基于ARM的單相電力計量裝置現場監測儀實現

摘 要:介紹基于ARM的用于單相電力計量裝置現場監測儀表的實現。通過采用兩片ADE7753對被測計量裝置的一次與二次回路電流及電壓等電力參數量同時在線測量，利用ADE7753電流通道實現相電壓測量，可以精確監測計量裝置綜合誤差、電表誤差及互感器誤差等電力計量重要參數。通過采用ARM處理器，基于μC/GUI進行嵌入式系統軟件移植，實現了友好且功能強大的人機交互界面。給出了系統組成、檢測原理、信號調理與檢測電路及基于ARM的人機界面等具體設計及實現。

關鍵詞:電力計量; 電表誤差; 綜合計量誤差; 人機界面; 嵌入式控制

中圖分類號:TP274.5 文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)10-0187-03

Implementation of Single-phase Power on Site Monitoring Instrumentation Based on ARM

SUN Jun-ling， LIU Jun

(College of Mechanical and Electrical Engineering， Henan Agricultural University， Zhengzhou 450002， China)

Abstract: The implementation of a single-phase power measurement instrument for on-site monitoring based on ARM is introduced. The electric current and voltage parameters of the first and secondary loops can be measured at the same time by using two pieces of ADE7753. The comprehensive error， meter error and transformer error can be achieved accurately by innovatively using the current channel to measure phase voltage. By using ARM processor， the friendly and powerful man-machine interface is implemented based on μC/GUI. The implementation of system composition， measuring principle， signal conditioning and detection circuit as well as human-machine interface based on ARM is offured.

Keywords: power measurement; electro meter error; comprehensive error; man-machine interface; embedded control

電力計量裝置現場監測儀是根據國家相關規程標準，專為電力管理部門降線損、防竊電在線檢測的智能化儀表[1]。儀表可在不停電、不改變計量回路接線的情況下，在線測出單相計量箱的綜合誤差及電能表、互感器的誤差，并打印結果。進而判斷回路的斷路、短路、接觸不良、CT極性接反、CT變化與銘牌不符等計量故障，是電力管理部門查竊電、查故障、追補電費的得力工具。

1 系統總體設計

1.1 技術要求

配備精密鉗形電流互感器，在不斷電、不改變計量回路的情況下，檢測計量裝置、電能表及互感器的誤差。顯示瞬時檢測狀態下的一次電流、二次電流、電壓、互感比。具有光電采樣和手動采樣、脈沖輸入3種測量方式。精度等級達到0.2級。具有低頻脈沖信號輸出，方便送檢。不需另接電源。同時，為了兼顧城市和農村電網中的應用，在滿足功能外設計還要考慮到室外操作環境、方便攜帶及大范圍的電壓變化等因素以適應現場監測的要求。

1.2 系統總體組成

如圖1所示，系統以ARM控制器S3C44B0X為核心，采用2片電能計量芯片ADE7753同時對一次、二次回路的電壓電流輸入進行測量，配合電能表的脈沖輸入，可同時計算出計量裝置綜合誤差、電能表誤差以及互感器誤差。由ARM嵌入式控制器驅動65萬色彩色液晶顯示模塊及4×4矩陣鍵盤實現人機交互界面。微型熱敏打印機可打印輸出的誤差參數及日期。為了適應寬電壓應用的要求，采用AC/DC開關電源及DC/DC電源模塊為系統供電。

1.3 工作原理

首先應將精密鉗型互感器分別夾在被測負載的一次、二次電流回路。根據被測電能表的不同及測量環境條件的限制，可選取自動方式和手動方式進行檢測。在自動方式下，如被測電能表為電子式，可直接將其脈沖輸出連接至檢測儀。如電能表為機械式則可通過光電采樣器扣在電表上，將光電對準電度表轉盤，調至正常采樣，這時輸入檢測儀的是光電采樣器的脈沖。然后，從鍵盤輸入校驗圈數，被測表千瓦時盤轉數，被測互感器變化等預置參數后，就可實施自動計量檢測。

手動方式下脈沖是由人手動按下面板上的“手動”鍵或附件手動開關輸入的。連接好線后預置參數，由于手動及視覺誤差，圈數應適當多些。當轉盤色標轉至正前方時，速按一下手動開關，即開始檢測;當被檢測表轉夠設置的圈數，再按一下手動開關，即可顯示該裝置誤差。

圖1 系統總體組成框圖

1.4 綜合誤差、電能表誤差及互感器誤差的計算

綜合誤差是指計量裝置實際計量的電能與裝置讀數之間的誤差。裝置讀數是電表讀數與計量裝置給定互感器變比的乘積。因此，綜合誤差中包含了電表誤差及互感器誤差的影響。也就是說，如果互感器或電表被人為調整就會導致綜合計量的誤差出現，就有可能是盜電。而當出現綜合誤差時，還需再確定電表誤差及互感器誤差，并采取有針對性的治理措施。設一次回路電壓為U，電流為I1，而在設定圈數對應時間T內的ADE7753的高頻脈沖輸出CF1正比于實際電能，即有實際計量電能:

Ez1=UI1T=k×CF1(1)

該綜合計量裝置的互感器變比為Hs;設定圈數為N;表常數為B(這三個參數應在測量進行前由操作人員預先輸入)，則有被測裝置讀數應為:

Es=HsN/B(2)

因此，綜合誤差Ce可由Ez與Es算出:

Ce=(Es-Ez1)/Ez×100%(3)

互感器誤差由實際互感比(測量得到的一次、二次電流之比I1/I2)與預置互感比Hs得出。

He=(Hs-I1/I2)/(I1/I2)×100%(4)

電表誤差由設定圈數對應的電能N/B及二次回路ADE7753輸出的CF2對應的電能Ez2得出:

Be=(Ez2-N/B)/Ez2×100%(5)

2 系統實現

2.1 人機交互界面

人機交互界面由操作鍵盤和65 k真彩色液晶顯示模塊組成，由ARM控制。鍵盤用于參數輸入及控制。

需要輸入的參數有校驗圈數N、表脈沖常數或千瓦時盤轉數B和被測計量裝置給定互感比H等。控制鍵包括啟動、復位、手/自動模式、打印以及翻頁、選擇等。采取4×4矩陣鍵盤完成0~9數字及控制鍵。

彩色LCD顯示模塊主要完成開機動畫、測量結果列表及曲線顯示、電子說明書、幻燈圖片顯示等。TFT液晶顯示模塊選用4.3英寸寬屏TFT LCD，分辨率為480×272。系統配置32 MB字庫及96 MB存儲空間，可以滿足圖片、動畫及文本顯示的需求。

2.2 檢測電路

2.2.1 電壓、電流信號采樣電路

相電壓為175~240 V，但這樣大的電壓不能直接送給ADE7753進行A/D轉換。通過2個2 MΩ和1個6.2 kΩ的固定電阻及1個2 kΩ電位器分壓，得到400 mV左右的電壓采樣信號。而來自互感器的信號是電流形式的，需要經過200 Ω的電位器轉換為電壓形式的信號送入ADE7753的電流測量通道。為了將來自電力線的信號與ADE7753進行適當的隔離，在電壓電流采樣信號之間選用OP07運放組成電壓跟隨器電路。

2.2.2 脈沖信號調理電路

來自光電采樣器或電子式電能表的脈沖需要進行信號整形轉換隔離后，再送給ARM的外部中斷輸入。采用NPN三極管進行開關量的變換即可。

2.2.3 基于ADE7753的電能參數測量

ADE7753是ADI一款最新的功能先進數字電度表芯片，這是一種帶串行接口和脈沖輸出的高精度有功和視在能量計量的集成電路[2]。它集成了二階∑-ΔADCs、1個數字積分器(在CH1上)、1個參考電壓源，1個溫度傳感器，能對電壓、電流有效值(RMS)計算，有功、無功和視在能量的測量。實際上ADE7753是1個電能計量片上系統(SOC)的芯片[3]。

ADE7753電路將采樣的電流和電壓模擬信號數字化，電流通道中高通濾波器(HPF)濾掉了輸入信號中的直流成分，通過數字積分器還原成電流信號[4]。電壓信號送入電壓通道，經模/數轉換和相位校正后與調理過的電流信號相乘即可得到視在功率[5]。電壓和電流的有效值相乘獲得有功功率。有功功率信號通過數/頻轉換由CF腳輸出，同時與電壓信號、電流信號、視在功率信號一起送入ADE7753的寄存器，與串行接口經DOUT腳輸出并連接到ARM的I/O口。ARM通過兩個片選信號選擇實現對一次、二次回路的ADE7753測量數據查詢與采集。值得注意的是，ADE7753的電流通道輸出數據較電壓通道更穩定。這點可以從圖2中ADE7753的測量流程可看出，其電流通道中多了HPF環節和數字積分器環節。因此，在對一次回路測量時將電壓信號加在第1個ADE7753的電壓通道，而將二次回路的電壓信號加在第2個ADE7753的電流通道。實際上，由于一次、二次回路的電壓都是相電壓220 V，這樣取第2個7753電流通道的輸出值作為相電壓的測量值會更加精確。可看出，選用2片ADE7753實施單相電力計量裝置的監測，不僅可以同時測出一次、二次回路各項參數，且可獲得更高的精度。這對提高儀表整體的精度等級是很有意義的。

圖2 基于ADE7753的電能參數測量流程

2.3 時鐘電路

為了開機后實時顯示日期及時鐘，并在打印輸出結果時給出時間信息，采用時鐘芯片DS1302設計日歷電路。而為了掉電后仍能保持時鐘，配備3.6 V鋰電池。同時，時鐘可用于對ADE7753輸出高頻脈沖CF進行電能計量。

2.4 微型打印機與電源

選用煒煌微型熱敏打印機，其內置字庫，與ARM處理器的通信接口為并行接口。要注意的是，打印機對電源的功率及紋波有一定要求，因此選用了DC/DC隔離模塊為其供5 V電源。整機電源考慮到寬電壓變化范圍及方便攜帶的要求，沒有選擇變壓器線性穩壓電源，而是選擇了AC/DC開關電源。

3 控制器設計

3.1 控制器選擇

監測儀選用一款成熟的ARM7內核處理器S3C44B0X實現。作為嵌入式控制器，S3C44B0X的任務是完成人機界面的控制，實現矩陣鍵盤輸入檢測，開機動畫顯示、功能菜單、數據及曲線顯示、電子說明書以及圖片幻燈展示等豐富的交互功能[6]。這些復雜的鍵盤操作要與對應顯示畫面配合完成，若選擇單片機作為控制器，程序編寫復雜，調試難度也增加。而選擇ARM通過操作系統可實現移植，可簡化這部分工作，且界面操作也更流暢。

3.2 基于S3C44B0X的μC/GUI嵌入式系統軟件移植

選用μC操作系統進行嵌入式系統軟件設計。μC/GUI是一種嵌入式應用中的圖形支持系統。它為任何使用LCD圖形顯示的應用提供高效的獨立于處理器和LCD控制器的圖形用戶接口，適用單任務或是多任務系統環境，并適用于任意LCD控制器和CPU下任何尺寸的真實顯示或虛擬顯示[7]。μC/GUI的設計架構是模塊化的，由不同的模塊中的不同層組成，由一個LCD驅動層來包含所有對LCD的具體圖形操作，μC/GUI可以在任何的CPU上運行，因為它是100%的標準C代碼編寫的[8]。μC/GUI作為源代碼開放的圖形系統[9]，則可提供包括豐富的二維繪圖庫、多字體及可擴充字符集、Unicode、位圖顯示、多級RGB(Red，Green，Blue)及灰度調整、動畫優化顯示、具有Windows風格的對話框和預定義控件(按鈕、編輯框、列表框、進度條、單選多選框、滑動條等)。而且對鍵盤、鼠標、觸摸屏等輸入設備和雙LCD輸出的支持，目前在具有圖形界面的嵌入式測控系統中得到廣泛地應用[10]。

4 結 語

綜上所述，系統基于2片電能計量芯片ADE7753，特別是利用ADE7753電流通道精度高、穩定性好的特點對電壓進行采樣，實現了對計量裝置的一次及二次回路的同時在線測量，可以提高儀表的整體精度。通過對綜合誤差、電表誤差及互感器誤差等關鍵計量參數進行實時監測，可使電力管理部門及時校對計量裝置的誤差，防止竊電現象發生。并且基于ARM處理器，通過μC/GUI嵌入式操作系統的移植，使得人機界面操作部分的實現更容易，功能更強大，操作也更加人性化。

參考文獻

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[8]吳明暉.基于ARM的嵌入式系統開發與應用[M].北京:人民郵電出版社，2004.

[9]田澤.嵌入式系統開發與應用教程[M].北京:北京航空航天大學出版社，2005.

[10]何小軍.基于μC/GUI組件的TFT液晶模塊驅動設計[J].西華大學學報，2007(5):50-52.