基于ADE7758電力監(jiān)測儀表設(shè)計

1、 畢業(yè)設(shè)計（論文） 基于ade7758的電力監(jiān)測儀表設(shè)計 學(xué)生姓名： 王鵬 學(xué)生學(xué)號： 院（系）： 電氣信息工程學(xué)院 年級專業(yè)：級電氣工程與自動化指導(dǎo)教師：陳欣波講師二一二年三月 第一章 緒論1.1課題的背景和意義 電力是人們?nèi)粘Ｉ詈凸I(yè)生產(chǎn)中的主要能源，在現(xiàn)代社會中起著非常重要的作用。隨著我國電力市場的逐步建立和完善，電力系統(tǒng)越來越復(fù)雜，在電力系統(tǒng)中，特別是中低壓配電系統(tǒng)中，大量非線性、沖擊性負荷的使用，給電力系統(tǒng)的電能計量帶來了前所未有的挑戰(zhàn)。工業(yè)的發(fā)展、科技的進步，電力工業(yè)向大容量方向發(fā)展，企業(yè)生產(chǎn)技術(shù)管理對工業(yè)電能準確計量不斷提出新的要求，節(jié)能降耗是現(xiàn)代工業(yè)進步的主要標志之一，提高電

2、能有效利用率，對電能質(zhì)量進行綜合監(jiān)測與治理，已成為迫切需要解決的問題1。要實現(xiàn)對電能質(zhì)量的綜合治理，就必須實現(xiàn)有功功率的在線分析與實時監(jiān)測，以了解電能的有效利用水平。這有利于及時發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)上的電能質(zhì)量問題，便于“早發(fā)現(xiàn)、早治理”，為電網(wǎng)創(chuàng)造一個良好的環(huán)境。作為電力管理系統(tǒng)組成部分的電力監(jiān)控儀表就起著越來越重要的作用。有功功率是反映電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行狀況的一個基本狀態(tài)變量, 許多電網(wǎng)的控制裝置都要求快速而準確地測量有功功率, 特別是當電網(wǎng)受到擾動時. 有功功率的大小直接反映了了發(fā)電機轉(zhuǎn)子上的不平衡轉(zhuǎn)矩, 也反映了系統(tǒng)中各個發(fā)電機轉(zhuǎn)子之間的相對運動. 盡快測出擾動過程中的有功功率, 可以判斷發(fā)電機在電

3、網(wǎng)受到擾動時能否繼續(xù)保持同步運行, 以便采取相應(yīng)的安全穩(wěn)定控制措施, 提高系統(tǒng)抗干擾的能力.傳統(tǒng)的測量有功功率的方法是使用各種原理的功率變送器, 基本原理是作電壓與電流的乘積經(jīng)過濾波來測量有功功率, 其濾波電路復(fù)雜, 且時間常數(shù)較大, 往往難于滿足在故障過程中對測量快速性的要求.ade7758的應(yīng)用使得用數(shù)字信號進行有功功率的實時計算成為可能, 實時計算不僅可以測量有功功率而且加快了響應(yīng)速度.因此，針對不同領(lǐng)域的電力系統(tǒng)，研制一種高精度的電力監(jiān)測裝置就具有非常重大的意義。1.2 國內(nèi)外發(fā)展狀況 在過去的一個世紀里，源于科研、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需求，電測量理論以及儀表技術(shù)不斷發(fā)展，電力儀表和普通儀表一

4、樣，發(fā)展經(jīng)歷了三個階段2： 第一代是指針式儀表，如模擬萬用表、電壓表、電流表，這些儀表的基本結(jié)構(gòu)是電磁式、電動式、感應(yīng)式、靜電式等，它的原理簡單、堅固耐用、容易生產(chǎn)、成本低，但由于這類儀表本身機械結(jié)構(gòu)和電磁結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性和復(fù)雜性，一般精度較低，反應(yīng)慢，應(yīng)用場合有一定的局限性。 第二代是數(shù)字式儀表，這類儀表的基本原理是將被測量模擬信號通過轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號，進行計算并以數(shù)字形式顯示出來。如數(shù)字式萬用表、數(shù)字式頻率計等。這類儀器同指針式儀器相比較精度有了很大的提高、測量結(jié)果直觀。而且數(shù)字信號便于遠距離傳輸，所以數(shù)字式儀表也適于遙測、遙控。第三代是智能儀器。所謂智能儀器，一般指含有微處理器的儀器，通過微

5、處理器來控制數(shù)據(jù)的采集，并對數(shù)據(jù)進行處理。因此能夠用軟件的方法實現(xiàn)信息的采集、處理和存儲，大大簡化了儀器的整體結(jié)構(gòu)。這類儀表不僅精度高，功能強大，而且能適應(yīng)各種復(fù)雜的環(huán)境。電子技術(shù)和計算機技術(shù)的高速發(fā)展是電力儀表迅速進步、日益成熟的主要技術(shù)支撐。1.3 課題研究的目標及任務(wù)在設(shè)計時，主要完成了下列工作：1確定設(shè)計指標與設(shè)計方法 查閱了大量的國內(nèi)外有關(guān)電參數(shù)測量儀器方面的文獻資料，并結(jié)合有功功率測量和ade7758電能芯片的原理，對所要做的工作有理論上的知識積累和系統(tǒng)的掌握。根據(jù)目前電參數(shù)測量儀表的發(fā)展趨勢和現(xiàn)有的設(shè)計條件，提出有功功率電參數(shù)測量模塊的整體方案和技術(shù)要求。2電參數(shù)測量模塊的系統(tǒng)硬

6、、軟件設(shè)計 根據(jù)技術(shù)需求。使用nios軟核處理器系統(tǒng)實現(xiàn)要求的設(shè)計功能，編寫ade7758的數(shù)據(jù)讀寫模塊及初始化模塊軟件。3軟、硬件的聯(lián)合調(diào)試 對c程序進行編譯，檢查錯誤，然后下載設(shè)計文件到nios軟核處理器系統(tǒng)中，根據(jù)設(shè)計文件nios內(nèi)部將形成對應(yīng)的硬件電路，然后進行軟硬件聯(lián)合調(diào)試。4模擬調(diào)試 在完成軟、硬件的聯(lián)合調(diào)試后，利用高精度信號發(fā)生源作為輸入信號進行本模塊的系統(tǒng)調(diào)試及校準，并得到相關(guān)數(shù)據(jù)。 第二章 有功功率計算算法 本章將對本課題中要計算的電力參量的計算算法做詳細介紹。包括相電壓、相電流、線電壓、線電流，三相三線制網(wǎng)絡(luò)和三相四線制網(wǎng)絡(luò)的有功功率和功率因數(shù)。2.1三相電路的介紹3在電力

7、系統(tǒng)中，供電方式都采用三相制。三相電力系統(tǒng)是由三相電源、三相輸電線路和三相負載組成的，對稱三相電源是由三個等幅、同頻、初相相差的正弦電源組成，其表達式如下： （2-1）相應(yīng)的，可以得到三相的電流信號： （2-2）式中： 為電壓有效值、為電流有效值 為角頻率 為電壓、電流相位差對稱三相電路有星形(y形)和三角形（形）兩種接法。如下： 圖2-1 三相四線制 圖2-2 三相三線制 2.1.1. 線電壓（電流）以及相電壓（電流）的關(guān)系對于對稱星形電源、依次設(shè)其線電壓為、，相電壓為、，（或、），如圖2-1所示，根據(jù)kvl，有 =-=（1-）= =-=（1-）= =-=（1-）=另有+=0。對稱的星形三相

8、電源的線電壓與相電壓之間的關(guān)系，相電壓對稱，線電壓也一定依次對稱，他是相電壓的倍，依次超前、相位。對于三角形電源如圖2-2所示，有 =，=，=所以線電壓等于相電壓，相電壓對稱時，線電壓也一定對稱。對稱三相電源和三相負載中的線電流和相電流之間的關(guān)系敘述如下。對于星形連接，線電流顯然等于相電流，對三角形連接則不是如此。在三角形負載中，設(shè)每相負載中的對稱相電流分別為、，3個線電流依次分別為、，根據(jù)kcl，有 -=(1-a)= -=(1-a)= -=(1-a)= 另有。線電流與對稱相電流之間的關(guān)系，相電流對稱時，線電流也一定對稱，它是相電流的倍，依次滯后、的相位。2.2 有功功率的計算2.2.1.單相

9、平均功率的計算 設(shè)有電壓信號,電流信號,為負載的阻抗角，隨著負載的特性不同，可大可小，可正可負。那么負載上的瞬時功率為： 瞬時功率的實用意義不大，通常所說的功率指的是一個周期內(nèi)的平均功率。平均功率p的定義為 , 為功率因數(shù)。2.2.2. 三相四線制電路的瞬時功率的計算 對于三相四線制網(wǎng)絡(luò)，我們一般都采用三表法來測量網(wǎng)絡(luò)的電能。圖2-3是三表法的接線原理圖。下面將對三表法計算三相四線制網(wǎng)絡(luò)電能的正確性進行論證。 圖2-3 三相四線制有功功率的測量 根據(jù)公式（2-1）和公式（2-2）所示的電壓、電流信號，三相四線制電路的瞬時功率為各相負載瞬時功率之和。 可以看出對稱三相電路的瞬時功率是一個常量，其

10、值等于平均功率 ，其中u、i為線電壓線電流。 不對稱三相電路，總的有功功率為 由此可見不論電路是否對稱，都可以用三表法測量三線四相制電路的有功功率。2.2.3. 三相三線制電路的有功功率的計算 對于三相三線制網(wǎng)絡(luò)，我們一般都采用二表法來測量網(wǎng)絡(luò)的電能。圖2-4是三表法的接線原理圖。下面將對二表法計算三相三線制網(wǎng)絡(luò)電能的正確性進行論證。 圖2-4 三相三線制有功功率的測量 對于三線三線制電路，如圖2-4所示用兩表法測得的總的有功功率為 具體計算過程如下：根據(jù)公式(2-1)和公式(2-2)所示的電壓、電流信號，相應(yīng)可以分別算出三相的瞬時有功功率： 平均功率p為： 其中為相電壓相電流由此可見無論三相

11、電路是否對稱，都可以采用兩表法來測量三相三線制網(wǎng)絡(luò)有功功率。 第三章 電參數(shù)測量模塊硬件平臺開發(fā)3.1系統(tǒng)硬件整體結(jié)構(gòu) 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)是系統(tǒng)運行的基礎(chǔ),所以硬件設(shè)計的首要目標是穩(wěn)定可靠，在滿足可靠性要求的前提下給系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件的運行提供一個良好的支撐。硬件系統(tǒng)不但在功能上要完全滿足系統(tǒng)運行的要求，而且還要考慮為以后技術(shù)的發(fā)展留有余地。硬件部分總體結(jié)構(gòu)框圖如圖3-1所示 圖3-1 硬件整體框架3.1.1 傳感器模塊電路45傳感電路及前端濾波采樣電路包括互感器部分、濾波電路部分。圖3-2為傳感器電壓信號處理電路，由于ade7758的電壓通道輸入信號vap、van最大范圍為士0.5v。因此選擇lc

12、ta51cf-220v/0.1v電壓互感器6 ，若電阻r3選擇1k，這樣輸出端的電壓就為0.1v0.5v，滿足要求。加載濾波器是為了濾除高次諧波。 此電壓互感器的具體參數(shù)為： 應(yīng)用范圍 測量 種類 電壓互感器 品牌 lc 型號 lctv51cf220v/0.1v 封裝形式 圓柱體 繞線形式 小型固定式 額定電流 小于1ma (1)額定輸入：電壓互感器01000v可選 (2)額定輸出：電壓互感器010v或0200v可選 (3)非線性度:比差0.1%;角差5分 (4)頻率特性: 45-800赫茲 (5)精度等級: 0.1 (6)輸入電壓220v,輸出100mv 圖3-2 電壓信號處理電路 圖3-3

13、為電流信號處理電路。由于ade7758的電流通道輸入信號lap、ian最大范圍為士0.5v，選用的電流互感器為lcta51cf-220v/0.1v 6，選用r3為10，在輸出電流為20ma時，輸出端電壓為0.2v0.5v，滿足要求。加載濾波器是為了濾除高次諧波,穩(wěn)壓管是為了起限幅保護作用。 電流互感器的具體參數(shù)為： 品牌 lc 型號lcta21ce-20a/20ma 應(yīng)用范圍測量 種類電流互感器 封裝形式環(huán)氧樹脂電感繞線形式多層亂繞式 導(dǎo)磁體性質(zhì)磁芯磁芯形狀環(huán)形 工作頻率低頻 額定電流20（ma）1、額定輸入：電流互感器1ma1000a可選；2、額定輸出：電流互感器1ma5a或010v可選；3

14、、非線性度: 比差0.1%;角差5分4、頻率特性: 45-800赫茲5、精度等級: 0.16、輸入為20a,輸出20ma。 圖3-3 電流信號處理電路3.2 ade7758電能計量芯片的介紹73.2.1 ade7758概述 ade7758是一款高精確度的三相電能計量芯片，帶有兩路脈沖輸出功能和一個串行接口，集成了6路16位二階adc模數(shù)轉(zhuǎn)換器，數(shù)字積分器，高性能dsp，基準電路及溫度傳感器等電路，以及所有進行有功，無功和視在電能計量以及有效值計量所需的信號處理元件，在1000：1動態(tài)范圍內(nèi)誤差小于0.1，提供有功、無功及視在電能、電壓、電流有效值及波形采樣等數(shù)據(jù)：三相三線、三相四線兼容。ade

15、7758為各相提供系統(tǒng)校準功能，包括有效值偏移校準、相位校準、功率校準，dsp內(nèi)部對無功電能進行了補償；提供獨立的有功電能及無功電能脈沖輸出。這些功能特點大大減少了處理器的軟件開發(fā)工作量，簡化了電力測量新應(yīng)用模塊的設(shè)計難度，可做到全電子或真正固體化、靜止化，以有利于提高性能，降低成本，使電能計量具有高精度、高可靠性、免維護和雙向通訊功能。 ade7758中具有波形采樣寄存器，它可以對模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出進行訪問。該器件集成了一個用于短時低電平和高電平變化的檢測電路，變化的閾值電壓和持續(xù)時間由用戶編程決定。三相中的任一相的線電壓過零檢測與電壓過零點是同步的，過零檢測的結(jié)果可用于測量三個電壓輸入中任意

16、一個的周期，也可用于內(nèi)部芯片的線循環(huán)電能累加模式。該模式使電能累加與半周期的整數(shù)倍同步，以此實現(xiàn)更快更準確的校準。3.2.2 ade7758外部引腳功能分布。 （1）apcf：有功功率校正頻率邏輯輸出引腳。 該引腳的輸出主要用于校準和操作的目的。滿刻度輸出頻率可以寫入apcfnum和apefden寄存器中。（2） dgnd：ade7758數(shù)字電路部分參考地端，例如乘法器、濾波器、數(shù)頻轉(zhuǎn)換器的地端。 由于ade7758中的回路電流很小，可以直接跟整個系統(tǒng)的模擬地端（agnd）相連，但是dout端的大總線電容產(chǎn)生的數(shù)字噪聲電流可能會影響其性能。（3）dvdd：數(shù)字電源。該引腳為ade7758數(shù)字部

17、分提供電壓源。 電壓維持在5v5%。該引腳可用一個10f的電容和一個100nf的瓷片電容并聯(lián)后進行去耦合。（4）avdd：模擬電源端。 該引腳為ade7758模擬部分提供電壓源。電壓維持在5v5%。 該引腳應(yīng)該采用正確的去耦方法，盡量減小電源波動和噪聲。該引腳用一個10f的電容和一個100nf的瓷片電容并聯(lián)后，再連接到agand引腳來去耦合。（5）（10）iap，ian；ibp，ibn；icp，icn：電流通道模擬輸入。 這些輸入是全差動電壓輸入，最大的差動輸入信號為0.5v，0.25v，0.125v。根據(jù)內(nèi)部放大器的增益選擇，來設(shè)定輸入電壓的最大值，增益選擇放大器的增益由pga寄存器來設(shè)定。

18、所有的輸入引腳均能承受6v的過電壓而不會造成永久損壞，并具有靜電釋放保護電路。（11）agnd：模擬電路部分的參考地端。 該引腳為內(nèi)部的adcs、溫度敏感元件、參考電壓端等部分的參考地端。該引腳應(yīng)該連接到系統(tǒng)的標準模擬地或者干擾最小的接地參考點。干擾最小的接地參考點應(yīng)該跟所有的模擬線路相連。為了減小ade7758的地端噪聲，模擬地端應(yīng)該和數(shù)字地端只用一個點來連接。也可以把整個器件都安放在模擬接地面上。（12） refin/out：該引腳是片上基準電壓。 片上基準電壓標稱值為2.5v8% 。外部參考端也可以與該腳相連。無論是否連接外部參考電壓端，該引腳都應(yīng)該用一個1f的瓷片電容跟agnd端連接以

19、去偶合。(13) (16)vn，vcp，cbp，vap：電壓通道的模擬輸入。 這些輸入是單端電壓輸入，最大信號電壓為0.5v，（相對于vn端）?？梢酝ㄟ^內(nèi)部寄存器pga選擇輸入信號的最大值為0.5v，0.25v或者0.125v。所有的輸入引腳均能承受6v的過電壓而不會造成永久損壞，并具有靜電釋放保護電路。（17） varcf：復(fù)功率校準頻率邏輯輸出。 通過設(shè)置wavmode寄存器的vacf位來選擇輸出復(fù)功率或者視在功率。該輸出常用于電能表的校準。滿刻度輸出可以通過寫入varcfnum和varcfden寄存器的數(shù)值來調(diào)節(jié)。（18） irq：中斷請求輸出。 低電平有效的開漏極邏輯輸出端?？善帘蔚闹?/p>

20、斷包括：有功能量寄存器和視在功率寄存器半滿和波形采樣速率達到26ksps。（19） clkin：數(shù)字信號處理adcs的主時鐘。 最高為15mhz。可以用一個外部時鐘信號來提供時鐘輸入，也可以在clkin和 clkout端并聯(lián)一個at晶體來提供時鐘信號。應(yīng)該根據(jù)晶體的參數(shù)確定所需要的負載電容值，接一個幾十pf的瓷片電容到振蕩門電。（20）clkout：當外部時鐘提供或者連接一個晶體時，該引腳能驅(qū)動一個cmos負載。（21）cs：片選信號，低電平有效。這時ade7758與數(shù)據(jù)總線接通。（22）din：串行接口的數(shù)據(jù)輸入端。在串行口的時鐘信號sclk的下降沿輸入數(shù)據(jù)。（23）sclk：串行時鐘信號輸

21、入端。所有串行數(shù)據(jù)被該信號同步。 該引腳具有施密特觸發(fā)輸入，以適應(yīng)速度較慢的邊沿變化時間。（24）dout：串行口的數(shù)據(jù)輸出端。在sclk信號的上升沿數(shù)據(jù)從該引腳傳輸出去。在沒有數(shù)據(jù)的時候該引腳為高阻抗狀態(tài)。3.2.3 ade7758的內(nèi)部框圖 ade7758是一種高精確度三相電能測量芯片，帶有一個串行口，兩路脈沖輸出。ade7758集成了數(shù)字積分、參考基準電壓源等，有可用于有功功率、復(fù)功率、視在功率、有效值的測量以及以數(shù)字方式校正系統(tǒng)誤差(增益、相位和失調(diào)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(fù)功率、視在功率。 來自電流傳感器和電壓傳感器的

22、電壓信號經(jīng)信號放大pga1,pga2和模數(shù)變換adc轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的數(shù)字信號，然后，電流信號經(jīng)電流通道內(nèi)的高通濾波器hpf濾除dc分量并數(shù)字積分后，與經(jīng)相位校正的電壓信號相乘，產(chǎn)生瞬時功率；此信號經(jīng)低通濾波器產(chǎn)生瞬時有功功率信號；各相功率相加得到總的三相瞬時有功功率，經(jīng)dout引腳輸出。 ade7758有六路模擬量輸入，分成電流和電壓兩個通道。 電流通道由三對差分電壓輸入，分別是iap，ian；ibp，ibn；icp，icn。這三個電流通道最大的信號電壓變化范圍為0.5v。電流通道有一個可編程增益放大器（pga1），放大器增益為1，2或4。除了pga功能外，用于a/d轉(zhuǎn)換時，通道1還具有輸入信號滿

23、刻度選擇的功能。前面提到了，最大輸入電壓變化范圍為0.5v，利用增益寄存器的3和4位，adc的輸入電壓可以設(shè)置為0.5v，0.25v，0.125v。這是利用adc的基準參考端來實現(xiàn)的。 電壓通道具有三路單端電壓輸入通道，分別為vap，vbp和vcp。這些單電壓輸入端的最大輸入電壓變化范圍為0.5v。相對于vn來說，電流和電壓通道都有一個pga（可編程放大器），增益為1，2或4，由用戶編程來決定，所有的輸入通道的增益相同。 ade7758提供系統(tǒng)的校正功能如：有效值偏移的校正、相位和功率的校正等等。引腳apcf的邏輯輸出給出了有功功率的信息，引腳varcf的輸出提供了瞬時復(fù)功率和視在功率的信息。

24、ade7758具有一個波形取樣寄存器，其值來自于adc的輸出。波形采樣部分集成有一個用于短時持續(xù)低電平或高電平的監(jiān)測電路，門檻電平和持續(xù)時間是由用戶編程來決定的。三相中的任一相過零監(jiān)測是同步進行的，過零監(jiān)測的結(jié)果可用于測量三路電壓輸入中任一路的周期。 ade7758的所有功能都是通過讀、寫片上寄存器來實現(xiàn)的，即ade7758的各種設(shè)定和操作主要是對其眾多寄存器的讀和寫。每個寄存器在讀、寫時，首先要執(zhí)行一個寫通信寄存器的操作，然后開始傳輸數(shù)據(jù)。 電能表的測控命令和測量信息可以多種方式與mcu通訊。mcu輸入的命令字控制著ade7758的工作模式、測量模式、波形采樣模式、有效值偏差補償量和中斷模式

25、等。例如：每相的電流通道在信號通路中都有一個乘法器。電流波形可以改變50%，這主要是由寫入12位有符號電流波形增益寄存器（aigain，bigain ，cigain）中的2進制數(shù)決定的：如果7ffh寫入這三個寄存器，則adc的輸出標定值將增加50%；如果800h被寫入，則輸出減小50%。具體內(nèi)部框圖見下圖所示： ade7758內(nèi)部框圖 3.3 ade7758電能表校準8 ade7758電能表的校準需要一個標準表或高精度源。當使用標準表時，通過調(diào)整ade7758apcf（有功功率校正頻率）和varcf（無功功率校準頻率）的輸出頻率，使之在同樣負載條件下與標準表的輸出頻率相匹配，謂之校準。在這種情

26、況下，各相位必須單獨校準。當使用高精度源進行校準時，可以運用周期循環(huán)模式的優(yōu)點同時校準三個相位。 電表校準的目的有兩個，即建立脈沖輸出的正確脈沖以及獲得與電能和有效值寄存器中l(wèi)sb相關(guān)的常量，如瓦特，安培或伏。此外，校準還要補償電表設(shè)計中的各種變化，相差以及電流傳感器造成的偏移。 3.3.1.ade7758校準工作原理 ade7758 的電流通道和電壓通道都有一個可編程增益放大器，分別是pga1，pga2，放大器的增益為1，2 和4，通過設(shè)置增益寄存器的0和1位來選擇pga1的增益系數(shù)，設(shè)置增益寄存器的5和6位來選擇pag2的增益系數(shù)，設(shè)置增益寄存器的3和4位來選擇adc的最大輸入電壓，增益放

27、大器的第7 位是電流通道中積分器的使能位。由電壓互感器和電流互感器的模擬信號通過電壓通道和電流通道，經(jīng)過信號放大器pga1，pga2和adc轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字信號，電流信號由電流通道中的高通濾波器，濾除直流分量（輸入量的理想狀態(tài)是正弦的），經(jīng)過積分器，再將此電流信號平方，經(jīng)過高通濾波器和電流有效值偏移量的校準，再開方即可得電流的有效值，各相的電流有效值寫入各自的有效值寄存器中。電壓有效值的得到基本跟電流有效值相同。 有功功率的得到過程是：電流通道中通過積分器的電流信號與電壓通道中經(jīng)過相位校正的電壓信號相乘，即可得瞬時功率，此時的瞬時功率再通過低通濾波器得出的就是瞬時有功功率了。三相瞬時有功功率相

28、加就得到了三相瞬時有功功率。 由此，ade7758計量三相有功功率時必須要進行校準。ade7758 提供了系統(tǒng)的校準功能：有效值偏移量的校準、相位校準和功率的校準。當校準ade7758 電能表時需要使用一個參考電表或者是一個精確的電流（電壓）源，這里使用參考電表來校準。apcf是有功功率校準頻率邏輯輸出引腳，這個引腳輸出的是有功功率的信息。apcf的輸出脈沖必須調(diào)整到匹配參考電表的脈沖輸出（在相同的負荷條件下），每一相必須分開獨自校準。apcf輸出的脈沖是正比于三相有功功率之和的。圖3-6顯示了使用脈沖輸出校準ade7758 的過程。 圖3-6 利用脈沖輸出進行校準3.3.2.電流有效值和電壓

29、有效值的校準 irmsos（電流有效值偏移量）和vrmsos（電壓有效值偏移量）用于消除輸出造成的噪聲和偏移。無論校準使用脈沖輸出還是周期累加，校準方法都一樣。由于沒有有效值脈沖輸出，所以必須讀取寄存器。有效值偏移校準應(yīng)在vagain校準(視在功率增益校準）之前進行。有效值偏移校準可消除視在功率計算中的偏移。所以，ade7758中沒有視在功率偏移寄存器。用于獲取有效值測量的低通濾波器不夠理想。因此，建議在讀取有效值寄存器時采用電壓波形過零點的時刻讀rms（有效值）寄存器數(shù)據(jù)，并根據(jù)具體要求讀出一組數(shù)據(jù)求平均值使各種讀取同步進行，并取幾次測量的平均值。ade7758電流有效值（irms）測量的線

30、形范圍為500：1，電壓有效值為20：1。為了測量電壓有效值偏移（xvrmsos），需在兩個不同非零電流電平下測量有效值數(shù)值。比如，額定電壓（vnom）和滿刻度電壓的1/20（vfullscale）。為了測量電流有效值偏移(xirmsos)，需在兩個不同非零電流電平下測量有效值數(shù)值，比如，測試電流（itest）和電流滿刻度(ifullscale)的1/500。這可以轉(zhuǎn)換成兩種測試條件：測試電流額定電壓，滿刻度電流的1/500和滿刻度電壓的1/20。 圖3-7為有效值測量校準的流程圖。 其中irmsos和vrmsos的計算過程如下： 其中：最低電流（imin)為滿刻度電流的1/500，itest

31、測試電流。 其中：最低電壓為額定電壓的1/20，額定電壓為額定線電壓。 圖3-7 有效值測量校準的流程圖 3.3.3 使用脈沖輸出進行相位的校準ade7758 中每一相都有一個相角校準寄存器，用來補償較小的相差，大的相角誤差則是由抗混疊濾波器（低通濾波器）來補償【32】。ade7758的相位校準是對正負方向的不同加權(quán)量進行時間延遲。由于電流互感器是一個相位誤差源，所以，在加電時應(yīng)決定向xphcal寄存器加載一個固定基準值。在校準時，這個數(shù)值可根據(jù)電流互感器間的誤差進行調(diào)整。圖3-8顯示了使用脈沖輸出校準相位的步驟。其中apcf的脈沖輸出誤差為： 。相角誤差為： 計算xphcal的公式為： xp

32、hcal=周期 period是由頻率寄存器得到的。 圖3-8 使用脈沖輸出校準相位3.3.4 使用脈沖輸出進行增益校準 增益校準用于表表校準調(diào)整，apcf或varcf輸出速率校準，并確定wh/lsb，varh/lsb和vah/lsb值。用于有功增益校準的寄存器包括apcfnum， apcfden 和xwg 。公式1公式3顯示了這些寄存器如何影響wh/lsb數(shù)值和apcf 脈沖。為了校準var增益，公式1公式3中的寄存器應(yīng)用varcfnum，varcfden和xvarg 代替。對于vagain，他們應(yīng)被varcfnum ，varcfden 和xvag代替。圖3-9顯示了運用脈沖輸出對瓦、va和v

33、ar進行增益校準的步驟。 計算apcfnum/apcfden和varcfnum/varcfden的值為： （1） （2） （3） 其中itest為測試電流。vnom為電表進行測試時的額定電壓。和為輸入的滿刻度電壓和電流值，為電流和電壓通道間的夾角。為測試條件下等同于標準電表輸出的值。apcfnum寫為0或1.計算varcfnum和varcfden的值的公式與此相似。apcf和varcf的百分數(shù)誤差計算方法為： 。計算xwg和wh/lsb的值為： 其中wdin表示有功電能寄存器除法器，mc為電表常數(shù)。 的計算和相似。 圖3-9 運用脈沖輸出對瓦、va和var進行增益校準 3.3.5 功率的校準功

34、率偏移量的校準必須在電流最小或者是接近最小電流時進行的。ade7758 內(nèi)部有功功率和無功功率偏移量寄存器（xwattos 和xvaros），而視在功率的偏移量的補償只要調(diào)節(jié)電壓、電流有效值寄存器就可以完成了。圖3-10顯示了使用脈沖輸出校準功率偏移量的過程。其中xwattos和xvaros分別為： 其中：q的定義如下。對于xwattos： 對于xvros： 其中，freq寄存器設(shè)置為測量線周期。 apcfden 是有功功率校準頻率的分母寄存器，apcfnum 是有功功率校準頻率的分子寄存器，這2 個寄存器是用來控制有功功率脈沖輸出縮放比例的。 圖 3-10 利用脈沖輸出的功率偏移量校準框圖

35、第四章 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的硬件設(shè)計94.1 創(chuàng)建quartus 工程 打開quartus 軟件，創(chuàng)建新的工程，命名為ade7758. 由菜單“assignment device”選擇相應(yīng)的fpga芯片，單擊“device and pin optionsunused pins”菜單命令，并將其設(shè)置為三態(tài)（as input tri-stated)。4.2 創(chuàng)建sopc系統(tǒng) 選擇“tools sopc builder”菜單命令，打開sopc開發(fā)工具sopc builder，命名本例的sopc系統(tǒng)為7758。 添加nios cpu：單擊“interface protocols serial jtag-ua

36、rt ”菜單命令。添加jtag-uart的目的是為了nios 軟件中c程序的調(diào)試方便，保持默認設(shè)置。 添加sdram controller：使用sdram作為程序運行空間。單擊“memories and memory controllers sdram sdram controller” 菜單命令，由于電路板上的sdram型號為a2v64s40ctp，其容量為1mb16bits4bank=64mb，因此在“presets”選項中選擇“cus-tom”，在“data widths”選項中選擇“16bits”,在“addressess widths”選擇中選擇12rom、8column。 添加ep

37、cs serial flash controller：使用電路板上串行flash存儲器epcs4芯片存儲程序代碼并配置fpga。單擊“memories and memory controllerflash epcs serial flash controller”菜單命令，再單擊“finish”按鈕即可。 添加spi：單擊“interface protocols serial spi”菜單命令，選擇“master”模式（將spi配置為主設(shè)備），將“number of select (ss-n) signals”設(shè)置為1（從設(shè)備的數(shù)目設(shè)置為1）,“spi clock （sclk) rate”設(shè)置

38、為“400khz”；不選擇“specify delay”；在“data register ”設(shè)置中,將“width”設(shè)置“8”，在“shift direction”中選擇“msb first”（發(fā)送ade7758的cmd命令和讀寫ade7758，數(shù)據(jù)可以按照字節(jié)傳輸）;在“timing”設(shè)置中，將“clock polarity（時鐘極性）”設(shè)置為1，“clock phase”（時鐘相位）設(shè)置為1，sclk的空閑狀態(tài)為高電平，在sclk的上升沿發(fā)送/接收數(shù)據(jù)（該時序符合ade7758的控制時序）。 添加pio：單擊“peripherals microcontroller peripherals

39、pio”菜單命令，“widths”選項設(shè)置為1，在“directio”選項中選擇“output ports only”，單擊“finsh”按鈕，將pio控制時序重名為cs-en。同樣添加1位輸出信號di-en的pio內(nèi)核。ade7758提供了spi 模式，但是其控制時序與sopc的spi內(nèi)核的時序存在差別，需要對spi內(nèi)核輸出的、進行處理，這里增加cs-en和di-en兩個內(nèi)核的作用就在于此。 添加sysid：單擊“peripherals debug and performance system id peripheral”菜單命令，再單擊“finish”按鈕即可。 設(shè)置系統(tǒng)異常矢量和復(fù)位矢量

40、：雙擊cpu，在“reset vector”選項中選擇“epcs controller”，在“exception”選項中選擇“sdram”，再單擊“finish”按鈕完成設(shè)置。 生成sopc系統(tǒng)：在菜單項“system”中單擊“auto assign base addressesses”和“auto-assign irqs”菜單命令，自動分配各部分的地址和中斷。各模塊添加完畢，系統(tǒng)配置如圖4-1所示。最后單擊按鈕“generate”，生成系統(tǒng)。 圖4-1 sopc內(nèi)核系統(tǒng)配置 4.3 建立系統(tǒng)頂層模塊 創(chuàng)建系統(tǒng)頂層文件：單擊“file new”菜單命令，選擇“block diagram/ sc

41、hematic file”，添加ade7758核。頂層設(shè)計原理圖如下： 圖4-2 頂層原理圖 第五章 軟件模塊設(shè)計 軟件和硬件一樣是系統(tǒng)的重要組成部分，軟件架構(gòu)的合理性和可靠性直接影響著整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性。本章主要介紹核心板ade7758的軟件設(shè)計。核心板的軟件設(shè)計的開發(fā)環(huán)境為altera公司的quartus，開發(fā)語言為c語言。代碼編譯之后通過nios下載到芯片中，才可以進行軟件運行。5.1.ade7758串行口讀寫操作 ade7758有一個內(nèi)置spi接口。ade7758的串行接口包含四個信號：sclk,din,dout和cs.數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇袝r鐘由sclk邏輯輸入。所有數(shù)據(jù)傳輸操作與串行時鐘同步

42、。數(shù)據(jù)在sclk的下降沿從din邏輯輸入端移入ade7758。數(shù)據(jù)在sclk上升沿從dout邏輯輸出端移出ade7758。cs邏輯輸入端為片內(nèi)選擇輸入端。輸入端在多個器件同時使用串行總線時使用。cs的下降沿也能使串行接口復(fù)位，并將ade7758置于通訊模式。 cs 輸入在整個數(shù)據(jù)傳輸操作時必須保持低電平。在數(shù)據(jù)傳輸時將它置為高電平能中止傳輸，并將串行總線置于高阻抗狀態(tài)。在cs保持低電平，所有已開始的數(shù)據(jù)傳輸操作必須完全完成。由于除整個期間復(fù)位之外，沒有其他方式使ade7758返回通訊狀態(tài)，所以必須傳輸各寄存器的lsb，復(fù)位的方法是運用opmode寄存器的6位進行軟件復(fù)位。ade7758的功能通

43、過多個片內(nèi)寄存器實現(xiàn)。運用片內(nèi)串行接口可更新和讀取這些寄存器的內(nèi)存值。在cs的下降沿之后，ade7758被置于通訊模式。在通訊模式下，ade7758應(yīng)將之前的通訊內(nèi)容寫入內(nèi)部通訊寄存器中。寫入通訊寄存器中的數(shù)字包含即將讀取或?qū)懭胫噶畹南乱粩?shù)據(jù)傳輸?shù)牡刂泛吞卣?。因此，無論讀還是寫，ade7758的所有數(shù)據(jù)傳輸操作必須以向通訊寄存器中寫入指令開始。通訊寄存器為一個8位只寫寄存器。msb確定下一數(shù)據(jù)傳輸為讀取還是寫入。七個lsb包含有將訪問的寄存器的地址。圖5-1和5-2分別顯示了讀寫操作的數(shù)據(jù)傳輸順序10： 圖5-1 通過串行接口從ade7758讀取數(shù)據(jù) 圖5-2 通過串行接口從ade7758寫入

44、數(shù)據(jù) 串行寫入操作時序圖見圖5-3。在ade7758處于通訊模式且cs輸出為低電平時，先向通訊寄存器中寫入。該字節(jié)傳輸?shù)膍sb必須為1，表示下一數(shù)據(jù)傳輸操作為向寄存器中寫入。該字節(jié)的七個lsb包含有將寫入的寄存器的地址。ade7758在sclk的下一個下降沿時開始轉(zhuǎn)移寄存器數(shù)據(jù)。寄存器的剩余位在隨后的sclk脈沖的下降沿傳輸。在ade7758的數(shù)據(jù)寫入過程中，數(shù)據(jù)以每次一字節(jié)的方式傳輸?shù)剿衅瑑?nèi)寄存器。在一個字節(jié)傳入串口時，在串口緩沖器上的數(shù)字傳入ade7758的一個寄存器之前有一個限定的時間。盡管在一個字節(jié)正在向目標寄存器傳輸時，可以同時開始另外一個字節(jié)的傳輸，第二個字節(jié)的傳輸在第一個字節(jié)傳

45、輸完成前至少900ns內(nèi)不應(yīng)該結(jié)束。如果一個寫入操作在一個字節(jié)傳輸過程中中斷，那么該字節(jié)將不寫入目標寄存器。 圖5-3 串口寫入時序圖 串行讀取操作時序如圖5-4。再從ade7758中進行讀取操作時，在sclk的上升沿，數(shù)據(jù)在dout邏輯端移出。對于ade7758在通訊模式且為cs低電平時，必須先向通訊寄存器寫入一個8位的命令字節(jié)。該字節(jié)的msb必須為0，表示下一個數(shù)據(jù)傳輸操作位讀取數(shù)據(jù)。這個字節(jié)的七個lsb包括將要讀取的寄存器的地址。ade7758在sclk的下一個上升沿移出寄存器數(shù)據(jù)。在這一點上，dout邏輯輸出從高阻抗狀態(tài)切換到開始驅(qū)動數(shù)據(jù)總線。寄存器數(shù)據(jù)的所有剩余位在下一個sclk脈沖

46、的下降沿進入高阻抗狀態(tài)。在數(shù)據(jù)傳輸完成前，將cs邏輯輸出變?yōu)楦唠娖娇梢灾袛嘧x取操作。dout輸出在cs上升沿進入高阻抗狀態(tài)。 圖5-4串口讀取時序圖 5.2 中斷 ade7758中斷通過中斷狀態(tài)寄存器（status)和中斷屏蔽寄存器（mask)進行控制。當ade7758中發(fā)生中斷時，中斷狀態(tài)寄存器中響應(yīng)的標志置于1。如果此次中斷在中斷屏蔽寄存器中的屏蔽位為1,irq邏輯輸出變?yōu)榈碗娖健Ｖ袛酄顟B(tài)寄存器的標志位設(shè)置為與屏蔽位狀態(tài)無關(guān)。為確定中斷源，處理器應(yīng)通過讀取操作復(fù)位中斷狀態(tài)寄存器來實現(xiàn)。這是通過從rstatus（irq復(fù)位中斷寄存器）中讀數(shù)實現(xiàn)的。在完成中斷狀態(tài)寄存器的讀取指令后，irq輸出

47、變?yōu)楦唠娖?。在進行“讀后復(fù)位”時，ade7758設(shè)計為確保不丟失任何中斷事件。如果中斷事件發(fā)生在中斷寄存器正在讀取時，中斷事件也不會丟失，在再次變?yōu)楸硎局袛辔赐瓿傻牡碗娖街埃琲rq邏輯輸出將在中斷狀態(tài)寄存器數(shù)據(jù)傳輸期內(nèi)保證邏輯高電平。注意，狀態(tài)寄存器中的復(fù)位中斷位只在一個時鐘循環(huán)中為高電平，然后回零。中斷管理時序見圖5-5。 圖5-5 ade7758中斷管理 ade7758中斷時序見圖5-6。當輸出變?yōu)榈碗娖綍r，處理器的isr必須讀取中斷狀態(tài)寄存器，以確定中斷源。當讀取中斷狀態(tài)寄存器內(nèi)存數(shù)字時，輸出在第一位傳輸?shù)膕clk下降沿置為高電平。輸出在第二個8位傳輸?shù)淖詈笠晃灰瞥鲋笆冀K保持高電平，

48、如圖3-5所示。如果此時中斷未完成，輸出將再次變?yōu)榈碗娖?。如果沒有未完成的中斷，則輸出保持高電平。 圖5-6 ade7758中斷時序圖5.3 初始化ade7758的具體實現(xiàn)方法11只需訪問ade7758相應(yīng)的寄存器即可完成對ade7758的初始化。初始化ade7758，需先置位操作模式寄存器(0x13)的swrst，進行軟件復(fù)位，然后再置位中斷屏蔽寄存器(0x18)，打開相應(yīng)的中斷，根據(jù)校準時存入鐵電存儲器的校準值，依次寫入圖5-7所示的各校準寄存器中。 圖5-7 將校準值寫入寄存器中的流程圖 5.3.電流、電壓有效值測量的軟件開發(fā) ade7758內(nèi)部電流通道可以直接實現(xiàn)電流有效值的測量，其具

49、體測量流程如圖5-5所示: 圖5-5 電流有效值測量流程圖 在本設(shè)計中，通過讀取airms、birms、cirms實現(xiàn)各相有效值的讀取。因為需要進行波形采樣處理，所以需要進行對wavmode寄存器的寫操作，測量時的設(shè)置方法如下圖所示。電壓有效值的測量與電流有效值測量方法相似，故不再贅述。 5.3.1 有功電能測量的軟件設(shè)置 由有功功率的計算知道，有功功率等于瞬時功率p(t)的直流分量，在ade7758中的各相都依此計算有功功率。ade7758芯片內(nèi)部計算有功電能的數(shù)據(jù)處理進程如下：電流信號首先濾除直流分量，經(jīng)過數(shù)字積分器后，與電壓信號相乘得到瞬時功率 p(t)，各相(a，b和c相)瞬時有功功率

50、信號的直流分量隨后通過低通濾波器，從相應(yīng)的有功功率寄存器(awatthr，bwatthr，cwatthr)再經(jīng)過累加器獲得各相的平均有功功率，通過設(shè)置功率放大和功率觸發(fā)寄存器可調(diào)校平均功率值，最后由累加器累計有功電能，存入電能寄存器。各有功功率寄存器的輸入可以在累加模式設(shè)置中改變。有功電能也有補償寄存器進行調(diào)整awattos,bwattos和cwattos。有功電能測量設(shè)置方式如下12： 圖5-6 有功電能測量設(shè)置方式 第六章 系統(tǒng)運行和調(diào)試6.1 使用nioside建立用戶程序 將啟動nios 集成開發(fā)環(huán)境來建立和編譯一個簡單的電能計量c語言程序。在創(chuàng)建用戶程序時，必須用到第四章節(jié)生成的ade7758.ptf文件。6.1.1 創(chuàng)建一個新的c應(yīng)用工程13 啟動一個新的c應(yīng)用工程時，nioside需要使用sopc builder系統(tǒng)文件（.ptf）。在目標硬件上運行和調(diào)試應(yīng)用工程之前，軟件設(shè)計者需要先使用f