基于ARM的电能参数RTU设计

王 路 王 宁 华北理工大学 以升创新教育基地 河北唐山 063000

基于ARM的电能参数RTU设计

王 路 王 宁 华北理工大学 以升创新教育基地 河北唐山 063000

本设计开发的RTU以STM32系列单片机嵌入式MCU为主要核心，整体设计将OLED显示模块、STM32单片机和ATT7022B 电能计量芯片进行高效整合，对电能参数进行检测和处理，能够让用户实现电能参数的实时读取、存储，导出，同时，利用串口通信技术，可与上位机进行数据的传送和接收，便于计算机网络共享，设计的RTU系统结构紧凑、能根据功能的的需求进行扩展，有一定的市场价值。

STM32单片机；ATT7022B；串口通信；嵌入式

0　引言

近年来，综合自动化电网的控制装置，主要以远程测控终端系统（RTU）为核心，科技发展过程中，低压配电系统的运行以及智能化管理也开始需要更可靠更及时的监测控制，所以RTU在我国加快发展是必然趋势。供配电系统的电压、电流、功率等多项电能参数的检测是监测供配电线路和设备运行状态的主要基础，本项目设计的RTU具有功能稳定、测量精度高、带有串口通信、可实现远程监控等特点，非常适合当前智能电网网络化发展的需要。

1　RTU总体设计

该RTU系统主要由电源电路、电能计量模块、MCU模块、通讯模块、OLED显示模块组成。首先电压、电流等模拟信号经信号调理电路调理后，经模数转换器ADC转换为数字信号，再由STM32进行数据处理；开关量信号则通过I/O口输入，STM32通过中断或查询方式进行读取。电力数据经采集处理后，由OLED屏进行显示，同时进行储存以便对历史数据进行查询。为了使数据显示更加直观以及能够远程监控，该RTU 具有强大的通信组网能力，采用多种通信方式兼容，如TCP/IP、 RS232、RS485 通信等等。

系统总体框图如图1所示。

图1　系统总体框图

图2

1.1电能计量模块设计

计量电路主要是以电能专用计量芯片ATT7022B为核心。是三相四线或三相三线系统的专用电能数据采集芯片，集成了六路二阶sigma-delta ADC、参考电压电路以及所有功率、能量、有效值、功率因数以及频率测量的数字信号处理等电路。能够测量各相以及合相的有功功率、无功功率、视在功率、有功能量以及无功能量，同时还能测量各相电流、电压有效值、功率因数、相角、频率等参数，充分满足三相复费率多功能电能表的需求。该芯片支持纯软件方式校表，简化了硬件设计，降低了生产成本，大大提高了调试效率，减少了人为错误的发生。 ATT7022B 提供了一个标准的SPI 接口，通过这个接口与MCU 进行计量数据及校表参数的传递。

ATT7022B内部集成了6路16位A/D转换器，电流通道有效值在2mV至1V的范围内线性误差小于0.1%；电压通道有效值在10mv 至1V的范围内线性误差小于0.1%；电压取值在0.2V到0.6V，电压采样信号小于0.2V，可用电压通道ADC增益选择，将采样信号适当放大，电流取值在2mV至1V，电能线性误差小于0.1%。

ATT7022B支持全数字域的增益、相位校正、即纯软件校表。有功无功功电能脉冲输出CF1、 CF2提供瞬间有功、无功功率信息，可以直接接到标准表，进行误差校正ATT7022B的内部框图如图2所示，内部主要包括模拟信号采样、数字信号处理及SPI通信接口等电路。

1.2MCU模块

MCU模块以STM32F103ZE作为控制核心，最高工作频率可达到72 MHz，具有512 K字节的闪存，可以用于小数据存储，还有64 K字节的SRAM，单片机上丰富的资料大大简化了系统的硬件设计，同时，外围硬件均分配到了独立的物理接口，避免了以往在使用8 位单片机时端口功能复用对性能的影响。芯片拥有2个12位的A/D、1个PWM定时器和3个通用16位定时器，还包含标准和先进的通信接口：多达2个IIC接口和3个USART接口、SPI接口、一个USB接口和一个CAN总接口。较市场上同种类的单片机STM32具有性价比高、功能强大、便于开发，实用性强等优势。由于使用的单片机系统运算速度快，数据处理功能强大，接口丰富， 便于设计的RTU扩展更多功能。

1.3通信模块设计

通信功能是远程终端测控系统功能中重要的部分，电力系统可以通过串口通信将采集的数据直观的显示在上位机中，极大方便了电力配电系统的的实时监测控制，数据在传送后可以通过计算机网络共享。本系统设计的RTU具有强大的通信组网能力，该 RTU 有 一个USB串口、 1个RS232 通信接口、 1个 RS485通信接口和 1个以太网接口。其中， RS232通信接口还可以扩展外接一个 ZigBee 模块，实现无线数据传输。

1.4OLED模块

OLED显示屏，即有机发光二极管（Organic Light-Emitting Diode）又称为有机电激光显示， OLED的特点是自己发光，不像TFT LCD那样需要背光，因此可视度和亮度均高，其次是电压需求低且省电效率高，近几年来， OLED的应用范围越来越广，加上显示效果出色，有逐渐代替其他产品的趋势。

本RTU选用的是一款3.2寸OLED显示屏，该模块有单色和双色两种可选，单色为纯蓝色，而双色则为黄蓝双色，特点是分辨率高，显示速度快、重量轻、厚度薄，视角广阔，板载LDO，支持5V-3.3V供电范围，对比度高，可实现软屏显示，结构简易，性价比高等， 极大地提高了数据的可视效果和可读取性，用户可以直观读取数据。

2　系统软件设计

系统设计采用KEIL MDK4.122A为开发平台，用于编写录入STM32程序代码。

程序设计采用模块化思想，以初始化程序、SPI接口程序、ATT7022B复位程序，存储读取数据、串口通信、按键设置及OLED显示为系统软件设计的主要模块。由于电能参数为动态数据，主程序采用循环，从而达到工作要求。

系统软件总体设计流程图如图3所示。

图3　系统总体软件流程图

3　实验结果与分析

本设计在完成整体设计后，将三相负载分别接到A、 B、 C三相电压电流互感器上，A、 B、 C三相负载额定功率分别为20w、50w、 80w，有本RTU测得电力数据由表1所示。

表1　实验结果

实验结果表明，本系统运行正常，测量数据精确，测量精度高，而且实时性强，能够满足电力仪表的设计需求，和传统电力仪表相比有很大的优点。

4　结束语

本文介绍了基于ARM的电能参数RTU设计过程及结果，设计的RTU将OLED 显示模块、STM32 芯片和ATT7022B 计量芯片进行了高效的整合。 ATT7022B电能计量芯片能够准确测出需要的电力参数，测量精度高，可靠性强，通过SPI通讯接口与STM32单片机进行数据处理，人机界面选用了OLED作为显示屏，极大地提高了数据的可读取性，清晰度高，方便用户读取。设计的仪表系统结构紧凑、实时处理能力强，能根据用户的需求进行扩展，具有较高的经济价值，市场应用前景广泛。

［1］朱琳.ATT7022B在电力参数测量中的应用［J］.测控技术，2007，26（1）：9-11.

［2］张瑞占，屈百达. 基于ATT7022B三相精确计量智能电能表设计［J］. 电子测量术，2008，09：150-153+169.

［3］崔娟，李平舟，孙磊，姬志国. 基于ATT7022B高精度智能电表的设计［J］. 电子科技，2010，02：46-48.

［4］季力.基于STM32芯片的电参数测量与数据传输［J］.自动化与仪器仪表，2010，3：137-139.

［5］郑一维，李长俊，吴讯驰，陈尚松. 基于STM32的电能质量检测技术研究［J］. 国外电子测量技术， 2011，06：72-74+78.

［6］张旭，亓学广，李世光，芮昱，邱彪. 基于STM32电力数据采集系统的设计［J］. 电子测量术，2010，11：90-93.

［7］赵圣飞. 基于STM32的数据采集存储系统的设计与实现［D］.中北大学，2014.

［8］陈梓馥. 基于ARM9的多功能RTU设计［D］.西安电子科技大学，2012.

［9］贺静丹，滕召胜，温和，等.单相多功能电能表设计［J］.电子测量与仪器学报，2011，24（1）：89-95.

［10］安向勇. RTU信息的直接数据透传技术在电力系统中的应用［J］. 广东科技，2007，15：29.

［11］王前，杨镜非. RTU在电力系统中的应用［J］. 科技与业，2011，16：170-171.

［12］王鲁进，黄挚雄. 基于ARM9的嵌入式电力RTU的设计［J］. 科协论坛（下半月），2009，02：45-46.

王路，男，籍贯：河北唐山，1993年9月出生，本科 学生，研究方向：电气工程及其自动化。