摘 要： 介紹了一種電量計量芯片ADE7758。采用PHILIPS公司的ARM微控制器LPC2210 和ADE7758芯片，開發了一種智能無功補償控制器。設計了相對應的電力遠程監控系統總體結構以及現場無功補償控制單元的硬件電路和CDMA通信監控系統，實現了對電力參數的遠程數據傳輸和控制。監控系統具有較好的實時性、穩定性和可擴展性。
關鍵詞： 配變電安全監控(VCC)；FFT；無功補償；諧波分析
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隨著國內電網改造和電力系統規模的不斷擴大，傳統的配電變壓器終端裝置已不能滿足配電自動化系統的要求[1-3]。由于ARM嵌入式處理器運行頻率高、內存大，所以能夠充分保證智能儀器和測控系統中網絡協議的可靠運行，也便于LUNIX嵌入式操作系統的移植。其操作系統能將應用分解成若干個任務調度運行，系統實時性強，軟件開發方便易行，特別適宜于測控系統中現場控制器的升級換代。因此，嵌入式單片機已成為智能儀器和測控系統的主流微控制器。
1 系統總體設計
本系統以ARM為控制核心，配合CDMA MODERM通信模塊，實現遠程自動化控制、數據和參數復位、參數設置、請求實時數據、請求歷史數據、異常信息報警、負荷管理等功能，如圖1所示。圖中CDMA模塊是指具有登錄CDMA網絡功能的芯片。處理器與CDMA模塊通過串行協議通信，從數據采集器得到數據后，CDMA模塊負責以CDMA資料包的形式通過CDMA網絡把資料發送到中國聯通的內部網(UNINET)，然后由中國聯通通過CDMA服務節點(GSN)，把資料發送到Internet上。由于CDMA網絡以IP尋址為基礎，所以主站只需要簡單接入Internet，并具備公網分配的IP地址即可。
2 監控系統硬件設計
2.1 ARM單片機及存儲器接口設計
(1)ARM單片機LPC2214簡介
LPC2214[4]是基于一個支持實時仿真和跟蹤的16/32位ARM7TDMI-STMCP的微控制器，并帶有128 KB的嵌入式高速片內Flash存儲器。片內128位寬的存儲器接口和獨特的加速結構使32位代碼能夠在最大的時鐘頻率下運行。對代碼規模有嚴格控制的應用可使用16位Thumb模式將代碼規模降低超過30%，而性能的損失卻很小。
由于LPC2214較小的144腳封裝、極低的功耗、多個32位定時器、8路10位ADC以及多達9個外部中斷，使其特別適用于工業控制、醫療系統、訪問控制和POS機。
LPC2214可使用的GPIO高達76個(使用了外部存儲器)或112個(單片應用)。由于內置了寬范圍的串行通行接口，它也非常適用于通信網關、協議轉換器、嵌入式軟Modem以及其他各種類型的應用，電路結構如圖2所示。
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(2)存儲器接口設計
存儲器接口電路如圖3所示。
2.2 電量計量電路設計
(1)ADE7758簡介
ADE7758[5]是一款多相多功能電能測量IC芯片，帶有一個串行口、兩路脈沖輸出。ADE7758集成了數字積分、參考基準電壓源、溫度敏感元件等。帶有可用于有功功率、復功率、視在功率、有效值的測量以及以數字方式校正系統誤差（增益、相位和偏移等）所必須的信號處理電路。該芯片適用于各種三相電路（不論三線制或者四線制）中測量有功功率、復功率、視在功率。
(2)ADE7758應用與ARM接口
本系統測量的額定電壓有效值為220 V，電流有效值為5 A。負載的電壓和電流分別通過電壓互感器和電流互感器接到ADE7758的模擬口，如圖4所示。分壓電阻和電流采樣電阻大小的選擇，既要充分利用ADE7758的A/D轉換位數，以提高精度，還要保證過量程時不至于測量溢出。最終輸入到ADE7758模擬端的電壓大小還與GAIN寄存器有關。
①為了增加A/D轉換精度和模擬抗干擾性，應當提高ADE7758模擬端口的信號幅值，故設定GAIN的放大倍數等于LVAP端和IAP端的最大輸入幅值為0.5 V。
②電壓通道以220 V額定值，根據變壓器的變比和0.5 V的末端電壓，粗略計算分壓電阻的個數和阻值；電流通道類似，換成考慮電流互感的變比，來估算采樣電阻的值。
③在調試時，讀出ADE7758的電壓、電流、功率等內部寄存器的原始值，來驗證電阻值是否合適。
REF端為A/D轉換的參考電壓端，芯片內部可產生2.5 V基準電壓，它對測量精度的影響很大，所以用22 μF的鉭電容和0.1 μF獨石電容并聯去藕。
APCF和VARCF端采用光電隔離的方式輸出脈沖信號，以供校準和電能計算。
3 軟件設計
3.1 配置ARM的FIFO模塊
只有正確設置CDMA模塊的參數，才能保證終端與主站正常通信。由于等待設置CDMA模塊參數指令的返回值的延時時間不能確定，為了能正確接收返回值，本系統利用了ARM7串口自帶的FIFO寄存器實現中斷接收[6]。每次接收清空接收緩沖區，這樣保證接收判斷無誤，不會由于“錯誤”的判斷產生錯誤的指令輸入到CDMA模塊。ARM7串口配置程序如下：
……
PINSEL0=(PINSEL0&(～0x0f )) | 0x00000005； //設置I/O連接到UART0
U0LCR=0x83； //DLAB=1，允許設置波特率
Fdiv=(Fpclk / 16) / UART_BPS； //設置波特率
U0DLM=Fdiv / 256；
U0DLL=Fdiv % 256；
U0LCR=0x03；
U0FCR=0x81； //使能FIFO，并設置出發點
U0IER=0x01；
VICIntSelect=0x00000000； //設置為IRQ中斷
VICVectCntl0=0x20|(1<<6)； //設置終端優先級
VICVectAddr0=(uint32)UART0_FIFO_Rx； //保存中斷服務程序的入口地址
VICIntEnable |=(1<<6)；???????????????????????? //使能UART0的中斷允許
……
3.2 遠程升級
遠程升級是一項十分復雜的任務。為了防止傳輸誤碼，采用校驗和來檢驗升級報文的正確性。如果升級報文為多幀傳輸，則應接收檢驗完最后一幀報文后，再通過串口輸出“＋＋＋”到CDMA模塊，令其進入命令模式。然后將接收的升級報文備份到SST39VF160中，不要覆蓋之前備份的升級報文，防止升級未完成時，仍能繼續工作。升級是一件比較重要的事件，因此，升級開始時，要置升級標志，在升級完成后，再清該標志，重新發指令，讓CDMA模塊撥號，最后發送升級確認報文給主站。
3.3 ARM啟動代碼
(1)異常向量表。ARM處理器從邏輯地址0x00000000處讀取中斷向量表，而此地址初始映射為Flash地址，所以，如果要在RAM中運行程序且響應中斷，則應利用地址重映射功能(REMAP)將RAM中包含中斷向量表的地址映射到0x00000000處。
(2)VIC初始化。程序首先禁止所有中斷，以避免一個中斷沒有響應又載入程序，從而因向量中斷控制器狀態錯誤而不能正確識別中斷。設置VICVectAddr寄存器的值為0，最后將所有中斷設置為IRQ中斷。
(3)設置CPSR寄存器的I位。因為使用UART0的FIFO中斷接收且設置為IRQ中斷，所以必須開啟IRQ，即清CPSR的I位，在啟動代碼中使用“MSR CPSR_c，#0x5F”指令。
此外，監控系統還應用了帶擴展AT+I指令集功能的CDMA通信軟件。其指令集以及實現編程不贅述。
由于移動通信系統為一個現有的平臺，在電力監控系統中采用CDMA1X網進行數據傳輸，可以大大降低通信系統的一次性投資，而且可減少工程實施中調試通信系統的時間，降低通信系統的維護費用，減輕工作人員的勞動強度，提高工作效率及配網自動化管理水平。該系統已在廣西某電力部門應用一年多。現場實際應用效果證明采用ARM嵌入式控制器LPC2210和高精度電量計量芯片ADE7758使智能無功補償控制器工作更加穩定，實時性更好，是一種理想的無功補償控制器升級換代產品，具有很好的推廣應用前景。
參考文獻
[1] 王云，賈清寒，胡曉龍.基于無線網的配電變壓器監測系統應用[J].電力系統自動化，2002，26(16)：75-78.
[2] 林功平，徐石明，羅劍波.配電自動化終端技術分析[J].電力系統自動化，2003，27(12).
[3] 楊彩虹，王芙蓉，賀德華.GSM的數據業務和承載能力[J].電訊技術，2002，42(1)：101-105.
[4] 廣州周立功單片機發展有限公司.LPC2210/2220 User?Manual[EB/OL].www.zlgmcu.com，2005.
[5] Analog Devices.ADE7758 DateSheet，Poly Phase Multifunction Energy Metering IC with per Phase Information[Z].ANALOG DEVICES，2006.
[6] 杜春雷.ARM體系結構與編程[M].北京：清華大學出版社，2003.