近年來，隨著我國經濟和社會的發展，社會對電力的需求量與日俱增，電力供應局面日趨緊張，嚴重制約我國經濟社會的發展。因此，電力系統正常、安全、高效的運行對于國民經濟和社會的健康發展有著極為重要的意義。

鑒于傳統電力儀表測量參數單一，精確度低，自動化程度不高，維修管理困難的情況，研制一款新型高效、多功能電力儀表就顯得十分必要。本文設計的多功能電力儀表不但能夠詳細記錄電力系統運行過程中的各種電力參數，而且能夠實時監測電能質量污染。文章接下來從硬件和軟件兩個方面介紹該電力儀表的研制方法。

1 系統的總體設計及工作原理

本文采用ADI公司的Blackfin系列中的BF531這款DSP（Digital Signal Processor）作為主處理芯片、STM32F103 ARM芯片作為外圍模塊擴展的總體設計方案。高性能DSP處理器可通過AD73360轉換電路取出采樣的數據，完成F FT（ F a s t Fo u r i e rTransform）變換和各種參數的計算、累加和顯示等操作。ARM處理器主要用于紅外模塊，MODBUS協議等外圍電路。其中，顯示模塊采用高清晰LCD,四行顯示界面，使面板更加美觀；RS-485通信接口的MODBUS協議，能夠方便的實現與上位機的數據交換，實現智能化抄表，并且輸入輸出采用光耦隔離，有效地減少干擾，簡化了電路設計，提高了性能和可靠性。

主電路用來存儲數據、程序，并進行一系列運算處理，它由BF5 3 1處理器及STM32F1 03處理器、SDRAM、FRAM、FLASH、I/O接口和定時/計數電路等芯片組成。鍵盤及LCD顯示部分則構成人機交互的橋梁，RS485通信接口及紅外模塊則用來實現儀表與外部的數據交換功能。

圖1-1 多功能電力儀表的系統框圖

圖4-1 主體程序流程圖

2 系統硬件電路設計

（1）電壓、電流測量傳感器電路。

傳感器電路部分是整個測量系統的基礎，它將輸入電壓電流信號轉換為測量系統能夠處理的小信號，供給主處理器進行運算、通信、顯示等使用。對于這種小信號的轉換主要通過電壓互感器（PT）和電流互感器（CT）實現。

由于該電力儀表測量的是三相交流電力參數，要求輸入電壓能夠在較大范圍內變化，故選用SPT2 0 4A電壓互感器和SCT254A電流互感器來得到精度高、線形度好的5V輸出交流電壓[1].SPT204A是一款毫安級精密電壓互感器，輸入額定電壓、電流為100V、2mA.

電壓互感器的工作原理是，其一次側匝數和二次側匝數相同，即N1=N2,輸入和輸出的電流相同。輸入電壓U1通過電阻R1限流，產生有效值為2mA的輸入電流I1,耦合后在二次側產生大小相同的電流I2.可調節LM358運算放大器反饋電阻R2的值得到所要求得電壓輸出值。電流互感器SCT254是一款精密電流互感器，變換器額

定輸入電流5A,輸出電流2.5mA,用法與電壓互感器相類似。CT的工作原理實際上和PT相同，只是其一次側為電流線穿過，.在使用電流互感器時，次級回路嚴禁開路。因為如果次級開路，可能在次級感應出很高的電動勢，損壞裝置。1.2 A/D轉換芯片AD7336

A/D轉換電路選取美國AD公司推出的AD73360作為采集芯片，AD73360為6通道16位芯片，各通道相互獨立，可同時采樣，無需CPU干涉，從而有效的減少了由于采樣時間不同而產生的相位誤差。各個通道的采樣速率可以設置為8kHZ、16kHZ、32kHZ、64kHZ,每個通道的可以允許從直流到4kHz的模擬信號通過，由于各個通道

內置的抗混疊濾波器，所以對其輸入端混疊濾波器的要求大為降低，而僅需要簡單的一階RC濾波器即可。

（2）存儲器的選擇。由于BF531片內有148KBytes的片內存儲器，但是對于數據量龐大的FFT計算及多功能電力儀表的監控程序、中斷處理（服務）程序以及各種算法的功能模塊來說顯然是不夠得，必須外擴SDRAM和F LASH.本系統采用的是HY57V641620HG芯片，他是一款高性能CMOS型1M*16Bit SDRAM,數據存儲器與DSP的接口比較簡單，其讀寫信號以及數據線和地址線分別與DSP的一一對應連接即可。程序存儲器選擇M25P80芯片，該芯片的容量為8M bit,采用SPI接口，最大傳輸速率為40Mhz,可以滿足處理器對數據的存取處理的需求。

（3）外部通信接口。RS485串行通訊總線標準及接口技術已廣泛應用于工業控制、儀器、儀表、多媒體網絡、機電一體化產品等諸多領域。由于RS485具有性能優異，特別是在要求遠距離傳輸的應用中。RS485接口標準主要是用于多站互聯[2].RS485協議的技術指標：傳輸速率最大為10Mbit/s;最大距離為1200m;高阻抗抗噪聲的差分（有補償線）傳送；最高為32個節點；單組雙絞線電纜上的雙向主從通信；并行連接的節點、多工通信。

（4）按鍵與顯示模塊本裝置中共有4個按鍵": ↑","↓","確定","返回",裝置中所有參數設置和翻屏操作都需要用這4個按鍵來完成。考慮到按鍵操作的頻繁，STM32F103單片機有豐富的I/O接口，所以用帶中斷功能的P1口采用中斷方式來進行按鍵編程，為遵循盡量減少外圍器件的原則，消抖處理通過軟件來實現。

本模塊設計采用圖形點陣液晶顯示模塊OCM12864.OCM12864中文液晶顯示模塊液晶屏幕為128*64點，可顯示四行，每行可顯示8個漢字。其字型ROM內含8192個16*16點的中文字型和128個16*8點的半寬字母符號字型。繪圖顯示R AM提供64*32BYTE空間、最多控制256*64點的二維繪圖緩沖空間，繪圖顯示畫面提供一個64*256點的繪圖區域。

3 系統主體程序設計

程序設計是針對系統整體而進行的。

整體程序分為幾個主要程序塊[3].即對DSP（BF531）的初始化程序，I/O初始化、存儲器初始化、A/D初始、LCD初始化、數據采集和數據處理子程序、按鍵處理子程序、時鐘初始化部分等。初始化之后顯示開機畫面，然后顯示各種電力參數值，再根據是否有按鍵執行相應的中斷子程序。

4 結語

本文以BF531 DSP芯片作為主處理器，完成硬件的總體設計，并在其平臺上高效地實現電力系統中各相電壓與電流的直流分量、電壓與電流的有效值、功率、功率因數、費率、頻率、模擬量、報警量輸出等傳統電力儀表的各種測量與計量，同時達到電網電壓和電流諧波狀況分析、電壓波動分析等高端專用監測儀器的部分功能。以STM32F103 ARM芯片作為輔助模塊設計，基本實現紅外線抄表及RS485通信接口與上位機進行數據交換，將電網運行參數和系統運行狀態的數據輸出等功能。