在20 kB·s-1速率下能获得使用规定中最长电缆长度的能力。传输网络采用平衡双绞线作为传输媒体，绞线的长度与传输速率成反比，只有在很短的距离下才能获得高速率传输，100 m长双绞线最大传输速率仅为1 MB·s-1。
3．2本系统中的RS485总线
    本智能终端设计中使用的SN65HVDl2芯片，可以被直接嵌入到RS-485应用电路中。微处理器的标准串行口通过RXD连接SN65HVDl2芯片的R引脚，TXD连接SP485R芯片的D引脚，具体结构，如图3所示。

4 系统的硬件安排
4．1 ARM主控设计
    ARM主控模块其结构主要包括微处理器LPC2132、电源接口电路、晶振电路、数据储存单元、UART串行接口电路和SPI串行接口等。
    (1)电源接口电路。电源部分是整个系统的基础，它为处理器和各个部分提供工作电压。电源设计必须考虑以下因素：输出电压、电流和功率、输入电压、电流、安全因素、输出纹波、电磁兼容和电磁干扰以及体积、功耗和成本的限制。本设计中，需要使用12 V，5 V和3．3 V的直流稳压电源。其中LPC2132微处理器及部分外围电路需要3．3 V或5 V的直流电源，而部分A／D转换器则需要5 V的交流电源。电源接口电路分别，如图4所示。

图4电源接口电路
    (2)晶振电路。其向LPC2132芯片及其他接口电路提供工作时钟。其产生工作频率为22．118 4 MHz的系统时钟，系统采用电容三端式晶振接入电路，如图5所示。

    (3)数据储存单元。FRAM利用铁电效应实现数据存储，FRAM存储器不会受磁场的影响，FRAM保持数据不需要电压和与DRAM一样的周期性刷新。同普通ROM存储器一样使用，具有非易失性存储特性。系统中采用FM3lXX系列铁电存储器中具有较大容量的FM3104存储数据，若需保存更长时间，只需要增加铁电存储器即可，具体如图6所示。

    (4)显示电路。本设计采用LCMl2864P中文液晶显示模块，该显示模块与单片机等微控器可实现汉字、ASCII码、点阵图形的同屏显示，可广泛应用于各种仪器仪表、家用电器和信息产品。主控模块与液晶显示屏的接口电路，如图7所示。

    (5)UART串行接口电路。UART(通用异步收发器)是用硬件来实现异步串行通信的通信接口电路，其允许在串行链路上进行全双工的通信，输入＼输出电平为TTL电平。LPC2132具有2个符合550工业标准的异步串行口(UARt)UART0和UARTl。本系统中，UART电平与RS485电平的转换选用SN65HVDl2，如前所述；[!--empirenews.page--]
    (6)SPI串行接口。LPC2131具有一个硬件SPI(SPI，Serial Peripheral Interface)接口，它是一个同步、全双工串行接口，最大数据位速率为时钟速率的l／8，可以配置为主机或从机。本系统SPI串口利用SN74HCl38D实现ADCl28S022的片选，也即实现回路选择，如图8所示。

4．2开关量输入、输出电路
    开关量输入、输出模块实现的是配电监控终端的遥信量采集和遥控量输出的功能。遥信量包括故障指示器动作信号、开关位置信号、异常信号灯数字量。遥控是对开关的控制。
    配电线路中，隔离开关、负荷开关及继电器的开、合状态，是通过检测其专用辅助触点位置得知的。开关和继电器等因处于强电场中，电磁干扰较为严重，所以需采取抗电磁干扰措施。常用方法是光电隔离技术。本系统中使用TLP521-4。SN74HCl65D是一个8位移位寄存器，它将光电隔离电路传送来的信号处理后传给LPC2132进行处理，从而实现了抗电磁干扰。系统中开关量输入光电隔离电路，如图9所示。
4．3系统互感电路
    配电用户一侧电流较大，容易对系统产生电磁干扰，同时系统器件一般都是低压、低流工作环境，因此外电不能直接接入监控终端，必须先将电网的电力信号经过隔离转换。文中选择电压、电压互感器实现。系统互感电路，如图10所示。

5 结束语
    数字化、网络化的电力监测是工业远程监控的最佳选择。文中以LPC2132微处理器为核心，设计了实现测量有功、无功、视在功率、双向有功、四象限无功电能、LCD显示和备自投功能的电能监控单元的硬件电路。