三相多功能電能表的設(shè)計(jì)

1、指導(dǎo)教師評(píng)定成績(五級(jí)制：指導(dǎo)教師簽字：附件 C ：譯文 三相多功能電能表的設(shè)計(jì)摘要：本文通過對(duì)以往電能表產(chǎn)品的分析，提出了高精度三相多功能電能表的設(shè)計(jì)方案，0.02 SB1300電能表是根據(jù)已經(jīng)批準(zhǔn)的寬范圍和多用途的標(biāo)準(zhǔn)電子式電能表產(chǎn)品而設(shè)計(jì)的。本文探討了高精度多功能電能表的模擬通道設(shè)計(jì)，采樣電路設(shè)計(jì)，信號(hào)處理和控制電路設(shè)計(jì)，以及系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法及特點(diǎn)，介紹了基于ARM和DSP的三相多功能電能表的設(shè)計(jì)方案，并探討了有關(guān)電能表關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)的問題。關(guān)鍵詞：三相電能表;模塊化結(jié)構(gòu); DSP;電能表ARM;設(shè)計(jì)方案1引言隨著電力行業(yè)改革的深化，工業(yè)三相多功能高精度電能表的需求迅速增加。在目前，國

2、內(nèi)市場(chǎng)上多功能電能表的品種有限，價(jià)格高，功能不完善，多是針對(duì)特殊應(yīng)用領(lǐng)域設(shè)計(jì)的，而不能普遍使用，且一些產(chǎn)品低于國家標(biāo)準(zhǔn)。在本文中，一個(gè)多用途的高精度標(biāo)準(zhǔn)電子式電能表的設(shè)計(jì)將解決這些問題。如今，一些外國公司采取了國內(nèi)市場(chǎng)的0.02（及以上）寬范圍和多用途標(biāo)準(zhǔn)電能表。鑒于實(shí)際需求，本文基于0.05標(biāo)準(zhǔn)電能表的設(shè)計(jì)而設(shè)計(jì)了一款新的0.02 SB1300三相寬范圍和多功能的標(biāo)準(zhǔn)電子式電能表。本文設(shè)計(jì)的電能表應(yīng)用了DSP和大范圍測(cè)量技術(shù)，并使用了ARM作為其核心處理器，測(cè)量誤差0.02。在結(jié)構(gòu)上，采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括模塊化通道板，信號(hào)采集板，測(cè)量計(jì)算板，核心控制器板，并且采用先進(jìn)的大型集成電路。因此

3、，新電能表具有許多優(yōu)點(diǎn)：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行可靠，良好的人機(jī)交互界面，重量輕，體積小，可以長期應(yīng)用于工作領(lǐng)域以及實(shí)驗(yàn)室。2設(shè)計(jì)原則2.1 工作原理三相寬范圍和多用途標(biāo)準(zhǔn)電子式電能表的設(shè)計(jì)原理如圖表所示:圖1 三相寬范圍和多用途標(biāo)準(zhǔn)電子式電能表的設(shè)計(jì)原理模擬信道變化和測(cè)量信號(hào)的分離：測(cè)量電壓由精度電壓傳感器采樣，測(cè)量電流由電流傳感器采樣并轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。模擬信道還執(zhí)行通道的自動(dòng)切換功能。信號(hào)采集電路主要采用16位A/D轉(zhuǎn)換器，能夠同時(shí)獲得6個(gè)測(cè)量信號(hào)的采樣結(jié)果，并對(duì)每個(gè)電壓信號(hào)和電流信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并最終通過串行方式發(fā)送到DSP。測(cè)量計(jì)算電路主要采用DSP，能夠高速的對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行處理并將結(jié)果發(fā)送到

4、ARM ISA總線。 ARM來對(duì)這些結(jié)果進(jìn)行處理并實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互和每一個(gè)測(cè)量功能。2.2 測(cè)量原理這里用到了面積取樣法，同樣插值法在采樣點(diǎn)的正值與負(fù)值間得到了應(yīng)用。通過逐次逼近方法，能夠發(fā)現(xiàn)零點(diǎn)。這零點(diǎn)和第一次的采樣面積之間的時(shí)間已經(jīng)獲得，測(cè)量信號(hào)的頻率在一個(gè)周期的采樣點(diǎn)的基礎(chǔ)上可以計(jì)算。應(yīng)用傅里葉變換來衡量的活躍度和無功功率。由于沒有同步現(xiàn)場(chǎng)取樣的使用會(huì)導(dǎo)致額外的誤差，窗口功能可用于消除這種誤差。當(dāng)波形失真時(shí)，波動(dòng)幅度和諧波相位就能夠測(cè)量，然后就可以繪制出頻譜曲線。3模擬通道設(shè)計(jì)3.1 模擬采樣通道本文中，六個(gè)通道同時(shí)有電流輸入，且六個(gè)通道電壓和電流信號(hào)輸入到模擬通道。輸入電壓通道采用電阻分壓

5、器電路，可調(diào)增益放大器用于實(shí)現(xiàn)當(dāng)電壓通道發(fā)生變化時(shí)，電壓能夠始終滿足A/D轉(zhuǎn)換器采樣輸入的要求水平。A/D轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點(diǎn)是，它可以在相當(dāng)長的時(shí)間跨度里可靠地工作在線性區(qū)域，其缺點(diǎn)是線性區(qū)域是有限的。在本文中，在電流傳感器采樣中采用電子補(bǔ)償及轉(zhuǎn)換電路，還有非線性補(bǔ)償電路，它可以延長電流傳感器的線性區(qū)域。不像通常的設(shè)計(jì)那樣單獨(dú)使用各自的端口，所有的SB1300都便利的共享一個(gè)端口。轉(zhuǎn)換時(shí)要用到保護(hù)電路，以避免輸入端口空值和小的電流繞組損壞。3.2 量程變換在高精度寬量程表的設(shè)計(jì)還有一個(gè)非常重要的量程銜接問題。由于電流輸入范圍為50mA到120mA，在寬量程標(biāo)準(zhǔn)表內(nèi)的此量程范圍都是由若干個(gè)量程銜接起來

6、的。其工作范圍是線性最佳量程的40-120，其誤差變化曲線幾乎是一條直線，從而在所有的測(cè)量量程都能確保范圍連接的緊密性并能提高準(zhǔn)確度。3.3 相位補(bǔ)償由于每相電壓、電流有不同的相位差，互感器各檔的阻抗特性也有差異，因此模擬通道各檔位之間阻抗會(huì)有所變化，使其信號(hào)在傳遞過程中發(fā)生不同的相移，其結(jié)果造成不同通道不同檔位之間相位差異。因此交流電能表需要進(jìn)行相位修正，實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)匹配。采用軟件匹配相位方案，根據(jù)實(shí)際測(cè)得的相位選取補(bǔ)償量。這種方案不能作到無級(jí)補(bǔ)償，且電能功率準(zhǔn)確度依賴于相位測(cè)量準(zhǔn)確度。在本文中采用了硬件補(bǔ)償方案，使補(bǔ)償對(duì)所有的測(cè)量點(diǎn)更加準(zhǔn)確有效，避免了軟件補(bǔ)償方案的硬缺陷。4采樣電路A/D

7、采樣電路的設(shè)計(jì)是數(shù)字乘法器非常關(guān)鍵的一步，它直接影響模型測(cè)量的穩(wěn)定性，線性度，噪聲水平，及每一個(gè)功能實(shí)現(xiàn)。 SB1300標(biāo)準(zhǔn)電能表采用數(shù)字乘法器調(diào)整所有的電路，并確保產(chǎn)品的一致性。4.1 LF398采樣和保持電路LF398是采樣和保持電路，并引導(dǎo)模式外部電容HC（MF）在其運(yùn)作。當(dāng)采樣開關(guān)SIH處在高輸入水平時(shí)開關(guān)開啟。6個(gè)通道通過A/D轉(zhuǎn)換器SB1300的采樣方案同步采樣以避免一些設(shè)計(jì)方案中缺陷引發(fā)的誤差。圖2 采樣電路采樣電路原理是顯示在圖2。模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換數(shù)字離散信號(hào)時(shí)轉(zhuǎn)換器A/D會(huì)帶來量化誤差。轉(zhuǎn)換器的數(shù)字越小，相鄰量化類間的差異就會(huì)越大，因此量化誤差就越大。為了使A/D采樣電路對(duì)測(cè)量回

8、路的影響減少，采用高的輸入阻抗，在輸入和輸出電路中采用轉(zhuǎn)換器，而低輸出阻抗不影響以后電路。4.2 AD677的（A/D）轉(zhuǎn)換模塊AD677是16位串行轉(zhuǎn)換器，有100Ksps的采樣率并有16位高速芯片作為輔助芯片。A/D轉(zhuǎn)換器采用非線性校正電路和開始脈沖信號(hào)需要從外部提供。SAMPLE是采樣的啟動(dòng)信號(hào)，CP時(shí)鐘信號(hào)由A/D轉(zhuǎn)換器提供，CLA矯正開始信號(hào)。所有三個(gè)信號(hào)都需要從外部提供。該電路分為兩部分：模擬部分A和數(shù)字部分D。選擇A/D轉(zhuǎn)換器是A/D電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，也是首要問題。擾動(dòng)主要來源是開關(guān)噪聲，高頻數(shù)字信號(hào)傳輸中產(chǎn)生的高擾動(dòng)也應(yīng)該盡量減少。目前集成A/D芯片大都帶有片內(nèi)基準(zhǔn)，但片內(nèi)基準(zhǔn)的

9、溫度穩(wěn)定性較差，不適于高精度標(biāo)準(zhǔn)表。瞬時(shí)功率信號(hào)通過數(shù)字乘法器采用電壓信號(hào)和電流信號(hào)相乘的方法得到。為了避免出現(xiàn)并行硬件乘法器需要太大的硬件資源，在這里采用一個(gè)順序迭代乘數(shù)的方法。為了得到較高的精度，應(yīng)該采用合適的采樣頻率，一個(gè)周期內(nèi)采樣點(diǎn)的分布應(yīng)該是平均的。產(chǎn)生的誤差電壓用于調(diào)節(jié)振蕩頻率并通過PLL電路執(zhí)行A/D轉(zhuǎn)換。A/D轉(zhuǎn)換的實(shí)質(zhì)是比較模擬電壓與基準(zhǔn)電壓的大小然后確定圖像。轉(zhuǎn)換器AD677使用外部基準(zhǔn)，其中具有恒溫槽。這種芯片具有較高的長期穩(wěn)定性和較好的溫度特性。至于數(shù)字信號(hào)噪聲對(duì)A/D轉(zhuǎn)換器的干擾問題，實(shí)際上是如何處理好數(shù)字地與模擬地的連接問題，這也是標(biāo)準(zhǔn)電能表等級(jí)評(píng)價(jià)的一個(gè)重要依據(jù)。

10、4.3 相位補(bǔ)償接地信號(hào)傳輸為確保數(shù)字地和模擬地的連接，即，高電壓信號(hào)輸入和內(nèi)部電路之間的絕緣，轉(zhuǎn)換器AD677接地信號(hào)傳輸采用孤立地設(shè)計(jì)方案，如圖3。接地信號(hào)傳輸?shù)膽?yīng)用可降低對(duì)輸入采樣信號(hào)的干擾和雜波同時(shí)可以提高測(cè)量精度。圖3 浮地設(shè)計(jì)4.4 移位寄存器74HC16574HC165是8位的移位寄存器，可用于串行或并行輸入。 D是轉(zhuǎn)變控制器。當(dāng)它處于較低水平，數(shù)據(jù)輸入以并行輸入的方式。當(dāng)在較高水平，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移。 CLK為移位時(shí)鐘脈沖，數(shù)據(jù)移動(dòng)一位上升沿移動(dòng)一個(gè)條目。如果兩片74HC165系列芯片一起工作，一個(gè)16位的移位寄存器可以實(shí)現(xiàn)。5非電路測(cè)量計(jì)算和控制電路設(shè)計(jì)5.1 測(cè)量計(jì)算電路設(shè)計(jì)DSP

11、，數(shù)字信號(hào)處理器，是一種特殊的單芯片微控制器。它具有很高的處理速度特別適用于高速計(jì)算。 DSP采用多總線結(jié)構(gòu)和流水線架構(gòu)。它使用幾個(gè)加工單位和硬件乘法器。多用途電能表主要有兩種設(shè)計(jì)方案：一個(gè)是電能計(jì)量芯片+MCU另一個(gè)是A/D轉(zhuǎn)換芯片+ DSP+ ARM的。在后者，A/D芯片和DSP進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣并完成其他復(fù)雜的功能，實(shí)現(xiàn)電能測(cè)量功能，而ARM執(zhí)行記憶，展示，交流等功能。這種設(shè)計(jì)方案難以實(shí)現(xiàn)，但它具有較強(qiáng)的可擴(kuò)展性和較高的測(cè)量精度和可通過復(fù)雜的數(shù)據(jù)執(zhí)行許多功能處理。所以，這篇設(shè)計(jì)采用這個(gè)方案。為了能夠繪制一張表，有必要采取A/D轉(zhuǎn)換芯片+ DSP方案，其中DSP是多功能電能表能源計(jì)算的核心部分。

12、DSP用于運(yùn)行數(shù)據(jù)處理，因?yàn)锳/D能收集到大量的數(shù)據(jù)。 DSP可以完成快速數(shù)據(jù)校正和補(bǔ)償處理，使系統(tǒng)非線性失真，產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的能量脈沖輸入信號(hào)，并執(zhí)行32位的浮點(diǎn)運(yùn)算。5.2 控制電路設(shè)計(jì)如今，每一個(gè)電能儀表公司都是在各種網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上研究電能表的，如RS 485總線抄表系統(tǒng)，電力線載波系統(tǒng)，以太網(wǎng)技術(shù)等等。以太網(wǎng)技術(shù)采用以太網(wǎng)作為傳輸介質(zhì)的方式，具有速度快，可靠性好的優(yōu)點(diǎn)。TCP/IP在以太網(wǎng)的應(yīng)用有助于其結(jié)構(gòu)簡單，傳輸范圍廣，通用性好，安全等優(yōu)點(diǎn)。本文提出了電能表采用以太網(wǎng)作為傳輸介質(zhì)，不僅能夠完成用戶的電能數(shù)據(jù)處理，也適用TCP/IP協(xié)議，通過嵌入式操作系統(tǒng)管理整個(gè)系統(tǒng)的操作。ARM 7系列廣

13、泛應(yīng)用于多媒體和嵌入式設(shè)備，包括網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和現(xiàn)代設(shè)備，及無線設(shè)備如移動(dòng)電話。因此，嵌入式ARM 7通過控制電路實(shí)現(xiàn)人和機(jī)器的交互，以控制DSP的工作方案，以及與上位機(jī)的通訊，并執(zhí)行系統(tǒng)維修等。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在網(wǎng)絡(luò)電能表特殊的數(shù)據(jù)安全存儲(chǔ)區(qū)域，使用快閃記憶體來儲(chǔ)存能量數(shù)據(jù)。在比較上，ARM的閃存具有更快的存儲(chǔ)速度和讀寫能力。 ARM主板安裝有CPU，內(nèi)存，集成鍵盤接口，顯示設(shè)備接口，打印機(jī)接口，串行通信接口電路。ARM和DSP之間通過ISA總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。為了節(jié)省微處理器110的接口資源和簡化編程， ARM 7微處理器控制信號(hào)可以通過數(shù)據(jù)總線控制訪問液晶顯示模塊的外部存儲(chǔ)器。6界面設(shè)計(jì)接口部分是連接內(nèi)

14、部電能表電路和外部電路的唯一通道，其可靠性直接影響電能表的性能。在通信方面，多用途電電能表具有各種物理接口，如RS-485接口，RS-232接口，調(diào)制的紅外接口，動(dòng)人的光接口等。RS - 485串口接口是鑒別的標(biāo)準(zhǔn)并具有許多優(yōu)點(diǎn)如傳輸距離遠(yuǎn)，抗干擾能力，快速，簡便的安裝和擴(kuò)展功能，和多傳動(dòng)系統(tǒng)在裝載設(shè)備。因此，多功能標(biāo)準(zhǔn)電能表在國內(nèi)市場(chǎng)主要采用RS - 485接口和調(diào)制紅外接口。它符合我省的多用途標(biāo)準(zhǔn)電能表的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)即多功能標(biāo)準(zhǔn)電能表必須使用RS - 485接口和調(diào)制紅外接口，且這兩個(gè)必須是獨(dú)立的、互不干擾。出于對(duì)今后的工作和管理需求的考慮，對(duì)重要用戶，采集終端需要連接，兩根獨(dú)立的RS - 4

15、85接口和調(diào)制的紅外接口應(yīng)適用。本文在此提出標(biāo)準(zhǔn)電能表，采取了保護(hù)措施，如隔離電源，過流保護(hù)，過壓保護(hù)，與外界隔絕輸出等。為了進(jìn)一步確保根據(jù)通信，應(yīng)確定傳輸速度。電能表的紅外接口使用1200 bqs的傳輸速度。速度將改動(dòng)如果接收到從主站的改造秩序。否則，如果沒有通信秩序，已收到500毫秒，電能表恢復(fù)1200 bqs的傳輸速度。監(jiān)測(cè)許多公司提供的多功能標(biāo)準(zhǔn)能量表，我們省建立通信協(xié)議來測(cè)量系統(tǒng)單獨(dú)運(yùn)行和同步操作界面和調(diào)制的紅外遙感- 485接口。來衡量信息傳輸通道和信息交換協(xié)議，以及測(cè)試的實(shí)現(xiàn)的功能項(xiàng)目。測(cè)量有助于公司以改善其不合格零件，確保這些儀表公司的通信協(xié)議符合技術(shù)法規(guī)。7系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與電源供

16、應(yīng)設(shè)計(jì)如今，高品位的標(biāo)準(zhǔn)電能表在長期穩(wěn)定性和溫度穩(wěn)定性的方面有著嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)。在制造業(yè)，A/D基礎(chǔ)芯片的關(guān)鍵部件應(yīng)具有良好的溫度穩(wěn)定性，并嚴(yán)格按照測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)和長期的高溫度測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)以便有效地解決溫差帶來的影響。與此同時(shí)，其他部分的設(shè)計(jì)，如電源系統(tǒng)，接地系統(tǒng)，溫度平衡系統(tǒng)等，也是非常重要的。由于所有的功能模塊共享一個(gè)電源供應(yīng)器，一部分電流會(huì)通過模塊間的信號(hào)線回流到電源部分從而產(chǎn)生電壓失真。當(dāng)使用小信號(hào)傳輸線時(shí)這種失真尤其明顯。應(yīng)給予系統(tǒng)的地線設(shè)計(jì)特殊關(guān)注，因?yàn)樗欠浅Ｖ匾?。首先，安排的電線必須是合適的，以便從模擬電路模塊所產(chǎn)生的電流失真對(duì)其他模塊芯片和電力設(shè)備的影響可以減少到最大。數(shù)字電路的接地線也應(yīng)擴(kuò)大和增加以避免邏輯錯(cuò)誤和電壓降。同時(shí)，如果電流是通過模擬電路相連，數(shù)字點(diǎn)和模擬點(diǎn)必須由一個(gè)點(diǎn)相連。電源模塊是系統(tǒng)的核心部分，其穩(wěn)定性和可靠性決定了整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)作的穩(wěn)定性和平穩(wěn)性。高效率，低消費(fèi)的電壓調(diào)節(jié)器及其他相關(guān)設(shè)備應(yīng)根據(jù)實(shí)際需求應(yīng)用于系統(tǒng)中的電源設(shè)計(jì)中。同時(shí)，關(guān)于熱耗減少的重要問題，多級(jí)電源通常應(yīng)用在電源供應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中。8結(jié)論SB1300三相寬范圍和多用途標(biāo)準(zhǔn)電能表采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括模擬信號(hào)的模塊，ALD-DSP數(shù)據(jù)采樣模塊，控制模塊，RS485通信模塊，電源模塊和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模塊。結(jié)構(gòu)模塊化能夠?qū)崿F(xiàn)每個(gè)功能模塊獨(dú)立的調(diào)整和測(cè)