簡述電子式電參數(shù)測量儀結(jié)構(gòu)思考

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摘要:介紹了運用Atmage32控制器實現(xiàn)的電子式電參數(shù)測量儀。該測量儀可以將傳感器測得的電壓電流,經(jīng)過調(diào)理電路、AD裝換輸入控制器,通過軟件算法實現(xiàn)對電壓、電流、有功功率、功率因數(shù)、電量、頻率等電參數(shù)的實時測量和顯示。各測量參數(shù)精度符合實際需要,并且具有大負載斷電報警等人性化功能。

關(guān)鍵詞:單片機;電參數(shù);信號采樣;Atmage32

1背景簡介

目前比較常見的電子式電參數(shù)測量儀有兩種結(jié)構(gòu):一種是專用電力測量芯片DSP+MCU+AD;還有一種是普通型MCU+AD。

一種是采用專用的電力測量芯片DSP+MCU+AD結(jié)構(gòu)。目前比較常見的有ADI公司和ATmel公司提供的成套方案,這種結(jié)構(gòu)的最大特點了是簡化了系統(tǒng)的軟件設(shè)計,提高了電參數(shù)的計算精度。同時,系統(tǒng)的體積,功耗和可靠性的得到了明顯的提高。可以通過外圍電路和輔助軟件設(shè)計來擴展系統(tǒng)功能。但該方案整體價格較貴,不適用于對精度要求不是很高但對造價要求嚴格控制的產(chǎn)品。

另一種是采用普通型MCU+AD結(jié)構(gòu)。相對與第一個方案,該方案的硬件結(jié)構(gòu)上簡單了,但增加了軟件的任務(wù)量,對軟件的設(shè)計提出了更為嚴格的要求。但是該方案應(yīng)用具有較長的時間,擁有比較成熟的技術(shù)如:信號調(diào)理,信號采樣,參數(shù)計算的算法等。這種結(jié)構(gòu)還具有的另一個優(yōu)點是造價不高,適合作為一般精度產(chǎn)品開發(fā)的首選方案。

當(dāng)系統(tǒng)對電參數(shù)精度要求不是很高時,采用第二種完全可以滿足要求,且在價格上具有一定的優(yōu)勢。本文將描述基于單片機加AD傳感器的設(shè)計與實現(xiàn)。

2系統(tǒng)總體設(shè)計及分析

本系統(tǒng)是針對傳統(tǒng)型電參數(shù)儀設(shè)計的,帶有控制面板和顯示面板。控制器采用了ATmel公司推出的基于RISC結(jié)構(gòu)的AVR系列單片機Atmag32,負責(zé)數(shù)據(jù)的采集和處理還有人機交互的管理。電壓信號傳感器選用美國貝爾技術(shù)有限公司生產(chǎn)的NV600。電流信號傳感器選用的是該公司的NC1系列的高精度霍爾電流傳感器。人機交互硬件是以周立功公司的ZLG7289為中心,配以操作按鈕和數(shù)碼管顯示電路。報警電路是由LED和蜂鳴器組成。主要完成的功能是:電壓信號,電流信號的采集;進行有功功率,功率因素和電量的計算;實現(xiàn)電參數(shù)值的實時顯示;大負載斷電報警功能以及打印功能。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1.1所示。

圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

本系統(tǒng)采用的是非同步采樣法。非同步采樣電路相對簡單,計算公式與硬件同步采樣相同,從原理上講精度不如硬件同步采樣。但是非同步采樣實現(xiàn)的限制因數(shù)更少,實際情況更接近理論精度,硬件同步采樣的精度優(yōu)勢相對下降。

3系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件從輸入到輸出可分為五大模塊:信號采集模塊、信號調(diào)理模塊,AD采樣與控制模塊,外設(shè)(按鍵及顯示)模塊,電源模塊。

3.1信號采集模塊

電壓傳感器選用的是NV-600型號的電壓互感器,可精確測量交流電壓,并提供了被測電壓與輸出信號的電氣隔離。。電流傳感器選用的是NC1系列的霍爾電流傳感器,該傳感器可精確測量交流電,線性度可以達到0.1%,并提供輸如電流和輸出信號的電氣隔離。

3.2信號調(diào)理模塊

在信號經(jīng)過傳感器測量獲得后,所得到的電壓、電流信號是無法被控制器直接識別的模擬量。并且這種模擬量存在諸多缺點,比如含有一些噪聲信號量(比如告高次諧波等)、測量誤差量,數(shù)值過小導(dǎo)致AD轉(zhuǎn)換時不能有效利用AD轉(zhuǎn)換器的滿量程,數(shù)值過大超過AD轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換量等等。針對上述問題,在電子式電參數(shù)測量儀的設(shè)計過程中,加入適當(dāng)?shù)恼{(diào)理電路和AD轉(zhuǎn)換器就顯得十分重要。

3.3AD輸入與控制模塊

系統(tǒng)采用了MAX1322作為AD轉(zhuǎn)換器,Atmega32作為控制器。MAX1324是MAXIM公司生產(chǎn)14位,2通道,同步采樣ADC轉(zhuǎn)換器。可提供±5V或0至+5V模擬出入范圍,可提供±16.5V的過壓保護,具有優(yōu)異的動態(tài)特性和直流精度。Atmega32是Atmel公司推出的AVR系列單片機,具有高達16MIPS的處理能力,同時具有2K的片內(nèi)SRAM,和1K的EEPROM,此外豐富的外設(shè)也是它的一個特點。

3.4外設(shè)(按鍵及顯示)模塊

由于單片機IO口資源有限,外設(shè)模塊占用CPU資源。本系統(tǒng)采用了周立功公司設(shè)計的ZLG7290I2C接口鍵盤及LED驅(qū)動器。該芯片采用串行總線接口,與控制器提供的TWI接口兼容,方便實現(xiàn)外設(shè)的控制。可驅(qū)動8位的共陰數(shù)碼管和64個按鍵,滿足系統(tǒng)的控制與顯示要求。

3.5電源模塊

為了不影響系統(tǒng)的檢測結(jié)果,系統(tǒng)電源沒有從電壓傳感器部分接入,而是選擇了外部自制電源。電源模塊由變壓器、整流橋、濾波電路及穩(wěn)壓芯片組成,提供了+5V給控制器,-15V給運算放大器,+15V給運算放大器及傳感器電壓電源。

4系統(tǒng)軟件設(shè)計

鑒于系統(tǒng)的實時性以及任務(wù)的數(shù)量不多,軟件采用了常用的前/后臺程序設(shè)計方案。軟件的主要功能主要分為三個部分:信號采樣,數(shù)據(jù)處理及電參數(shù)計算,按鍵處理及顯示。其中信號采樣是以一定頻率進行的,故在后臺運行。按鍵處理及顯示任務(wù)執(zhí)行頻率較低采用中斷方式運行。數(shù)據(jù)處理及電參數(shù)計算放入主循環(huán)。

4.1系統(tǒng)的主程序

主程序里主要完成系統(tǒng)的初始化,包括顯示設(shè)備,AD,控制器等,主循環(huán)中是數(shù)據(jù)處理及電參數(shù)的計算。流程圖見2。

4.2信號采集

電壓及電流信號的采集是等時間間隔進行的,所以在定時中斷中觸發(fā)信號采集,在外部中斷中完成數(shù)據(jù)讀取。為了提高系統(tǒng)的采樣精度,單周期內(nèi)的采樣點數(shù)是根據(jù)測得的頻率值確定的。頻率測量是通過ATmage32的捕獲功能實現(xiàn)。為了保證中斷不沖突,采用了信號量方法。流程圖見3。

圖2主程序流程圖

圖3信號采集流程圖

4.3按鍵處理及顯示

系統(tǒng)除了具有測量電參數(shù)的功能外,還具有報警電流設(shè)置和打印電參數(shù)功,所以在系統(tǒng)中添加了按鍵處理及顯示模塊。因為按鍵功能及顯示功能使用頻率相對較低(在設(shè)定時才會觸發(fā)),所以采用了外部中斷實現(xiàn)。流程圖見圖4。

圖4按鍵處理及顯示流程圖

4.4數(shù)值計算與數(shù)字濾波

軟件設(shè)計部分除了常規(guī)的功能函數(shù)設(shè)計,還考慮到系統(tǒng)需計算大量的數(shù)據(jù),并涉及到浮點運算。由于控制器不支持浮點運算,在進行浮點計算時會占用相當(dāng)多的系統(tǒng)資源,所以在電參數(shù)計算過程中,我們使用了定點計算的方法,即利用數(shù)值移位的功能,來實現(xiàn)高精度高效率的計算方法。采用定點算法完全可以滿足系統(tǒng)的計算方法。數(shù)字濾波部分采用的是限幅濾波,有效的去除了系統(tǒng)的隨機誤差,提高了電參數(shù)計算的精度。

5總結(jié)

本文描述了單相多功能電參數(shù)測試儀的設(shè)計。完成了電參數(shù)測試儀的硬件設(shè)計及軟件設(shè)計,實現(xiàn)了電壓、電流、功率、電量等電參數(shù)的測量,并提供了良好的人機交互界面(數(shù)碼管顯示和按鍵控制)。本文在系統(tǒng)設(shè)計滿足精度的情況下,對如何提高系統(tǒng)精度,減小測量誤差方面做了進一步的研究。

本文設(shè)計的電參數(shù)測試儀除了完成傳統(tǒng)的電參數(shù)測試功能,還可以設(shè)置報警電流,并且報警電流值掉電后重啟不需重新設(shè)定,充分利用控制器內(nèi)部的EEPROM資源。此外還提供了打印功能,可以打印測得的電參數(shù)值。為了方便系統(tǒng)功能的擴展和升級,系統(tǒng)外部留有了串口接口可與PC機通信實現(xiàn)更多的輔助功能,同時利用控制器的在線可編程(ISP)功能,實現(xiàn)軟件的同步更新。

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