基于ADE7758的配变电安全监控系统设计

　　摘 要： 介绍了一种电量计量芯片ADE7758。采用PHILIPS公司的ARM微控制器LPC2210 和ADE7758芯片，开发了一种智能无功补偿控制器。设计了相对应的电力远程监控系统总体结构以及现场无功补偿控制单元的硬件电路和CDMA通信监控系统，实现了对电力参数的远程数据传输和控制。监控系统具有较好的实时性、稳定性和可扩展性。
　　关键词： 配变电安全监控(VCC)；FFT；无功补偿；谐波分析

　　随着国内电网改造和电力系统规模的不断扩大，传统的配电变压器终端装置已不能满足配电自动化系统的要求[1-3]。由于ARM嵌入式处理器运行频率高、内存大，所以能够充分保证智能仪器和测控系统中网络协议的可靠运行，也便于LUNIX嵌入式操作系统的移植。其操作系统能将应用分解成若干个任务调度运行，系统实时性强，软件开发方便易行，特别适宜于测控系统中现场控制器的升级换代。因此，嵌入式单片机已成为智能仪器和测控系统的主流微控制器。
1 系统总体设计
　　本系统以ARM为控制核心，配合CDMA MODERM通信模块，实现远程自动化控制、数据和参数复位、参数设置、请求实时数据、请求历史数据、异常信息报警、负荷管理等功能，如图1所示。图中CDMA模块是指具有登录CDMA网络功能的芯片。处理器与CDMA模块通过串行协议通信，从数据采集器得到数据后，CDMA模块负责以CDMA资料包的形式通过CDMA网络把资料发送到中国联通的内部网(UNINET)，然后由中国联通通过CDMA服务节点(GSN)，把资料发送到Internet上。由于CDMA网络以IP寻址为基础，所以主站只需要简单接入Internet，并具备公网分配的IP地址即可。

2 监控系统硬件设计
2.1 ARM单片机及存储器接口设计
　　(1)ARM单片机LPC2214简介
　　LPC2214^[4]是基于一个支持实时仿真和跟踪的16/32位ARM7TDMI-STMCP的微控制器，并带有128 KB的嵌入式高速片内Flash存储器。片内128位宽的存储器接口和独特的加速结构使32位代码能够在最大的时钟频率下运行。对代码规模有严格控制的应用可使用16位Thumb模式将代码规模降低超过30%，而性能的损失却很小。
　　由于LPC2214较小的144脚封装、极低的功耗、多个32位定时器、8路10位ADC以及多达9个外部中断，使其特别适用于工业控制、医疗系统、访问控制和POS机。
　　LPC2214可使用的GPIO高达76个(使用了外部存储器)或112个(单片应用)。由于内置了宽范围的串行通行接口，它也非常适用于通信网关、协议转换器、嵌入式软Modem以及其他各种类型的应用，电路结构如图2所示。

　　(2)存储器接口设计
　　存储器接口电路如图3所示。

2.2 电量计量电路设计
　　(1)ADE7758简介
　　ADE7758[5]是一款多相多功能电能测量IC芯片，带有一个串行口、两路脉冲输出。ADE7758集成了数字积分、参考基准电压源、温度敏感元件等。带有可用于有功功率、复功率、视在功率、有效值的测量以及以数字方式校正系统误差（增益、相位和偏移等）所必须的信号处理电路。该芯片适用于各种三相电路（不论三线制或者四线制）中测量有功功率、复功率、视在功率。
　　(2)ADE7758应用与ARM接口
　　本系统测量的额定电压有效值为220 V，电流有效值为5 A。负载的电压和电流分别通过电压互感器和电流互感器接到ADE7758的模拟口，如图4所示。分压电阻和电流采样电阻大小的选择，既要充分利用ADE7758的A/D转换位数，以提高精度，还要保证过量程时不至于测量溢出。最终输入到ADE7758模拟端的电压大小还与GAIN寄存器有关。

　　①为了增加A/D转换精度和模拟抗干扰性，应当提高ADE7758模拟端口的信号幅值，故设定GAIN的放大倍数等于LVAP端和IAP端的最大输入幅值为0.5 V。
　　②电压通道以220 V额定值，根据变压器的变比和0.5 V的末端电压，粗略计算分压电阻的个数和阻值；电流通道类似，换成考虑电流互感的变比，来估算采样电阻的值。
　　③在调试时，读出ADE7758的电压、电流、功率等内部寄存器的原始值，来验证电阻值是否合适。
　　REF端为A/D转换的参考电压端，芯片内部可产生2.5 V基准电压，它对测量精度的影响很大，所以用22 μF的钽电容和0.1 μF独石电容并联去藕。
　　APCF和VARCF端采用光电隔离的方式输出脉冲信号，以供校准和电能计算。
3 软件设计
3.1 配置ARM的FIFO模块
　　只有正确设置CDMA模块的参数，才能保证终端与主站正常通信。由于等待设置CDMA模块参数指令的返回值的延时时间不能确定，为了能正确接收返回值，本系统利用了ARM7串口自带的FIFO寄存器实现中断接收^[6]。每次接收清空接收缓冲区，这样保证接收判断无误，不会由于“错误”的判断产生错误的指令输入到CDMA模块。ARM7串口配置程序如下：
　　……
　　PINSEL0=(PINSEL0&(～0x0f )) | 0x00000005；　　　//设置I/O连接到UART0
　　U0LCR=0x83；　　　　　　　　　　　　　　　　　　//DLAB=1，允许设置波特率
　　Fdiv=(Fpclk / 16) / UART_BPS；　　　　　　　　　//设置波特率
　　U0DLM=Fdiv / 256；
　　U0DLL=Fdiv % 256；
　　U0LCR=0x03；
　　U0FCR=0x81；　　　　　　　　　　　　　　　　　　//使能FIFO，并设置出发点
　　U0IER=0x01；
　　VICIntSelect=0x00000000；　　　　　　　　　　　 //设置为IRQ中断
　　VICVectCntl0=0x20|(1<<6)；　　　　　　　　　　　//设置终端优先级
　　VICVectAddr0=(uint32)UART0_FIFO_Rx；　　　　　　//保存中断服务程序的入口地址
　　VICIntEnable |=(1<<6)； //使能UART0的中断允许
　　……
3.2 远程升级
　　远程升级是一项十分复杂的任务。为了防止传输误码，采用校验和来检验升级报文的正确性。如果升级报文为多帧传输，则应接收检验完最后一帧报文后，再通过串口输出“＋＋＋”到CDMA模块，令其进入命令模式。然后将接收的升级报文备份到SST39VF160中，不要覆盖之前备份的升级报文，防止升级未完成时，仍能继续工作。升级是一件比较重要的事件，因此，升级开始时，要置升级标志，在升级完成后，再清该标志，重新发指令，让CDMA模块拨号，最后发送升级确认报文给主站。
3.3 ARM启动代码
　　(1)异常向量表。ARM处理器从逻辑地址0x00000000处读取中断向量表，而此地址初始映射为Flash地址，所以，如果要在RAM中运行程序且响应中断，则应利用地址重映射功能(REMAP)将RAM中包含中断向量表的地址映射到0x00000000处。
　　(2)VIC初始化。程序首先禁止所有中断，以避免一个中断没有响应又载入程序，从而因向量中断控制器状态错误而不能正确识别中断。设置VICVectAddr寄存器的值为0，最后将所有中断设置为IRQ中断。
　　(3)设置CPSR寄存器的I位。因为使用UART0的FIFO中断接收且设置为IRQ中断，所以必须开启IRQ，即清CPSR的I位，在启动代码中使用“MSR CPSR_c，#0x5F”指令。
　　此外，监控系统还应用了带扩展AT+I指令集功能的CDMA通信软件。其指令集以及实现编程不赘述。
　　由于移动通信系统为一个现有的平台，在电力监控系统中采用CDMA1X网进行数据传输，可以大大降低通信系统的一次性投资，而且可减少工程实施中调试通信系统的时间，降低通信系统的维护费用，减轻工作人员的劳动强度，提高工作效率及配网自动化管理水平。该系统已在广西某电力部门应用一年多。现场实际应用效果证明采用ARM嵌入式控制器LPC2210和高精度电量计量芯片ADE7758使智能无功补偿控制器工作更加稳定，实时性更好，是一种理想的无功补偿控制器升级换代产品，具有很好的推广应用前景。

参考文献
[1] 王云，贾清寒，胡晓龙.基于无线网的配电变压器监测系统应用[J].电力系统自动化，2002，26(16)：75-78.
[2] 林功平，徐石明，罗剑波.配电自动化终端技术分析[J].电力系统自动化，2003，27(12).
[3] 杨彩虹，王芙蓉，贺德华.GSM的数据业务和承载能力[J].电讯技术，2002，42(1)：101-105.
[4] 广州周立功单片机发展有限公司.LPC2210/2220 User Manual[EB/OL].www.zlgmcu.com，2005.
[5] Analog Devices.ADE7758 DateSheet，Poly Phase Multifunction Energy Metering IC with per Phase Information[Z].ANALOG DEVICES，2006.
[6] 杜春雷.ARM体系结构与编程[M].北京：清华大学出版社，2003.