三相多功能電能表的設(shè)計

1、指導教師評定成績(五級制：指導教師簽字：附件 C ：譯文 三相多功能電能表的設(shè)計摘要：本文通過對以往電能表產(chǎn)品的分析，提出了高精度三相多功能電能表的設(shè)計方案，0.02 SB1300電能表是根據(jù)已經(jīng)批準的寬范圍和多用途的標準電子式電能表產(chǎn)品而設(shè)計的。本文探討了高精度多功能電能表的模擬通道設(shè)計，采樣電路設(shè)計，信號處理和控制電路設(shè)計，以及系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)設(shè)計的方法及特點，介紹了基于ARM和DSP的三相多功能電能表的設(shè)計方案，并探討了有關(guān)電能表關(guān)鍵部件設(shè)計的問題。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)市場上多功能電能表的品種有限，價格高，功能不完善，多是針對特殊應(yīng)用領(lǐng)域設(shè)計的，而不能普遍使用，且一些產(chǎn)品低于國家標準。在本文中，一個多用途的高精度標準電子式電能表的設(shè)計將解決這些問題。如今，一些外國公司采取了國內(nèi)市場的0.02（及以上）寬范圍和多用途標準電能表。鑒于實際需求，本文基于0.05標準電能表的設(shè)計而設(shè)計了一款新的0.02 SB1300三相寬范圍和多功能的標準電子式電能表。本文設(shè)計的電能表應(yīng)用了DSP和大范圍測量技術(shù)，并使用了ARM作為其核心處理器，測量誤差0.02。在結(jié)構(gòu)上，采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，包括模塊化通道板，信號采集板，測量計算板，核心控制器板，并且采用先進的大型集成電路。因此

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

4、ARM ISA總線。 ARM來對這些結(jié)果進行處理并實現(xiàn)人機交互和每一個測量功能。2.2 測量原理這里用到了面積取樣法，同樣插值法在采樣點的正值與負值間得到了應(yīng)用。通過逐次逼近方法，能夠發(fā)現(xiàn)零點。這零點和第一次的采樣面積之間的時間已經(jīng)獲得，測量信號的頻率在一個周期的采樣點的基礎(chǔ)上可以計算。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)場取樣的使用會導致額外的誤差，窗口功能可用于消除這種誤差。當波形失真時，波動幅度和諧波相位就能夠測量，然后就可以繪制出頻譜曲線。3模擬通道設(shè)計3.1 模擬采樣通道本文中，六個通道同時有電流輸入，且六個通道電壓和電流信號輸入到模擬通道。輸入電壓通道采用電阻分壓

5、器電路，可調(diào)增益放大器用于實現(xiàn)當電壓通道發(fā)生變化時，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)點是，它可以在相當長的時間跨度里可靠地工作在線性區(qū)域，其缺點是線性區(qū)域是有限的。在本文中，在電流傳感器采樣中采用電子補償及轉(zhuǎn)換電路，還有非線性補償電路，它可以延長電流傳感器的線性區(qū)域。不像通常的設(shè)計那樣單獨使用各自的端口，所有的SB1300都便利的共享一個端口。轉(zhuǎn)換時要用到保護電路，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)計還有一個非常重要的量程銜接問題。由于電流輸入范圍為50mA到120mA，在寬量程標準表內(nèi)的此量程范圍都是由若干個量程銜接起來

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，從而在所有的測量量程都能確保范圍連接的緊密性并能提高準確度。3.3 相位補償由于每相電壓、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有所變化，使其信號在傳遞過程中發(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行相位修正，實現(xiàn)功率因數(shù)匹配。采用軟件匹配相位方案，根據(jù)實際測得的相位選取補償量。這種方案不能作到無級補償，且電能功率準確度依賴于相位測量準確度。在本文中采用了硬件補償方案，使補償對所有的測量點更加準確有效，避免了軟件補償方案的硬缺陷。4采樣電路A/D

7、采樣電路的設(shè)計是數(shù)字乘法器非常關(guān)鍵的一步，它直接影響模型測量的穩(wěn)定性，線性度，噪聲水平，及每一個功能實現(xiàn)。 SB1300標準電能表采用數(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，并引導模式外部電容HC（MF）在其運作。當采樣開關(guān)SIH處在高輸入水平時開關(guān)開啟。6個通道通過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。模擬信號轉(zhuǎn)換數(shù)字離散信號時轉(zhuǎn)換器A/D會帶來量化誤差。轉(zhuǎn)換器的數(shù)字越小，相鄰量化類間的差異就會越大，因此量化誤差就越大。為了使A/D采樣電路對測量回

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需要從外部提供。SAMPLE是采樣的啟動信號，CP時鐘信號由A/D轉(zhuǎn)換器提供，CLA矯正開始信號。所有三個信號都需要從外部提供。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)計的關(guān)鍵，也是首要問題。擾動主要來源是開關(guān)噪聲，高頻數(shù)字信號傳輸中產(chǎn)生的高擾動也應(yīng)該盡量減少。目前集成A/D芯片大都帶有片內(nèi)基準，但片內(nèi)基準的

9、溫度穩(wěn)定性較差，不適于高精度標準表。瞬時功率信號通過數(shù)字乘法器采用電壓信號和電流信號相乘的方法得到。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，一個周期內(nèi)采樣點的分布應(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)換的實質(zhì)是比較模擬電壓與基準電壓的大小然后確定圖像。轉(zhuǎn)換器AD677使用外部基準，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)字信號噪聲對A/D轉(zhuǎn)換器的干擾問題，實際上是如何處理好數(shù)字地與模擬地的連接問題，這也是標準電能表等級評價的一個重要依據(jù)。

10、4.3 相位補償接地信號傳輸為確保數(shù)字地和模擬地的連接，即，高電壓信號輸入和內(nèi)部電路之間的絕緣，轉(zhuǎn)換器AD677接地信號傳輸采用孤立地設(shè)計方案，如圖3。接地信號傳輸?shù)膽?yīng)用可降低對輸入采樣信號的干擾和雜波同時可以提高測量精度。圖3 浮地設(shè)計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。當它處于較低水平，數(shù)據(jù)輸入以并行輸入的方式。當在較高水平，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移。 CLK為移位時鐘脈沖，數(shù)據(jù)移動一位上升沿移動一個條目。如果兩片74HC165系列芯片一起工作，一個16位的移位寄存器可以實現(xiàn)。5非電路測量計算和控制電路設(shè)計5.1 測量計算電路設(shè)計DSP

11、，數(shù)字信號處理器，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算。 DSP采用多總線結(jié)構(gòu)和流水線架構(gòu)。它使用幾個加工單位和硬件乘法器。多用途電能表主要有兩種設(shè)計方案：一個是電能計量芯片+MCU另一個是A/D轉(zhuǎn)換芯片+ DSP+ ARM的。在后者，A/D芯片和DSP進行數(shù)據(jù)采樣并完成其他復(fù)雜的功能，實現(xiàn)電能測量功能，而ARM執(zhí)行記憶，展示，交流等功能。這種設(shè)計方案難以實現(xiàn)，但它具有較強的可擴展性和較高的測量精度和可通過復(fù)雜的數(shù)據(jù)執(zhí)行許多功能處理。所以，這篇設(shè)計采用這個方案。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算的核心部分。

12、DSP用于運行數(shù)據(jù)處理，因為A/D能收集到大量的數(shù)據(jù)。 DSP可以完成快速數(shù)據(jù)校正和補償處理，使系統(tǒng)非線性失真，產(chǎn)生標準的能量脈沖輸入信號，并執(zhí)行32位的浮點運算。5.2 控制電路設(shè)計如今，每一個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。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。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)備如移動電話。因此，嵌入式ARM 7通過控制電路實現(xiàn)人和機器的交互，以控制DSP的工作方案，以及與上位機的通訊，并執(zhí)行系統(tǒng)維修等。數(shù)據(jù)存儲在網(wǎng)絡(luò)電能表特殊的數(shù)據(jù)安全存儲區(qū)域，使用快閃記憶體來儲存能量數(shù)據(jù)。在比較上，ARM的閃存具有更快的存儲速度和讀寫能力。 ARM主板安裝有CPU，內(nèi)存，集成鍵盤接口，顯示設(shè)備接口，打印機接口，串行通信接口電路。ARM和DSP之間通過ISA總線進行數(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器。6界面設(shè)計接口部分是連接內(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，動人的光接口等。RS - 485串口接口是鑒別的標準并具有許多優(yōu)點如傳輸距離遠，抗干擾能力，快速，簡便的安裝和擴展功能，和多傳動系統(tǒng)在裝載設(shè)備。因此，多功能標準電能表在國內(nèi)市場主要采用RS - 485接口和調(diào)制紅外接口。它符合我省的多用途標準電能表的技術(shù)標準即多功能標準電能表必須使用RS - 485接口和調(diào)制紅外接口，且這兩個必須是獨立的、互不干擾。出于對今后的工作和管理需求的考慮，對重要用戶，采集終端需要連接，兩根獨立的RS - 4

15、85接口和調(diào)制的紅外接口應(yīng)適用。本文在此提出標準電能表，采取了保護措施，如隔離電源，過流保護，過壓保護，與外界隔絕輸出等。為了進一步確保根據(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)測許多公司提供的多功能標準能量表，我們省建立通信協(xié)議來測量系統(tǒng)單獨運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，以及測試的實現(xiàn)的功能項目。測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)計如今，高品位的標準電能表在長期穩(wěn)定性和溫度穩(wěn)定性的方面有著嚴格標準。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，并嚴格按照測量標準和長期的高溫度測量標準以便有效地解決溫差帶來的影響。與此同時，其他部分的設(shè)計，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電源供應(yīng)器，一部分電流會通過模塊間的信號線回流到電源部分從而產(chǎn)生電壓失真。當使用小信號傳輸線時這種失真尤其明顯。應(yīng)給予系統(tǒng)的地線設(shè)計特殊關(guān)注，因為它是非常重要的。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)擴大和增加以避免邏輯錯誤和電壓降。同時，如果電流是通過模擬電路相連，數(shù)字點和模擬點必須由一個點相連。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系統(tǒng)的運作的穩(wěn)定性和平穩(wěn)性。高效率，低消費的電壓調(diào)節(jié)器及其他相關(guān)設(shè)備應(yīng)根據(jù)實際需求應(yīng)用于系統(tǒng)中的電源設(shè)計中。同時，關(guān)于熱耗減少的重要問題，多級電源通常應(yīng)用在電源供應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計中。8結(jié)論SB1300三相寬范圍和多用途標準電能表采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，包括模擬信號的模塊，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)每個功能模塊獨立的調(diào)整和測