基于ARM的中壓FTU檢測平臺的設計

謝志遠，貢振崗，楊 星，吳曉燕

（華北電力大學 電子與通信工程系，河北 保定 071000）

隨著我國智能電網建設的不斷深入，大量的智能電氣設備在智能電網中得到應用。智能電力設備的大力發展必然需求一種測試平臺對其智能模塊進行有效的測試,以保證智能模塊各功能的正常，同時高效率的檢測平臺大大縮短了對智能電力設備的開發周期。

目前國內外還沒有一個針對中壓柱上FTU的檢測裝置，隨著這種中壓電力線柱上FTU的推廣應用，利用一種具備檢測功能的測試平臺實現對FTU的功能檢測具有現實的應用意義，所以本文提出了對中壓柱上FTU檢測平臺的設計。

1 檢測平臺的設計原理

檢測平臺系統結構框圖如圖1所示。檢測平臺主要由單片機控制系統、信號源電路、可編程增益放大電路、恒流電路、電壓/電流采樣電路、狀態量/控制量電路、屏幕和按鍵掃描電路構成。

高精度正弦信號由單片機控制產生，產生的信號分別給予兩路可編程增益放大電路：一路可編程放大電路經過幅度調整電路產生交流電壓信號，另一路經過幅度調整送給壓控恒流電路產生交流電流信號，產生的交流電壓、電流信號經過采樣電路反饋送給單片機。通過單片機控制繼電器的分合模擬斷路器工作時的分合及儲能狀態，通過光耦電路檢測FTU的分合閘命令，通過按鍵設置產生信號的幅度及手動模擬控制斷路器的工作狀態，相應信息由屏幕顯示。

1.1 單片機控制器

本系統選用基于ARM7 TDMI-S內核的LPC2214處理器。該單片機是一個低功耗、高性能的32位單片機，并帶有256 KB的高速Flash存儲器和16 KB的片內隨機存儲器，128 bit寬度的存儲器接口和獨特的加速結構使32 bit代碼能夠在最大時鐘60 MHz的速率下運行[1]。

1.2 高精度信號源

信號發生電路采用高精度DDS芯片AD9833數字可編程波形產生器件，AD9833頻率、相位數字可編程，采用3線SPI串口控制、占用資源少、低功耗特性符合精密電路的芯片選擇。用AD9833可產生高精度工頻的正弦信號。應用電路如圖2所示。

為了增大AD9833產生信號的驅動能力及抗干擾能力，在信號輸出端加一級由運放OP497構成的電壓跟隨器，增加信號的驅動能力及穩定性。

1.3 可編程增益放大電路

可編程增益放大電路由兩部分構成：第1部分是經過高精度D/A芯片產生模擬電壓量[2]，第2部分是用壓控增益放大電路將D/A產生的電壓量轉化成相應的增益放大。D/A選用 12 bit高速轉化芯片TLV5618，12 bit的控制長度可以準確控制增益步進[3]；壓控增益芯片選用VCA822。由TLV5618和VCA822構成的可編程增益電路如圖3所示。

壓控增益芯片VCA822是寬頻帶、V/V線性、持續可變增益的放大器。應用電路基本增益公式為：

在電路中選擇阻值R8=R13，因此增益公式變為:

1.4 恒流源電路方案選擇

恒流電路設計選用OPA564功率運放[4]，OPA564是一種可以提供大電流輸出的運算放大器件，雙極性電源供電，極限電流輸出達1.9 A。OPA564的器件特性滿足本設計方案的需求，基于OPA564的VI變換電路如圖4所示。

OPA564構成同相求和運算電路,圖中電阻R34=R35＝R36＝R37，輸出恒流 I o的推導過程為：

將(3)式帶入(4)式得:

電阻R ef上的電壓為:

流過電阻R ef的電流:

電阻R ef選用功率精密電阻。

1.5 電壓、電流采集電路

采集芯片選用高精度電能專用計量芯片ATT7022B，它集成了二階ADC、參考電壓電路以及所有功率、能量、有效值和頻率測量的數字信號處理等電路，可以滿足測量交流電流、電壓有效值的需求。

在電流、電壓信號輸送到ATT7022B之前，要經過電流、電壓互感器和采樣電路，互感器自選精密型電流、電壓互感器。應用ATT7022B時，需要通過軟件編程與標準表進行參數校準,參數校準方式依據ATT7022B使用資料。同時，為ATT7022B提供高精度穩壓電源芯片，可以減小電源紋波對ATT7022B采樣計算的影響，穩壓芯片選用ADP3330-5系列,可以輸出高精度、高穩定度的5 V電壓。

ATT7022B提供一個SPI接口，以便與ARM7之間進行計量參數的傳遞。ATT7022B實時采集信號線上的交流量，并將采集處理的數據存儲到相應的有效值寄存器中，通過軟件編程讀取寄存器中的數據，并將數據用于軟件計算處理和在液晶屏幕上的顯示。

1.6 軟件參數補償

隨著電流、電壓輸出的增大，由于溫度或者元件電氣特性等因素,電流、電壓的輸出特性成非線性增長，造成設定值與實際輸出值之間產生偏差，可采用軟件的方式進行參數補償消除偏差。補償方法為，通過軟件編程將設定值與采樣返回值進行比較，采用步長變化的多次比較動態調整進行參數補償[5]。

1.7 模擬斷路器工作狀態

主要通過編程控制繼電器分合,以模擬斷路器工作狀態量(包括合閘、分閘和儲能3種狀態)。此部分電路配備端子接口，通過端子接口連接FTU將狀態量反饋給FTU測控模塊，用來檢測測控模塊所檢測到的斷路器的工作狀態是否正確。

1.8 檢測FTU合、分閘

根據FTU產生控制信號的特征進行信號檢測電路的設計，FTU產生的控制量信號為脈沖型，針對這種脈沖型信號采用LPC2214定時器捕獲功能，當有電平翻轉時LPC2214可以準確捕獲。為了防止類似脈沖信號的干擾信號造成處理器誤判的現象，控制量送到LPC2214前加上一級光耦隔離毛刺信號等干擾信號的影響。采用指示燈指示合、分閘狀態及儲能狀態。

1.9 顯示模塊

采用一塊三線串口操作型號為JCR35MDV1的液晶顯示屏，3條線分別為寫數據線、時鐘線、片選線，軟件編程選用LPC2214 3個I/O口即可驅動液晶顯示設置信息和測試信息。

1.10 按鍵檢測模塊

采用ZLG7290按鍵專用檢測芯片，ZLG7290是一種I2C接口鍵盤驅動管理器件，方便與處理器接口。應用LPC2214內部I2C資源結合軟件編程讀取ZLG7290按鍵掃描的信息。

2 軟件系統設計

程序流程圖如圖5所示。程序開始執行后進行系統初始化，初始化過程中將程序中預先設定的默認值送到AD9833和TLV5618中,并使繼電器工作在默認合、分閘狀態，由液晶屏幕顯示各種設置信息和測試信息。ATT7022B采集電流、電壓并由LPC2214讀出ATT7022B寄存器中的數值，將寄存器讀出數值與設定值比較是否在誤差范圍內，如果不在誤差范圍內則執行軟件參數補償，將補償參數寫到TLV5618，直到滿足誤差要求為止。按鍵與控制量檢測都為外部中斷事件，有中斷發生時判斷是否為按鍵中斷，若是按鍵中斷再判斷是寫TLV5618還是手動控制合、分閘及儲能狀態；若不是按鍵中斷則執行控制量捕獲中斷程序,并對FTU發來的控制信號做出相應動作。

3 試驗與結論

本系統設計完成后，對系統的性能進行了測試。首先對系統產生交流信號的穩定性進行了測試，選用6位數字萬用表測試恒流輸出值，將顯示值與標準表測試值進行比較，并計算誤差，誤差計算公式為：

圖5 軟件流程圖

I1、I2、I3、ΔI分別為電流設定值、液晶顯示值、萬用表測 量 值 和 電 流 誤 差 率 ，V1、V2、V3、ΔV 分 別 為 電 壓 設 定值、液晶顯示值、萬用表測量值和電壓誤差率。設定值、顯示值及測量值均為有效值，實驗數據如表1。

表1 實驗數據

從試驗數據可以看出,電流在50 mA以上誤差率基本穩定在0.1%，電壓在500 mV以上誤差率基本穩定在0.1%。該系統有較好的輸出穩定度，可以滿足檢測FTU的采樣功能。

在其他試驗測試中得到測試結果,該系統能夠準確檢測到FTU輸出的控制量信號，并能通過軟件判斷響應將繼電器切換到相應的工作狀態，同時手動控制繼電器狀態切換迅速執行準確，屏幕顯示信息準確。硬件系統與軟件系統協調運行，此方案設計的檢測平臺能夠準確檢測FTU的測控功能。

目前沒有一個專門針對中壓柱上FTU功能進行測試的檢測平臺，本設計方案在智能電力設備檢測領域中有所突破，檢測平臺的設計不但可以提高電力設備質量檢測的效率，同時還能夠快速診斷出FTU設備投入運行前存在的故障，保證了電力設備質量的可靠性，確保了電網系統運行的安全。同時，隨著FTU設備功能的日益發展豐富，檢測平臺的檢測診斷功能也將不斷擴展完善。

[1]周立功.ARM嵌入式系統基礎教程[M].北京：北京航空航天大學出版社，2008.

[2]范新強,姚興輝.基于單片機控制的高精度直流電流源系統的開發[J].工礦自動化，2006，12(6):49-50.

[3]Burr-Brown Corporation.12 bit high speed micro power sampling analog-to-digital converter[Z].1996:1-13.

[4]陳凱良，竺樹聲.恒流源及其應用電路[M].杭州：浙江科學技術出版社,1992.

[5]SLDSS A N,WRIGHT C.ARM嵌入式系統開發-軟件設計與優化[M].沈建華，譯北京：北京航空航天大學出版社，2005.