基于ARM 技术的便携式中频功率测量仪设计

石彦华 唐建 张大刚 金晓东 刘琳秀

（中核陕西铀浓缩有限公司 陕西省汉中市 723312）

电力是人们日常生活和工业生产中的主要能源，在现代化社会中起着越来越重要的作用。功率测量仪则广泛应用于电机、风机、变频器、供电设备等功率转换装置，实现功率、效率等参量的测量或监测，服务于工农业生产。

市场上常规的功率分析仪多为工频分析仪，不满足中频测量功能，部分名牌分析仪体积大、重量重，且价格昂贵，不适合便携测量及系统化、规模化集成应用。

本文设计了一款基于ARM 技术的便携式智能中频功率测量仪，可以实现电压、电流、功率、功率因数、频率、电度计量测量或监测。测量仪体积小、造价低、既可以单体使用，也可以通过以太网或Modbus 串行通信协议分散组网应用。

1 测量原理

本设计核心部分为电压、电流有效值转化及测量，测量原理框图如图1 所示。通过电压及电流互感器在三相交流监测点取样，获取并行的多路电压、电流弱信号，利用模拟开关分时选通成对的电压和电流信号，并转换至0-200mV电压，通过AD736 真有效值转换器进行有效值转换，对转换后的信号再次标准化为0-2V 范围，以满足AD7705 模数转换信号测量范围，ARM 芯片通过SPI 接口读取电压、电流数字量有效值。

图1：测量原理框图

频率和相移的测量通过其它辅助电路进行。

2 整体设计方案

本方案主要由电压互感器、罗氏线圈、模拟开关电路、信号调整电路、AD736 真有效值电压转换芯片、信号标准化电路、AD7705 模数转换芯片、STM32F407 微控制器及LCD 显示屏组成。整体设计方案如图2 所示。

图2：整体设计方案图

三相线电压信号经过三路电压互感器及辅助电路后，分别转化为0-3VAC 信号，传输给模拟开关电路1，在ARM芯片I/O口控制下，分时选通其中一路信号，一分为二该信号，一路经电压调整电路转化为0-200mV 信号，被AD736 电压真效值转换芯片及信号标准化输出电路转化为0-2VDC 有效值，再由AD7705 模数芯片通道1 转化为数字量信号，经SPI 接口传输给ARM 芯片，即可获得线电压有效值；另一路信号通过LM393 过零检测电路转化为方波信号，由ARM芯片测量其频率信号，即可获得中频供电电压频率值。

同理，三相线电流信号经过三路罗氏线圈及辅助电路后，分别转化为0-3VAC 信号，传输给模拟开关电路2，在ARM芯片I/O口控制下，分时选通其中一路信号，一分为二该信号，一路经电流调整电路转化为0-200mV 信号，被AD736 电压真效值转换芯片及信号标准化输出电路转化为0-2VDC 有效值，再由AD7705 模数芯片通道2 转化为数字量信号，经SPI 接口传输给ARM 芯片，即可获得线电流有效值；另一路信号通过LM393 过零检测电路转化为方波信号，由ARM芯片测量其频率信号，即可获得中频供电电流频率值。

电压、电流频率方波信号经过辅助电路74HC08 芯片的“与”处理后，形成脉冲信号，测量该脉冲信号宽度，即可获得电压与电流信号的相移量。

STM32F407 为微控制器芯片，用于实现数据采集、功能控制、数值计算等功能。通过网络接口芯片可以实现以太网通讯，通过RS485 接口可实现Modbus 串行通信，使得该功率测量仪既可以单体使用，也可组网使用。

LCD液晶显示屏通过串口数据总线与ARM芯片相连接，可分频显示中频功率测量仪的各项参数。液晶屏具有触摸功能，可以替代机械按键，实现翻屏、电压校准、电流校准等功能。

3 硬件设计

3.1 ARM最小系统电路设计

本设计选用ST 意法半导体制造的STM32F407 芯片实现功率测量仪的逻辑功能，该芯片是一款基于ARMCortex-M4内核STM32 系列的32 位微控制器，主频168MHz、512KB Flash、192+4KB SRAM，同时具有丰富的接口资源，完全满足设计要求。

3.2 模拟开关选通电路设计

选用HI1-0509-05 为模拟开关芯片，它具有双四路模拟通道功能，依据二进制编码数值可分时选通其中一组通道。设计中使用了两片模拟开关芯片，一片用于选通电压信号，一片用于选通电流信号。

3.3 真有效值转化电路设计

3.3.1 电路设计

选用AD736 真有效值转换器实现电压、电流有效值转化，其主要特点是准确度高、灵敏性好、测量速率快、频率特性好、且功耗低，最大电源工作电流为200μA。用它来测量正弦波电压的综合误差不超过±1%。

本设计中，使用了两片AD736 转换器，分别用于电压、电流真有效值转化。如图3 所示为电压真有效值转换电路，电流真有效值转换电路与此相同。

图3：电压真有效值转化电路图

R-R为信号调整电阻，使电压或电流采样信号调整到200mV。

电容C为隔直电容，若选AD736 低频截止频率为2Hz，则C=1/(2 兀*2*100)=0.8uF，选C1=1uF，耐压大于400V。保护电路由R，VD、VD组成。R取值越大，保护性能越好，但频率特性变差，通常取R为33KΩ。C为AD736 用于交流测量时必须外接电容，若低频截止频率为2Hz，则C=1/(2 兀*2*8)=10uF，式中8KΩ 电阻为AD736的1 脚内部电阻。平均电容C的值直接影响AD736 的低频特性，据测试，若C=33uF，f=10Hz 时，直流误差为±1%，因此为能测量低频信号有效值，应选择较大的值。

设置LM358 运算放大器放大倍数为10，使有效值信号标准化为0-2V 信号，传输给AD7705 模数转换器芯片。

3.3.2 Proteus 功能及线性度仿真

利用Proteus 软件对所设计的真有效值转化电路的功能及线性度进行了仿真和验证，验证表明电路逻辑功能设计正确，输出信号曲线平滑、稳定。

3.4 模数转换电路设计

选用AD7705 实现A/D 转换，AD7705 为完整16 位、低成本、Σ-Δ 型ADC，片内可编程增益放大器提供从1 至128 的增益设置，无需使用外部硬件调理电路便可接收低电平和高电平模拟量输入，ARM 芯片通过SPI 串行接口即可读取数字量数值。

3.5 频率测量方波转换电路设计

本设计，使用了一片LM393 芯片，实现电压、电流正弦波过零检测方波电路转换，比较器1 用于电压信号的过零比较，比较器2 用于电流信号的过零比较。形成的方波信号接入ARM 芯片，通过定时器捕获计数即可获得频率信号数值。如图4 所示为电压频率信号方波转换电路图。

图4：电压频率信号方波转换电路图

3.6 相移脉冲转换电路设计

选用74HC08 门电路实现电压、电流相移脉冲转换电路。门电路的两个输入端分别接入电压、电流方波信号，输出端则形成两种信号的“与”逻辑脉冲信号，由ARM 芯片测量这个脉冲信号的宽度，并结合电压信号的频率，即可计算出相移量。

3.7 通讯接口电路设计

3.7.1 以太网通讯接口电路设计

本设计选用W5500 芯片实现以太网通讯，W5500 是一款全硬件TCP/IP 嵌入式以太网控制器，为嵌入式系统提供了更加简易的互联网连接方案。

3.7.2 Modbus 串行通信接口电路设计

本设计使用TD301M485 芯片实现Modbus 串行通信接口电路。

4 软件设计

4.1 主流程图

主流程图如图5 所示，首先初始化ARM 系统时钟、使能相关硬件接口及中断分组配置等，然后进入主函数循环体。主循环体中，ARM 首先选通HI1-0509-05 通道0，则对应的A 相的电压、电流信号被选通，依次测量电压、电流、相移、频率数值。A 相测量完毕，则同理依次选通通道1、通道2，完成B 相、C 相的测量。三相电压、电流基本参数测量完毕后，根据功率测量仪相关的计算公式，即可计算出其它所需的参数，计算完毕，用新的参数，刷新LCD 液晶屏。

图5：系统主流程图

4.2 有效值测量子函数

选用AD7705 芯片实现电压、电流信号的有效值测量。软件首先初始化AD7705 通道1 和通道2 的数据时钟、极性、缓冲、增益、滤波器方式和校准方式，然后启动数据转换，待数据转化完成后读高、低字节数据，通过计算即可获得有效值，部分程序如下所示。

4.3 频率测量子函数

频率测量采用ARM 芯片定时器的捕获方式实现，电压频率测量通道为TIM2-CH3，电流频率测量通道为TIM2-CH4，捕获方式为上升沿中断捕获，当发生两次捕获后，计算前后两次计数器的差值，获得计数脉冲，以系统时间为标准，即可计算出频率数值。

4.4 相移脉宽测量子函数

相移脉宽测量同样采用ARM 芯片的定时器捕获方式实现。所使用的通道为TIM1-CH1，捕获方式为上升沿、下降沿中断捕获，当发生两次捕获后，定时器可能会溢出N 个整数次，每个整数的计数值为65536，以及n 个小于65536 的计数值，累加这些计数值，再以系统时间为参照，即可获得脉冲的宽度数值。

4.5 参数计算

软件中，只需要测量出线电压、电流有效值和弧度数，其它参数依据计算公式即可得到，具体计算方法如下。

线电压：

式中：Me_pulse 为捕获计数脉冲数，full_voltage 为满量程电压数值，set_pulse 为电压校准时脉冲数值；

线电流：

式中：Me_pulse 为捕获计数脉冲数，full_current 为满量程电流数值，set_pulse 为电流校准时脉冲数值；

弧度数值：

式中：pulse 为脉冲宽度计数数值，Fre 为电压频率数值，systime 为ARM 系统时钟数值；

5 功能、性能测试

5.1 电路板组装测试

功率测量仪硬件部分的实现采用模块化功能设计，主要由电压/电流信号标准化模块，电压/电流信号调理模块，ARM 信号处理模块和LCD 显示屏四部分组成，通过测试各模块功能正常。

5.2 现场联机对比测试

在现场与标准功率分析仪进行了实际带载对比测试，测试数据如表1 所示。实验数据表明，本设计功率测量仪与标准功率分析仪对比测试结果非常吻合。

表1：功率测量仪现场联机性能测试数据

6 结束语

本文以ARM STM32F407 为逻辑功能芯片，结合Proteus 仿真软件，设计了便携式中频功率测量仪硬件电路，通过软件算法，实现了功率测量仪各项参数的测量及运算。实验结果表明，测量仪功能完备、数据测量精确，既具有便携移动测量的优点，又具有分布组网测量的特点。