U ovom radu predstavljen je trofazni mjerač snage kojim upravlja jezgro procesora ARM, detaljno je opisan njegov hardver i softver. Brojilo je zadalo parametre snage koji prate mjerenje i prikaz u cjelini. Električni parametri mjereni posebnim čipom-CS5463 koji je dizajniran za mjerenje parametara električne energije. Električni brojilo ima visoku integraciju, nisku cijenu, nisku potrošnju energije i snažnu sposobnost protiv ometanja. Električno brojilo može zadovoljiti energetske zahtjeve inteligentnog upravljanja. Mjerač može komunicirati s glavnim kontrolerom preko MAX485 čipa i može postići funkciju daljinskog prijenosa podataka. Lako može postići funkciju praćenja u realnom vremenu, prikupljanja podataka i ima dobre izglede za primjenu.
Ključne riječi:trofazni mjerač snage;LPC2148;CS5463;ARM
Sadržaj
2. Opšta ideja dizajna trofaznog hardvera pametnog brojila
3. Dizajn kola svakog funkcionalnog modula
3.1 Dizajn trofaznog sistema upravljanja pametnim brojilom na bazi ARM-a
3.2 Hardverski krug za detekciju i mjerenje snage
Trenutno je primena brojila električne energije u zemlji i inostranstvu u fazi popularizacije pametnih brojila. Sa mikroprocesorima kao jezgrom, pametna brojila koriste tehnologiju digitalnog uzorkovanja za obavljanje digitalnih proračuna i obrade izmjerenog napona i struje, te realizuju mjerenje električne energije i praćenje snage, struje, napona i drugih informacija o parametrima mreže. Uz promociju i izgradnju pametnih mreža širom svijeta, pametna brojila će predstavljati ogromnu potražnju na tržištu. Upotreba velikog broja nelinearnih opterećenja, kao što su liftovi, nekontrolisani ispravljači, regulatori brzine varijabilne frekvencije, itd., uzrokovala je sve ozbiljnije harmonijsko zagađenje elektroenergetske mreže. Trenutno su brojila električne energije i drugi instrumenti za mjerenje električnih parametara dizajnirani prema frekvenciji napajanja. Kada ulazni signal sadrži harmonike, precizno mjerenje se ne može postići. Stoga, pored preciznog mjerenja električne energije i mjernih parametara kao što su aktivna snaga, reaktivna snaga, struja, napon, faktor snage, itd. u elektroenergetskoj mreži, pametna brojila bi također trebala imati automatsko očitavanje brojila i funkcije daljinskog prijenosa podataka.
Ovaj rad koristi ARM čip kao mikroprocesor za dizajniranje pametnog mjerača koji može ostvariti uvjetni daljinski prijenos podataka i ima funkciju automatskog očitavanja brojila. Mjerač ima prednosti niske cijene, preciznog mjerenja, dobrih performansi u realnom vremenu i praktičnog upravljanja.
2. Opšta ideja dizajna trofaznog hardvera pametnog brojila
Trofazni pametni mjerač koristi ARM čip-LPC2148 kao mikroprocesor i namjenski mjerni čip CS5463 kao trofazni čip za uzorkovanje i obradu podataka o električnoj energiji. Na osnovu realizacije funkcija tradicionalnog trofaznog brojila, on komunicira sa glavnim računarom preko RS485 komunikacionog interfejsa kako bi realizovao daljinski prenos podataka podataka.
Hardversko kolo sistema se uglavnom sastoji od četiri dela: (1) ARM sistem matične ploče; (2) trofazno kolo uzorkovanja i obrade podataka; (3) MAX485 čip i komunikacijsko kolo glavnog računala; (4) druge neophodne eksterne uređaje, kao što su dugmad, displeji, itd.
Dizajn mjerača koristi LPC2148 ARM čip kao hardversku strukturu trofaznog mjerača snage za upravljački procesor; nadzor informacija o parametrima snage koristi namjenski čip za mjerenje snage CS5463; 128×64 matrica se koristi za realizaciju funkcije LCD zaslona, integrirajući mjerenje parametara snage i funkcije prikaza. Daljinska komunikacija pametnog brojila ostvaruje se korištenjem komunikacijskog čipa RS485 MAX485.
3. Dizajn kola svakog funkcionalnog modula
Krug hardverskog sistema trofaznog pametnog brojila uglavnom uključuje osnovno kolo centra mikrokontrolera, krug za detekciju snage i prikupljanje podataka, krug napajanja, kolo prikaza i kolo komunikacijskog interfejsa RS485. Glavni kontroler LPC2148 čita podatke tri modula za akviziciju snage sa čipom CS5463 kao jezgrom kroz ugrađeni SPI interfejs, i ostvaruje funkciju daljinskog prenosa podataka preko ugrađenog komunikacijskog serijskog porta i 485 komunikacionog protokola.
3.1 Dizajn trofaznog sistema upravljanja pametnim brojilom na bazi ARM-a
Trofazni pametni mjerač koristi ARM čip-LPC2148 kao mikroprocesor i usvaja tri namjenska čipa za mjerenje energije CS5463 za realizaciju uzorkovanja podataka iz mreže i obradu podataka, te razmjenjuje podatke sa MCU u dijeljenju vremena preko SPI sučelja, kako bi se realizirala detekcija podataka i funkcija uzorkovanja trofaznog napajanja; LPC2148 je povezan sa MAX485 čipom preko sopstvenog serijskog komunikacionog interfejsa, kako bi se realizovala funkcija daljinskog prenosa podataka.
3.2 Hardverski krug za detekciju i mjerenje snage
Ovo kolo koristi namjenski jednofazni čip za mjerenje snage CS5463 kao jezgro. Dizajn kola koristi tri CS5463 čipa za mjerenje snage jedne linije, a zatim dovršava detekciju i obradu informacija o trofaznoj snazi u električnoj mreži putem kombinacije podataka. Specifična šema implementacije prikazana je na slici 2. U hardverskom kolu za realizaciju detekcije i mjerenja snage, usvojen je dizajn električne izolacije između dalekovoda i CS5463. Električna izolacija se postiže preko dva transformatora i strujnog transformatora. Među transformatorima, jedan je običan transformator, koji se koristi za obezbeđivanje istosmerne struje koja je potrebna za rad CS5463; drugi je visokoprecizan transformator niske impedancije sa vrlo malim slabljenjem i faznim kašnjenjem pod višim harmonicima, koji se koristi za mjerenje informacija o naponu. Strujni transformator se koristi za mjerenje trenutnih informacija o strujnoj liniji. Otpornik je povezan na sekundar strujnog transformatora kako bi se generirao naponski signal potreban za mjerenje struje za strujni kanal CS5463.
Dizajn softvera trofaznog pametnog brojila uglavnom se sastoji od četiri dijela:
(1) glavni kontrolni program LPC2148; (2) CS5463 program za prikupljanje i obradu podataka; (3) MAX485 komunikacioni program; (4) pomoćni program drajvera za eksterne uređaje kao što su tastatura i ekran.
Ovaj rad detaljno predstavlja hardverski princip i softverski dizajn trofaznog pametnog brojila baziranog na ARM čipu-LPC2148. Dizajnirano trofazno pametno brojilo integrira mjerenje parametara električne energije i funkcije prikaza, te ima prednosti visoke integracije, jakih funkcija, niske cijene i jake sposobnosti protiv smetnji. Komunikacioni protokol industrijskog standarda 485 koristi se za realizaciju prenosa podataka, koji poboljšava performanse praćenja podataka u realnom vremenu i dobro ispunjava zahteve inteligentnog upravljanja napajanjem. Rezultati eksperimentalnog ispitivanja pokazuju da aktivna tačnost mjerenja i tačnost reaktivnog mjerenja u podacima prikupljenim trofaznim pametnim mjeračem zadovoljavaju zahtjeve dizajna sistema i imaju visoku primjenu.