基于STM32F4的發(fā)電機(jī)勵(lì)磁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王尚博，王奧雨，梁成壯

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081）

0 引 言

發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制是保證發(fā)電機(jī)及電力系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行，改善電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的重要措施。隨著電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式也日趨復(fù)雜，對(duì)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集及存儲(chǔ)性能提出了更為嚴(yán)格的要求。傳統(tǒng)的發(fā)電機(jī)參數(shù)測(cè)控系統(tǒng)受存儲(chǔ)空間大小和通信接口數(shù)量的限制，存在精度不高、實(shí)時(shí)性差以及采集信息量小等缺點(diǎn)，已無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)際電力系統(tǒng)對(duì)穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性的要求。本文提出基于STM32F4的新型發(fā)電機(jī)勵(lì)磁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)充分利用了STM32豐富的片上資源，大大節(jié)約了硬件投資，增強(qiáng)了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性與可靠性，精度顯著提高，同時(shí)功耗大為降低。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本發(fā)電機(jī)勵(lì)磁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的系統(tǒng)框架如圖1所示。電壓和電流等模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)整電路調(diào)整后進(jìn)入STM32F4的ADC通道將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，再由STM32F4進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。開(kāi)關(guān)量信號(hào)則經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)整及光電隔離通過(guò)I/O口輸入，STM32F4通過(guò)中斷或查詢(xún)方式讀取開(kāi)關(guān)量狀態(tài)。系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)量和模擬量輸出實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)増磁減磁等功能，為了使數(shù)據(jù)顯示更加直觀，勵(lì)磁系統(tǒng)的數(shù)據(jù)經(jīng)采集處理后，經(jīng)由串口485或CAN總線(xiàn)傳送至上位機(jī)顯示，同時(shí)進(jìn)行儲(chǔ)存以便對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢(xún)。由于發(fā)電機(jī)需要長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)，出現(xiàn)故障在所難免，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了故障記錄模塊，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)參數(shù)異常時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)故障記錄功能，記錄下故障前、后規(guī)定時(shí)間段的數(shù)據(jù)及時(shí)間。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 微控制器概述

意法半導(dǎo)體推出的STM32系列32位微控制器基于ARM Cortex-M3（或ARM Cortex-M4）內(nèi)核，其構(gòu)架有多項(xiàng)改進(jìn)，而且所有新功能都具有非常低的功耗水平。STM32系列產(chǎn)品為MCU用戶(hù)提供了新的自由度，在結(jié)合了高性能、低功耗以及低電壓特性的同時(shí)，保持了高度的集成性能和簡(jiǎn)易的開(kāi)發(fā)特性。STM32芯片比其他ARM系列芯片運(yùn)行速度更快，性能也更好。在代碼密度上，其比普通32位單片機(jī)省30%～45%；在功耗方面，STM32芯片在相同的工作模式下較其他ARM7系列芯片可以減少30%左右的功耗[1-2]。

圖1 系統(tǒng)框架

STM32系列芯片除了大幅提升系統(tǒng)的性能，還包含了標(biāo)準(zhǔn)和先進(jìn)的通信接口。以STM32F407xx系列為例，其具有兩個(gè)集成電路總線(xiàn)（Inter-Integrated-Circuit，IIC）、3個(gè)串行外設(shè)接口（Serial Peripheral Interface，SPI）、兩個(gè)互聯(lián)網(wǎng)信息服務(wù)（Internet Information Services，IIS）管理器、1個(gè)安全數(shù)字輸入輸出接口（Secure Digital Input and Output，SDIO）、6個(gè)通用異步收發(fā)傳輸器（Universal Synchronous Asynchronous Receiver and Transmitter，USART）、兩個(gè)串行總線(xiàn)（Universal Serial Bus，USB）以及兩個(gè)控制器局域網(wǎng)（Controller Area Network，CAN）。這些豐富的外設(shè)配置，使得STM32可以選擇多種數(shù)據(jù)傳輸手段。此外，STM32F407xx系列內(nèi)部自帶3路12位分辨率ADC，共24個(gè)通道，無(wú)需外擴(kuò)芯片即能對(duì)多路輸入信號(hào)進(jìn)行采樣計(jì)算[3]。

2.2 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集模塊包括開(kāi)關(guān)量狀態(tài)采集和模擬量數(shù)據(jù)采集兩部分。

2.2.1 開(kāi)關(guān)量狀態(tài)采集

STM32F4的I/O口都可以配置為通用輸入、輸出端口，并且可以配置到外部中斷線(xiàn)上。在本系統(tǒng)中采用輪詢(xún)的方法采集開(kāi)關(guān)量的狀態(tài)，開(kāi)關(guān)量輸入電路如圖2所示，狀態(tài)信號(hào)由KGL端進(jìn)入，3.3 kΩ電阻在開(kāi)關(guān)量為高電平時(shí)起上拉電阻作用，1 μF電容和470 Ω電阻構(gòu)成濾波電路，能夠消除噪聲并減小信號(hào)尖峰。光偶隔離器件PS2801-4實(shí)現(xiàn)了開(kāi)關(guān)量與主控單元的電氣隔離，保證了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，并提高了抗干擾能力。

圖2 開(kāi)關(guān)量輸入電路

2.2.2 模擬量數(shù)據(jù)采集

發(fā)電機(jī)的電壓和電流參數(shù)一般較大，如勵(lì)磁電壓通常會(huì)達(dá)到直流120 V，而本設(shè)計(jì)主控單元STM32F4的ADC輸入電壓僅為0～3.3 V，因此為滿(mǎn)足主控單元的采樣要求，必須將勵(lì)磁電壓經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理才能送入主控單元。

本系統(tǒng)將ADC1配置成獨(dú)立模式完成勵(lì)磁電壓Uf和勵(lì)磁電流If的測(cè)量。設(shè)定模數(shù)轉(zhuǎn)換通道為單通道模式，轉(zhuǎn)換為連續(xù)轉(zhuǎn)換，將ADC1掛接在DMA channel_0 stream_0通道上。在這種工作模式下，模數(shù)轉(zhuǎn)換在隨時(shí)進(jìn)行，需要讀取時(shí)只要讀取對(duì)應(yīng)地址內(nèi)的數(shù)據(jù)即可。勵(lì)磁電壓采集電路如圖3所示，對(duì)于勵(lì)磁電流的測(cè)量，采用與勵(lì)磁電壓測(cè)量相同的方法，在此不做贅述。

圖3 勵(lì)磁電壓采集電路

2.3 通信模塊設(shè)計(jì)

主控單元采集上來(lái)的數(shù)據(jù)不能直接被操作人員觀察到，需要借助顯示器來(lái)完成人機(jī)交互。為了使操作人員能夠直接地觀察到系統(tǒng)采集的參數(shù)，本系統(tǒng)采用RS485通信方式將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)PC。RS485接口采用平衡驅(qū)動(dòng)器和差分接收器組合的方式，增強(qiáng)抗共模干擾能力，最大的通信距離約為1219 m，最大傳輸速率為10 Mb/s，完全能滿(mǎn)足一般工業(yè)對(duì)通信距離及通信速率的要求[4,5]。本系統(tǒng)采用芯片SN65LBC184D來(lái)控制RS485的發(fā)送與接收。SN65LBC184D是具有瞬變電壓抑制功能的差分收發(fā)器，在有電氣噪聲的環(huán)境中依然能保持250 kb/s的傳輸速率，同時(shí)還具備靜電釋放（Electro—Static Discharge，ESD）保護(hù)功能。該芯片的應(yīng)用不需要任何其他外部元器件就能提供出一個(gè)可靠的低功耗、全雙工通信接口。系統(tǒng)的RS485通信電路如圖4所示。

圖4 RS485通信電路

為了方便系統(tǒng)與本地其他系統(tǒng)交互通信或擴(kuò)展其他功能，本系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了CAN通信接口。CAN現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的數(shù)據(jù)通信具有突出的可靠性、實(shí)時(shí)性以及靈活性，CAN協(xié)議摒棄了傳統(tǒng)的站地址編碼，代之以對(duì)數(shù)據(jù)通信塊進(jìn)行編碼，可以以多種方式工作。CAN總線(xiàn)的節(jié)點(diǎn)分成不同的優(yōu)先級(jí)，采用非破壞仲裁技術(shù)，報(bào)文采用短幀結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)出錯(cuò)率極低，節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重的情況下可自動(dòng)關(guān)閉輸出[6,7]。本系統(tǒng)選用芯片SN65HVD1050（以下簡(jiǎn)稱(chēng)VP1050）作為CAN收發(fā)器，它是專(zhuān)門(mén)針對(duì)EM兼容性而設(shè)計(jì)的，避免了在惡劣EM環(huán)境下發(fā)生故障或性能降低的情況，而且其特殊結(jié)構(gòu)有利于改善噪聲抑制、靜電保護(hù)以及故障容差等特性。系統(tǒng)的CAN通信電路如圖5所示。

圖5 CAN通信電路

2.4 故障記錄模塊設(shè)計(jì)

隨著電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化水平的不斷提高，故障記錄功能已經(jīng)成為整個(gè)電力系統(tǒng)中不可缺少的一部分。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)刻開(kāi)始，記錄下故障發(fā)生前、后規(guī)定時(shí)間段內(nèi)的數(shù)據(jù)及故障發(fā)生時(shí)刻的數(shù)據(jù)，通過(guò)分析這些數(shù)據(jù)可以得知發(fā)電機(jī)故障的類(lèi)型以及事故的原因和性質(zhì)，這對(duì)于及時(shí)處理事故和避免同類(lèi)事故的再次發(fā)生都具有重要意義[8]。

本系統(tǒng)采用了Ramtron公司的FM2502-G非易失鐵電存儲(chǔ)器作為故障記錄模塊的存儲(chǔ)器，其具有256 kB的隨機(jī)存儲(chǔ)單元，使用高速SPI總線(xiàn)，在執(zhí)行寫(xiě)操作時(shí)幾乎無(wú)延時(shí)，數(shù)據(jù)能可靠保存45年[9,10]。系統(tǒng)的故障記錄模塊如圖6所示。

圖6 故障記錄模塊

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用軟件Keil μVision4作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，用戶(hù)界面可以更好地利用屏幕空間且更有效地組織多個(gè)窗口，提供一個(gè)整潔高效的環(huán)境來(lái)開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序，使開(kāi)發(fā)人員能夠使用多臺(tái)監(jiān)視器，并提供了視覺(jué)上的界面對(duì)窗口位置的完全控制[11]。系統(tǒng)軟件部分主要包括開(kāi)關(guān)量狀態(tài)采集程序、模擬量采集程序、RS485通信程序以及CAN通信程序4個(gè)部分。在執(zhí)行各部分程序之前要完成對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘、通用輸入輸出端口、ADC功能復(fù)用、RS485及CAN通信功能復(fù)用的初始化。

在本系統(tǒng)中，由于主控單元具有直接存儲(chǔ)器存取（Direct Memory Access，DMA）功能，將模擬量采樣ADC功能連接到DMA進(jìn)行功能復(fù)用，基本可近似認(rèn)為ADC轉(zhuǎn)換是實(shí)時(shí)進(jìn)行的。在主控單元中設(shè)定一些故障的邊界條件，通過(guò)主控單元自帶的定時(shí)器可以設(shè)定間隔時(shí)間來(lái)完成定時(shí)讀取數(shù)據(jù)與邊界值比較，判斷是否故障，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)觸發(fā)相應(yīng)中斷，進(jìn)行中斷處理并作必要的故障記錄。當(dāng)上位機(jī)發(fā)出采樣請(qǐng)求時(shí)，主控單元可計(jì)算ADC的轉(zhuǎn)換結(jié)果，并在得出結(jié)果后發(fā)送給上位機(jī)。

勵(lì)磁電壓和勵(lì)磁電流為直流量，其有效值分別為：

式中，U為電壓有效值，n為每周期采樣點(diǎn)數(shù)，uk為第k點(diǎn)采樣電壓值，I為電流有效值，ik為第k點(diǎn)電流采樣值。

在數(shù)據(jù)采集的程序中，編寫(xiě)了延時(shí)函數(shù)，每隔10 ms讀取一次ADC的轉(zhuǎn)化結(jié)果并將其存儲(chǔ)記錄，當(dāng)數(shù)據(jù)達(dá)到100個(gè)時(shí)進(jìn)行上述公式的計(jì)算，同時(shí)將轉(zhuǎn)換結(jié)果通過(guò)RS485發(fā)送到上位機(jī)顯示。

本系統(tǒng)中應(yīng)用輪詢(xún)的方式對(duì)開(kāi)關(guān)量進(jìn)行開(kāi)關(guān)量狀態(tài)采集，通過(guò)STM32F自帶的函數(shù)GPIO_ReadInputDataBit(GPIO_TypeDef* GPIOx， uint16_t GPIO_Pin)便能讀取對(duì)應(yīng)引腳連接的開(kāi)關(guān)量狀態(tài)，方法比較簡(jiǎn)單。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

由于勵(lì)磁電壓和勵(lì)磁電流的采樣原理一樣，因此本文僅就勵(lì)磁電壓試驗(yàn)給出實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)中選取了80～129 V采集電壓中的9組數(shù)據(jù)，在對(duì)應(yīng)采集電壓下，Uf1理論值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比數(shù)據(jù)如圖7所示，每組采集電壓對(duì)應(yīng)的相對(duì)誤差和絕對(duì)誤差數(shù)據(jù)如圖8所示。從數(shù)據(jù)可知，勵(lì)磁電壓的實(shí)驗(yàn)值與理論值有一定誤差，但是誤差較小，在系統(tǒng)要求的范圍內(nèi)，尤其在額定勵(lì)磁電壓120 V附近，系統(tǒng)的誤差極小。

圖7 勵(lì)磁電壓測(cè)量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖8 勵(lì)磁電壓測(cè)量實(shí)驗(yàn)誤差分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)合理，采樣結(jié)果準(zhǔn)確，勵(lì)磁電壓在額定運(yùn)行點(diǎn)（120 V）處相對(duì)誤差為5%，準(zhǔn)確度和精度較高，實(shí)時(shí)性很好。

編寫(xiě)程序測(cè)試RS485發(fā)送數(shù)據(jù)誤碼情況如圖9所示。初始化串口的波特率為9600 bit/s，無(wú)校驗(yàn)位，數(shù)據(jù)位為8，停止位為1。發(fā)送程序?yàn)殚g隔500 ms發(fā)送一次數(shù)據(jù)，發(fā)送的數(shù)據(jù)為12、23、34、45、56、67、78、89、9A、AB、BC、CD、DE、EF以 及 F0。試驗(yàn)工發(fā)送了27次，除第13次和第16次出現(xiàn)卡頓現(xiàn)象之外，其他均能流暢通信。27次試驗(yàn)均未出現(xiàn)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，誤碼率為0。

圖9 RS485發(fā)送接收實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

5 結(jié) 論

經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期反復(fù)實(shí)驗(yàn)表明，本系統(tǒng)基本實(shí)現(xiàn)了對(duì)勵(lì)磁系統(tǒng)開(kāi)關(guān)量狀態(tài)及勵(lì)磁電壓與電流數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、分析及故障記錄功能。系統(tǒng)可省去大量的外擴(kuò)芯片，如AD轉(zhuǎn)換芯片和數(shù)據(jù)通信芯片等，大大簡(jiǎn)化了硬件電路設(shè)計(jì)，節(jié)約了成本。整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性好、準(zhǔn)確率高，且功耗低，在電力系統(tǒng)不斷發(fā)展的當(dāng)代，具有很強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力和很高的應(yīng)用價(jià)值。