电 子 测 量 技 术 ELECTRONIC M EASUREM ENT TECHNOL0GY 第 33卷 第 ll期 2010年 11月 基 于 STM32电力 数 据 采 集 系统 的 设 计 张 旭 亓学广 李世 光 芮 昱 邱 彪 (山 东科技 大 学 青 岛 26651o) 摘 要 ：介绍了一种基于 STM32的低功耗、高性 能的电力数据采集 系统 ，阐述 了系统 的工作原 理及其软硬 件设计 。 STM32内部 包 含 丰 富 的功 能 模 块 ，无 需 外 扩 芯 片 ，系统 即可 利 用 STM32自带 的 ADC对 输 入 信 号 进 行 多 通 道 同 步 模 数转 换 ，利 用 灵 活 的静 态 存 储 器控 制器 FSMC扩 展 NAND FLASH 存 储 数 据 ，并 利 用 STM32先 进 的 标 准 通 信 接 口实 现基 于 MODBUS协议 的 RS485远 程 通 信 ，克 服 了传 统 电 力 数 据 采 集 器 受 限 于 有 限 的 存 储 空 间 和 通 信 接 口、精 度 不 高 、实时 性 差 等缺 点 。实 际 运 行表 明 ，此 系统 采 集 电力 数 据 的 实 时 性 和 可 靠 性 大 为 提 高 ，并 且 系 统 具 有 成 本 低 、体 积 小 、人 机 交 互 友好 等 优 点 。 关 键 词 ：STM32；电力 数 据 采集 ；模 数转 换 ；远程 通 信 中图 分 类 号 ：TP273 文 献 标 识 码 ：A Design of electric power data acquisition system based on STM 32 Zhang Xu Qi Xueguang Li Shiguang Rui Yu Qiu Biao (Shandong University of Science and Technology，Qingdao 2665lo) Abstract：This paper introduced alow—power—consum ption and high—performance electric power data acquisition system based on STM 32。and expatiated on its operational principle and the hardware and software design．STM 32’s abundant function modules helped the system to realize multi—channeI synchronous analogue—to—digital conversions by using the ADC embedded in STM 32 without any expansion of ASIC chips， and then the flexible static memory controller (FSM C)was used to extend the NAND FLASH to store data．Besides，the advanced and standard interface of STM 32 was utilized for the R$485 remote communication base on M 0DBUS protoco1．This system overcame the disadvantages of traditional electric power data collectors such as the restricted storage space and communication interfaces’ low precision and bad real—time capability． The practical operation attested for the improved real’time performance and reliability of the system which was of low cost，sm all volum e，and friendly hum an-com puter interaction． Keywords；STM 32 I electric power data acquisition；Af D conversion；telecommunication 0 引 言 1 总体 设 计 方 案 我 国经 济的 高速 发 展带 动 了各 行 业对 电力 的 大量 需 本 系统 由模 拟量与 开关量 采集 模 块 、通讯 模块 以及 上 求 ，因此 ，迫 切需要对 电力供应 进 行科 学 的管理 ，电力数 据 位机人机 交 互 模 块 组 成 ，系 统 框 图 如 图 1所 示 。首 先 电 采集系统 作 为 电力 供 需 管 理 的基 本 环节 ，发 挥 着 重 要 作 压 、电流等 模拟 信 号经 信 号调 理 电路 调 理后 ，经模 数转 换 用 ，电力 系统 的发展 对 电力数 据 采集 系 统 的精确 性 、实 时 器 ADC转换 为数字信 号 ，再 由 STM32进行 数据处理 ；开 性 以及 可 靠 性 都 提 出 了更 高 的 要 求 。 传 统 的 电力 数 据 采 集 系 统 受 限 于 有 限 的 存 储 空 间 和 通 信 接 口 ，存 在 精 度 不 高 、实 时 性 差 、采 集 信 息 量 小 等 缺 点 ，已 无 法 满 足 实 际 的 电 力 系 统 调 度 与 管 理 需 要 ，本 文 提 出 的基 于 STM32 的 新 型 电 力 数 据 采 集 器 充 分 利 用 了 STM32丰 富 的 片 上 资 源 ，大 大 节 约 了 硬 件 投 资 ，利 用 STM32具 有 快 速 采 样 的 高 性 能 ADC、先 进 的 电 源 及 时 钟 管 理 、双 看 门 狗 等 功 能 ，从 而 大 大 增 强 了 系 统 的 实 时 性 与 可靠性 ，精度显 著提高 ，同时功耗 大为降低 。 · 9O · 图 1 系 统 原 理 

张 旭 等 ：基 于 STM32电 力 数 据 采 集 系 统 的 设 计 第 11期 关 量 信 号 则 通 过 I／O 口 输 入 ，STM32通 过 中 断 或 查 询 方 端 口 ，并 且 通 用 的 I／O 可 以 配 置 到 1 6个 外 部 中 断 线 上 。 式进行 读取 ]。 电力 数据 经 采集 处 理后 ，由液 晶屏 进 行 显 开 关量 输 入 电路 如 图 2所 示 。开关 量 信 号 由 IN 端 口输 示 ，同 时 进 行 储 存 以便 对 历 史 数 据 进 行 查 询 。 为 了 使 数 据 入 ，电 容 C 与 电 阻 R 构 成 一 阶 低 通 滤 波 器 滤 除 高 频 噪 显 示 更 加 直 观 以 及 远 程 监 控 ，通 过 RS485 与 上 位 机 声 ，减 小 信 号 的 毛 刺 ，采 用 光 耦 合 器 TLP521实 现 现 场 开 关 量 与 STM 32间 的 电 气 隔 离 ，提 高 电 绝 缘 和 抗 干 扰 能 力 Ⅲ 。 通 信 。 2 系统 硬 件 设 计 2．1 STM32片 上 资 源 本 系 统 采 用 了 ST 公 司 基 于 Cortex—M 3内 核 的 32位 增 强 型 闪 存 微 控 制 器 STM 32F103ZE 作 为 控 制 核 心 ， Cortex-M 3 内核 是 专 门设 计 于 满 足 集 高 性 能 、低 功 耗 、实 时 应 用 、具 有 竞 争 性 价 格 于 一 体 的 嵌 入 式 领 域 的 要 求 。该 芯 片 最 高 工 作 频 率 可 达 到 72 M Hz，具 有 512 K 字 节 的 闪 存 以及 64 K 字 节 的 SRAM ，丰 富 的 片 上 资 源 大 大 简 化 了 系统硬 件 ，同时 大大 降低 了系统功 耗 。 图 2 开 关 量 输 入 电路 STM 32F103ZE 12位 ADC 为 逐 次 逼 近 型 模 数 转 换 器 ，各 通 道 的 转 换 可 以 单 次 、连 续 、扫 描 或 间 断 模 式 执 行 ， 2．3 数 据 存 储 与 显 示 模 块 设 计 转换结果 以左 对齐 或右对 齐 方式 存 储在 16位数 据 寄存 器 为 了 实 现 电 力 数 据 采 集 历 史 数 据 的 查 询 ，系 统 扩 展 了 中 ]。 通 道 采 样 时 间 可 编 程 ，总 转 化 时 间 可 缩 减 到 1 s，此 512 M Bit 的 NAND FLASH ，选 用 了 ST 公 司 的 外 ，多种转 换模式 供选 择 ，支持 DMA 数据传 输 。本 系 统采 NAND512一A芯 片 ，每 页有 512+16个 字节 ，每块 有 16 K+ 用 定时器 触发 的 同步注入 模 式 ，能 够对 多 路信 号 进 行 同步 512个字 节 ，顺 序存 取时 间为 50 ns，页编程 时 间为 200 s。 采 样 。 STM32的静态存 储器 控制 器 FSMC可 以把 外 部存 储 器划 STMaZF103ZE具 有 5个 USART 串行 通 信接 口，内 分 为 固定大小 为 256 M 字 节 的 4个存 储 块 ，其 中存储 块 2 置 分数 波 特 率 发生 器 ，发 送 与接 收 共 用 可编 程 波 特 率 ，最 和 3可 用于访 问 NAND FLASH设 备 ，本 电力数 据采 集 系 高 达 4．5 Mbit／s，数 据 字 的 长 度 、停 止 位 均 可 设 置 。 统 利 用 FSMC 的 存 储 块 2连 接 芯 片 NAND512一A。 此 外 ，灵 活 的 静 态 存 储 器 控 制 器 FSM C能 够 通 过 同 步 系 统 采 用 5．6英 寸 的 彩 色 液 晶 显 示 器 实 现 本 地 实 时 或异 步存储 器 与 16位 PC卡接 口相 连 ，便 于外 扩存储 器 和 监 控 ，并 提 供 良好 的 人 机 交 互 功 能 。利 用 STM32F103ZE 液 晶 显 示 屏 。 2．2 数 据 采 集 模 块 设 计 的 FSMC模块 控制液 晶显示 器 ，即将 液 晶作 为外部 存储 设 备 来使 用 ，配 置好 读 写 及控 制 信 号 的时 序 ，指 定 指针 即可 数 据 采 集 包 括 对 于 模 拟 量 与 开 关 量 的采 集 两 部 分 。 实 现 对 液 晶 的读 写 访 问 。 利 用 这 种 方 式 ，不 仅 简 化 了 对 液 1)模 拟量 数据 采集 晶的操 作 ，只 需 指定 读 写数 据 指 针方 可 完 成操 作 ，而且 提 由于电力 数据采 集信 号 为高 电压信 号 和 大 电流 信号 ， 高 了访 问速 度 ，同时 ，有 效避 免 了 用端 口模拟 时序访 问液 因此 ，首先要 将其 调理为 满足 STM32F103ZE ADC输 入范 晶 产 生 的 “拉 幕 ”现 象 ]。 围的 电压 信 号 ，以便 进入 ADC转 换 为 数 字量 。各 相 电流 2．4 RS485通 信 模 块 设 计 信号 经 电流互感 器和 电流 变送 器 ，各相 电压信 号 则通 过 电 为 了更 直 观 的监 控 电力 数 据 采 集 ，系 统 需 要 把 采 集 压互 感器 和 电压 变送 器变换 为低 电压 信号 ，输入 到 STM32 到 的数 据 上传 到 控 制 中 心 的 PC，同 时 也 方 便 了 计 算 机 的 ADC 模 拟 输 入 通 道 ，其 幅 值 范 围 为 O～ 3．3 V。 联 网 共 享 数 据 。 传 统 的 抄 收 数 据 费 时 费 力 ，效 率 较 低 ， 本 系 统 采 用 同 步 注 入 模 式 配 置 ADC1的 注 入 组 通 道 而 RS485通 信 方 式结 构 简 单 ，价 格 低 廉 ，通 信 距 离 和数 采 样 Ua，Ia，配 置 ADC2的 注 入 通 道 采 样 Ub，Ib，从 而 实 据 传 输 速 率 适 当 ]。 系 统 采 用 MODBUS协 议 采 用 现 Ua／Ub及 Ialib的 同 步 采 样 。又 由 于 Ua+ Ub+ Uc一 0， RS485通 信 方 式 ，进 行 电 力 采 集 数 据 的 远 距 离 、高 速 传 + + Ic= 0计 算 出 Uc，Ic。定 时 器 2的 TRG0 事 件 触 输 。本 系统 选 用 了最 高 传输 速 率 可 达 500 Kbps的 隔离 发 A／D 转 换 ，1．5周 期 的 采 样 时 间 ，可 以 达 到 1／zs的 转 换 时 间 ，数据 右 对 齐格 式进 行 存 储 ，使 用 DMA 数 据 传输 ， 型 R$485通 信 芯 片 ADM 2483，设 计 电 路 如 图 3所 示 。 该 芯 片 采 用 限摆 率 驱 动 器 ，较 低摆 率 降低 了不 恰 当 的终 不 需 CPU 干 预 ，即 可 将 ADC1 和 ADC2存 储 在 寄 存 器 端 匹 配 和 接 头 产 生 的 误 码 。 ADM 2483接 收 输 入 具 有 真 ADC_ _ JDRx(x： 1，2)中 的 转 换 数 据 快 速 存 放 到 指 定 区 域 。 正 的 失 效 保 护 功 能 ，驱 动 器 还 具 有 短 路 电 流 限 制 ，并 可 2)开关 量数 据采集 以通 过 热 关 断 电路 将 驱 动 器输 出置 为 高 阻 状 态 ，防 止过 STM 32F103ZE 的 I／0 口 都 可 以 配 置 为 开 关 量 输 入 度 的 功 率 损 耗 。 · 9] · 

第 33卷 电 子 测 量 技 术 +5V 实 验数据表 明 ，本 系统 设计 合 理 ，运行 可靠 ，数 据 测量 准确 、精度 高 且实 时性 较 好 ，与 传 统 电力数 据 采集 器相 比 具 有 显 著 优 点 。 ] 图 3 RS485通 信 电路 3 系 统软 件 设 计 本 系 统 设 计 中 ，采 用 英 蓓 特 公 司 和 ARM 公 司 最 近 联 合 推 出 的高 效 ARM 开 发 环 境 Realview MDK 为 开 发 平 台 。应 用 程 序 包 括 主 程 序 、数 据 采 集 及 处 理 程 序 、串 行 通 信程序 3个 主 要 部 分 。主 程 序 主 要 负 责 对 于 系 统 时 钟 、 GPIO 口 、嵌 套 中 断 的 配 置 以及 定 时 器 、ADC 和 串 行 通 讯 模 块的初始化 。 数 据 采 集 及 处 理 程 序 中 ，由 定 时 器 T2每 隔 6 ms触 发 图 4 通信 流程 一 次 )C注入组的 同步转 换 ，转 换结束则 会进人 中断服 务 5 结 论 程序 ，然后读取转换结 果并对 数据进 行处理 ，从 而计算 出 电 压 、电流有效值等 电力参数 。其 中 ，电压有效值计算式如下 ： r— —— — — — 一 U 41a“： 式中 ：U 为电压有 效值 ，，z为 每周期采 样点数 ， 为第 k点 采样 电压值 。 电流有效值计算 式为 ： 厂■—了一 √ 《 式 中：I为电流有效 值 ， 为 每周期 采样 点数 ， 为 电流采 本 文介绍 的 电力 数 据采集 系统 采 用 ST 公 司的 ARM 芯 片 STM32F1O3ZE，芯 片 包 含 丰 富 的 功 能 模 块 ，系 统 无 需 外扩 芯片 即可 实现 A／D转 换 、数 据通 信等 功能 ，大 大 简化 了硬 件 设 计 ，节 约 了 投 资 。灵 活 的 静 态 存 储 器 控 制 器 FSMC便 于 系 统 扩 展 存 储 器 以 及 连 接 液 晶 显 示 屏 。 本 系 统具 有功耗 低 、可靠性 高等优点 ，采用 M0DBUS协 议通过 RS485与上位 机实时通 信 ，传 输数 据 的实 时性 与可靠 性显 著提 高 。随着 电力 系统 的发 展 ，这种 基 于 STM32的电力 数据采 集系 统将有更 高的应用 价值和 广阔的市场 前景 。 样 值 。 参 考 文 献 当 A／D 转 换 的 数 据 数 据 量 达 到 512个 字 节 后 ，进 行 一 次 存 储 ，将 数 据 存 入 NAND FLASH 中 ，以 便 实 现 历 史 数 据查 询 。同时 ，通过 RS485通信 STM32将 存储 的数 据 发 送到上外 机 ，通 信流程 图如图 4所 示 。 4 实 验 结 果 与 分 析 A、B、C 三 相 分 别 接 到 市 电 220 V，利 用 25 w 、4O W 、 5O w 的灯泡作 为三 相 负 载 ，由本 电力 数 据采 集 系统 测 得 数 据 如 表 1所 示 。 姚 国珍 ，康 怡 ．基 于 DSP 的电 力 数 据 采 集 平 台 的设 计 与研 究 [J]．电子 工 程 师 ，2004，30(4)：72—74． 林 涛 ，邹 黎华 ，耿 勇男 ．多类 型多 通道 的 数据 采 集系 统 的 设 计[J]．电子测 量与仪 表学报 ，2009，23(S1)：236-239． 鲁 力 ，张波 ．嵌 入 式 TCP／IP协 议 的 高 速 电 网 络 数 据 采 集 系 统 [J]．仪器 仪 表 学 报 ，2009，30(2)：405—409． 季 力 ．基 于 STM32芯 片 的 电 参 数 测 量 与 数 据 传 输 EJ]．自动 化 与 仪 器 仪 表 ，2010(3)：137—139． 曹 圆 圆．基 于 STM32的温 度 测 量 系 统 [J]．自动 化 与 表 1 实验 结 果 仪 器 仪 表 ，2010(3)：16—18． 王 永 虹 ，徐 炜 ，郝 立 平 ．STM32系列 ARM Cortex-M3 微 控 制 器 原理 及 实 践 [M]．北 京 ：北 京 航 空 航 天 大 学 出 版 社 ，2008：318—338． 李华 ．MCS-51系 列 单 片 机 实 用 接 口技 术 [M]．北 京 ： 北 京 航 空 航 天 大 学 出版 社 ，1993：594—599． · 92 · 

] ] ] ] ] ] ] 张 旭 等 ：基 于 STM 32电 力 数 据 采 集 系 统 的 设 计 第 l1期 E8] 武利 珍 ，张 文 超 ，程 春 荣 ．基 于 STM32的便 携 式 心 电 监 测 与 诊 断 技 术 。 图仪 设 计 [J]．电 子 器 件 ，2009，32(5)：946—949． 亓 学 广 ，1957年 出 生 ，男 ，教 授 ，硕 士 生 导 师 ，研 究 方 向 E9] 游 永 健 ．RS485总 线 在 电 力 数 据 采 集 系 统 中 的 应 用 为 电气 监 测 与 诊 断 技 术 [J]．电 力 电 子 ，2006(6)：25—27． 李 世 光 。1962年 出 生 ，男 ，高 级 工 程 师 ，硕 士 生 导 师 ，研 [101 李 宁 ．基 于 MDK 的 STM32处 理 器 开 发 应 用 [MI．北 究 方 向 为 电气 监 测 与 诊 断 技 术 。 京 ：北 京 航 空 航 天 大 学 出版 社 ，2008：63—89． 芮 昱 ，1985年 出生 ，男 ，硕 士 研 究 生 ，研 究 方 向 为 电 气 作 者 简 介 监 测 与 诊 断 技 术 。 邱 彪 ，1984年 出生 ，男 ，硕 士 研 究 生 ，研 究 方 向 为 电 气 张 旭 ，1985年 出 生 ，男 ，硕 士 研 究 生 ，研 究 方 向 为 电 气 监 测 与 诊 断 技 术 。 (上 接 第 8O页) 参 考 文 献 [8] 任 爱 峰 ，初 秀 琴 ．基 于 FPGA 的嵌 人式 系统 设 计 [M]． 西 安 ：西 安 电子 科 技 大 学 出版 社 ，2004． 石 美 红 ，房 超 ，张 卫 军 ，等 ．基 于 FPGA 的 线 阵 CCD 图 [9] 费伟 中 ，沈 建 新 ，周 勇．增 量 式 光 电 编 码 器 计 数 与 接 口 像 采 集 控 制 的 实 现 [J]．微 计 算 机 信 息 ，2009，25(5— 电路 的设 计 [J]．微 特 电 机 ，2007(1)：17—18． 2)：177—178，152． [101 JANG X G．A CCD driver based on programmable 席 斌 ，王 振 雷 ，钱 锋 ．机 器 视 觉 工 业 检 测 系 统 的应 用 与 logic divice[J]．J．Foreign Electronic Elements(国 外 发 展 [J1．控 制 工 程 ，2006，5(13)：220—222． 电 子元 器 件 )，1996(11)：41—43． 李 红梅 ，陈敏 聪 ，陈子瑜 ，等 ．线 阵 CCD数 据 获 取 方 法 研 [11] A1 L L，YUAN F，DING ZH L．Measurement of 究 和设 计口]．电子测 量技 术 ，2008，31(6)：125—128． spatial object’S exterior attitude based on linear CCD 谷 林 ，胡 晓 东 ，罗 常 洲 ，等 ．基 于 CPLD 的 线 阵 CCD光 [J]．Chinese Optics Letters，2008，6(7)：505—509． 积 分 时 间 的 自 适 应 调 节 [J]．光 子 学 报 ，2002，31 (12)：1533—1537． 作 者 简 介 谷 林 ，胡 晓 东 ，陈 良益 ，等 ．用 CPLD 替 代 单 片 机 实 现 白士 贤 。1984年 生 ，男 ，陕 西 宝 鸡 人 ，在 读 研 究 生 ，主 要 线 阵 CCD 自动 变 扫 描 控 制 [J]．光 电子 ·激 光 ，2003， 研 究 方 向 机 器 视 觉 与 模 式 识 别 。 14(8)：830—834． 石美 红 。1956年生 ，女 ，江苏仪 征人 ，教 授 ，主要 研究 方 彭 晓 钧 ，何 平 安 ，袁 炳 夏 ．基 于 CPLD 的 线 阵 CCD 驱 向为 图像处 理与模 式识 别 ，计算 机网络应 用技 术等 。 动 电 路 设 计 与 实 现 [J]．光 电 子 ·激 光 ，2007，18(7)： 姜寿 山 ，1958年 生 ，男 ，陕 西 渭 南 人 ，教 授 ，博 士 生 导 8O3—8O7． 师 ，主 要 研 究 方 向为 计 算 机 辅 助 设 计 与 有 限 元 分 析 及 测 试 刘 艳 ，赵 洪 ，于效 宇 ，等 ．一 种 可 调 线 阵 CCD信 号 采 集 技术 等 。 处 理 系 统 [J]．半 导 体 光 电 ，2009(O2)：294-299． E-mail：m eihong_ shi@ 263．net (上 接 第 89页 ) [3] 马 建 ，向 平 ．高 精 度 太 阳 位 置 算 法 及 在 太 阳 能 发 电 中 [93 于 贺 军 ．气 象 用 太 阳赤 纬 和 时 角 的计 算 方 法 [J]．气 象 的应 用 [J]．水 电 能 源科 学 ，2008，26(2)：201—204． 水 文 海 洋 仪 器 ，2006(3)：50-53． [41 关 继 文 ，孔令 成 ，张 志 华 ．高 精 度 太 阳能 跟 踪 控 制 器 设 [1o] B0 U RGES B． Im provem ent in solar declination 计 与 实 现 [J]．自动 化 与仪 器 仪 表 ，2010(3)：23—25． computation[J]．Solar Energy，1985，35(4)：367—369． [51 王 国安 ，米 鸿 涛 ，邓 天宏 ，等 ．太 阳 高 度 角 和 日出 日落 时 刻 太 阳方 位 角 一 年 变 化 范 围 的 计 算 [J]．气 象 与 环 作 者 简 介 境 科 学 ，2007(9)：161—164． 张 闻 ，男 ，河 南 人 ，硕 士 研 究 生 ，主 要 研 究 方 向 为 数 字 [6] 王 炳 忠 ，莫 月 琴 ，杨 云．现 代 气 象 辐 射 测 量 技 术 [M]． 图 像 处 理 。 北 京 ：气 象 出 版社 ，2008． E-mail：zhang_ chuang@ shu．edu．ca [7] 王 炳 忠 ，汤 洁 ．几 种 太 阳 位 置 计 算 方 法 的 比 较 研 究 吕 东 辉 ，男 ，河 南 人 ，博 士 ，副 教 授 ，主 要 研 究 方 向 为 医 [J]．太 阳能 学 报 ，2001，22(4)：413—417． 学 图 像 处 理 、图 像 认 证 、3D 图 像 重 建 等 。 [8] 中 国气 象 局 ．地 面 气 象 观 测 规 范 [M 1．北 京 ：气 象 出 E-m ail：dhlu@ shu．edu．cn 版 社 ，2003． · 93 ·