（电力电子与电力传动专业论文）三相多功能电参数测量.pdf

北京交通大学硬士学位论文 n es o c i e t y 。s d e v e l o p m e n t s e t sa h i g l l s t a n d a r dt ot h e m e a s u r e m e n to fe l e c t r i c a ln e t w o r ka n de l e c t r i c i t ym a n a g e b e c a u s e o ft e c h n i c a ll i m i c s ，p e o p l e 伽l yp a ya t t e n t i o nt oa c t i v ee n e 唱y m e a s u r e m e n tb e f b r c 7 i 0m o n i t ( re n t i r ee l e c t r i c a ln e t w o r k w eh a v et o k n o wk i n d so fe l e c t r i cp a r a m e t e rs u c ha sv o l t a g e ，c u r r e n t ，a c t i v e p o w e r ， e a c t i v e p o w e r a n dh a 加o n i cw a v e b o t ht h ef u n c t i 伽 i n t e g m t i o nr a t eo fm a n a g e m e n ts y s t e m 柚dc o m 舢n i c a t i o nw a y d e c i d e sl h eq u a 】i t yo fe l e c t r i c a lm a n a g e m e n t w ed e v e l 叩at h r e e p h 鹞em u l t i f i i n c l i o n a le l e c i r i c p a r a m e i e r m e a s u t i n gs y s l e mb a s e do na d e 7 7 5 8 ，w h i c hn e a r l yc a nm e a s u r ea l l e l e c t r i cp 盯a m e t e r s e x 6 e p th a 珊o n i cw a v e n i ss y s t e mi n c r e a s e dt h e m e a s u r e m 如tp r 。c i s i o no fr e a c t i v ep o w e r 1 1 l es y s t e mi sd e v i d e di n t o m e a s u r e m e n tu n i ta n dd a t ep d 0 c | 噶u n i t p l cm i c r o c o n t r o l e rc 伽t r o l s a d l 汀7 5 8a n dc o n e c t si t sd a t a ；6 8 h c l 2m i c r o c o n t r o l e rp r o c e s s e s d a t af o rm u l l i t a r i 霞m t e ，d e m 卸df c r d ，p r e p a i df c e ，3f t l n c t i o n si n a 1 j r 1 1 l es y s t e mh 勰r s 4 8 5 柚di n f t a r e dc o 姗u n i c a t i o ni n t e 血c e ， a c c o i d i n gt od i r 6 4 5p r o t o c 0 1 n l er c l i a b i l i t yi st h ek e yo ft h es o f t 北京交通大学硕士学位论文 a n dh a r d w a r ed e s i g n so ft h ed a t ap l d c e s su n j t w eu s ep cs o f e w a r et o c a l i b r a l et h es y s t e ma u t o m a f i c a l ly t h es y s t e mh a sh i g hp r e c i s i o na n d m u l t i f u n c t i o n ，a f t e ri t sr e l i a b i l i t yi si m p r o v e d ，t h es y s t e mw i l lg e ta w i d e s p r e a da p p 】c a t i o n k e yw o r d s ：e l e c t r i c a l p a r a m e t e rm e a s u r e m e n t ， f u n c t i o n i n t e g r a l i o n ，a d e 7 7 5 8 ，6 8 h c l 2m i c r o c o n t r o l l e r ，a u t oc a l i b r a t i o n 北京交通大学硕士学位论文 第一章概述 1 1 课题背景 电是社会生产、人民生活所必需的最重要的能源之一。电参数的测量 装置就伴随着电的利用和科技的进步逐步发展起来。电能是计量时最主要 的电参数，它一直得到人们的关注。测量电能的电能表由爱迪生1 8 8 1 年首 先发明，1 0 0 多年来，各国在电能表的原理、结构、材料、工艺、准确度、 过载能力、一次寿命、功能多样化、自动化程度上展开了激烈竞争，使电 能表行业发生着臼新月异的变化。 目前测量电能的主要方式分为三类： ( 1 ) 感应式。它是利用旋转磁场测量交流电能的原理。这种方式测 量电能具有结构简单、操作安全、维修方便、造价低廉、经久耐用等一系 列优点，得到广泛应用。 ( 2 ) 全电子式，又称静止式。它突出的优点是由于内部无机械磨擦 而准确度高，灵敏度高，易实现自动化计量，可实现遥测遥控，实现数据 自动分析统计。计量中可有效摔除人为因素干扰，功能多，数据可以储存， 便于无纸化抄核收作业，便于远方集中抄表。全电子式随着我国半导体技 术及工艺的进步，必将逐步完善，成为电能计量的主流 ( 3 ) 机电一体化。它综合了感应式和全电子式的优点。该型的电能 采样仍然由感应式完成，用字轮显示电度数。然后把感应式的转盘转动变 成脉冲信号进入全电子系统，可用单片机和辅助电路实施诸如分时计费， 记录最大需量，红外线抄表，负荷控制和远方通讯等自动化功能。 但是随着技术的发展和用电管理的要求的提高，人们已经不能满足只 测量有功电能的限制，正在朝着多参数，多功能的方向发展。 ( 1 ) 多参数测量。以前由于技术的限制，以感应式方式测量电力参数， 北京交通大学硕士学位论文 只能测量电能数据。现在随着计算机和数字电路技术的发展，人们对电网 分析的程度越来越高。通过a ，d 电路，把电网的电流、电压等模拟信号变 成数字量，这样可以直接计算出电压、电流有效值。把数字量的电流和电 压相乘就得到有功功率、无功功率和视在功率等电力参数。在此基础上， 我们可以继续分析出电网的谐波分量、功率因数以及用户的负荷曲线等等。 获得更多的参数就意味着可以更好的监控电网的运行，利用它们来提 高用电管理的水平以及电力研究开发结果的检测。 ( 2 ) 除了计量电能，测量参数之外，社会的发展对用电管理提出了更 高的要求，比如分时计费( 复费率) 、最大需量、预付费等。 分时计费( 复费率) 将一天2 4 h 划分为基本固定的几个时段，尖峰用 电时段的电量成为尖峰电量；高峰用电时段的电量称为峰段电量；低谷用 电时段的电最成为谷段电量；平时用电时段的电量称为平段电量。先确定 一个实行分时计费的基础电价，一般峰段电价按基础电价上浮5 0 ，谷段 电价则下浮5 0 左右，平时电价与基础电价持平，尖峰电价则比峰段电价 更高。为了时段设簧方便，有的地方仅分高峰和低谷两个时段的电价，又 称为“黑白电价”，即白天、黑夜之义，与北京临近时区的地域，高峰用电 时段一般为早7 时晚2 3 时，低谷用电时段为晚2 3 时早7 时。我国西 部地区与北京时区相差较大，可根据实际情况灵活调整时段。在高峰用电 时段里，生产、办公和居民生活用电量大，发电机组、输电网、配电网的 负担加重，系统要启用备用机组，接近满负荷时，输、配电损耗加大，尖 峰负荷时电网调度困难，增加调度成本，有时甚至影响系统稳定；而在低 谷用电时段大部分用电负荷停止工作，造成大量发电机组及电网设施闲置 或轻载运行，但参与电力系统维护及运行的人员得2 4 h 上班，在这个时段 内有大量的设备及人力资源浪费，造成包括用户在内整个电力系统的综合 效益下降。为解决这个矛盾，提高电力设备利用率、电网负荷率，世界各 北京交通大学硕士学位论文 国都采用经济杠杆刺激人们在低谷时段用电，降低谷段电价，抬高峰段电 价。尤其是工农业生产，可将集中用电的工序移到后半夜，使供用电双方 均降低成本，实现双赢。分时计费( 复费率) 系统全部采用电子线路及单 片机系统。 测量用户的最大需量，是为了配合大工业实行两部制电价而设计的。 两部制电价其一为电量电费，与该用户用电量挂钩；其二为基本电费，与 该用户变压器容量或最大需量挂钩。最大需量是用户在一个抄表期( 如一 个月) 内每1 5 m i n 平均用电功率中的最大值，它反映了该用户对电力供应 的最大需求。电力生产者制定电力生产发展计划，兴建发电厂，扩建输电 网都是为了满足用户的这个最大需求，所以用户就应该为这个“最大需求” 而付费，这是一笔基本固定的费用。持续对大用户的最大需量数据的采集、 跟踪、分析可以了解各用户及本地区的负荷变化规律，便于配网改造计划 的制定，便于负荷预测，便于减少制定电力生产发展计划的盲目性，有很 大的现实意义。 为完全按商品交换的原则进行购电用电，人们开发了预付费电表，先 买电，后用电。对边远乡寨的零散用户、流动人群用户、常欠电费用户、 企事业单位内部分表用户1 c 卡电表比较适用。l c 卡电表兼有计量收费、功 率限定、购电警告、欠费断电、防窃电等功能。每一i c 卡预付费电表都有 一个编码和用于插入l c 卡的插槽，对应的用户手中有唯一一张与该电表配 合使用的l c 卡。l c 卡的编码和电表的编码相同，它是用来在供电公司与用 户之问传递用电量的媒介。为防止伪造，i c 卡密码可经常更换，由于不同 用户的l c 卡密码也不同，所以用户之间不可相互借用i c 卡。l c 卡可反复 多次使用，供电公司用专用计算机将用户预先购买的用电量写入用户的l c 卡，并将卡置为有效。当用户将有效的l c 卡插入电表的l c 卡插槽中时， 电表将l c 卡的购电量读进，与以前的剩余电量相加后，经电表面板上的显 北京交通大学硕士学位论文 示器显示出来，同时将l c 卡簧为无效，此时l c 卡即可拔走。已给电表输 送过新购电量再拔出的l c 卡，若再插入l c 卡电表的插槽中，已不起作用， 即为“无效”，电表会自动识别。显示器显示出是用户累计总用电量和用户 可用的剩余电量。当剩余电量少到一定数量时，发出报警，提醒用户及时 购电。购电量用完前一时刻起，连续报警，提醒用户做好断电前准备，然 后电表自动切断电源。 1 2课题综述 本课题主要研究多项电力参数的测量以及实现复合功能的测量控制系 统，主要研究内容包括： ( 1 ) 三相四线制综合电参数测量，主要电参数有电压、电流、有功功 率、无功功率、视在功率、功率因数、累计用电量、频率等。 ( 2 ) 实现复费率、最大需量统计和l c 卡预付费功能。 ( 3 ) 兼容4 8 5 集中采集数据和红外采集数据两种方式。 ( 4 ) 自动校准功能。 系统的结构框图如图1 1 所示，被测线路的电压电流信号经过互感器和 采样通道送到芯片a 】睡r 玎5 8 ，它是美国a d 公司的三相电能计量专用芯片， 由它来完成电压，电流，功率等参数的测量。 p i c 单片机第一个任务是读出a d e 7 7 5 8 的测量数据并通过s p l 方式上 送到以铷c 1 2 单片机为核心的数据处理单元。笫二任务是通过2 3 2 接口 方式与p c 机连接，配合开发的p c 机校准软件完成对a d e 7 7 5 8 校准，并 把相关的校准数据保存的e e p r o m ( 9 3 1 0 6 6 ) 中。 6 8 h c l 2 单片机接收到测量数据后，根据实时时钟芯片8 0 2 5 和相关的 算法完成分时计费，最大需量计算和i c 卡预付费等功能。 l ( d 显示、红外接口、4 8 5 接口和i c 卡都是系统与外界实现数据交换 4 北京交通大学硕士学位论文 r ： 一 i 电压电藏- 嗣莓片 i 信号采样：i d e 7 7 鹞f 一一j 一，。 l 。 p c 帆 ，2 ，2 接口 s n s 。喽“- - ， ”机 m 串行接口 t l c d 。 红井接口 ； ；鹕s 接口 1“h c l 2 、l c 卡接口 ，f m 2 4 c 6 4 一r 1 s jl e e p 确卟i ! l 嘶! 图1 1 系统框图 晦l lt h eh a r d w a np n c i p ko f s y s l e m 的中介。存储器f m 2 4 c 6 4 用来保护用户电量等重要数据。 6 8 h c l 2 单片机支持b d m 调试方式，p c 机通过b d m 接口模块就可以 完成对6 8 h c l 2 单片机的程序下载和硬件仿真调试，开发环境集成度商。 北京交通犬学硕士学位论文 第二章测量单元的结构及原理 2 1a d e 7 7 5 8 介绍 a d e 7 7 5 8 是具有每相信息的多相多功能电能测量i c 芯片，是美国a d i 公 司2 0 0 3 年8 月推出的专用电能测量i c 新产品，它具有以下特点： ( 1 )满足i e c6 嘲、i e c6 1 0 3 6 、i e c 6 1 2 6 8 等精度标准 ( 2 ) 支持三相三线和三相四线制的负载测量 ( 3 ) 环境温度2 5 ，动念范围l o o o ：1 时，有功计量误差小于o 1 ( 4 ) 能够测量有功、无功和视在三种能量，还有电压、电流有效值， 提供波形采样数据 ( 5 ) 两路脉冲输出，一路是有功功率，另外一路选择输出无功功率 和视在功率两者之一，上述脉冲频率可调 ( 6 ) 数字式校准功率、相位和有效值 ( 7 ) 片上用户可编程门槛电平，可用于线电压欠压和过压检测 ( 8 ) 外部通讯使用s p i 接口，并有中断请求输出i r q ( 9 ) 专用的d 和d s p 在使用环境变化很大时能保证高精度 ( 1 0 ) 单+ 5 v 供电，低功耗 a d e 7 7 5 8 是一种高精确度三相电能测量i c 。带有一个串行口，两路脉冲 输出。a d e 7 7 5 8 集成了数字积分、参考基准电压源、温度敏感元件等。有可 用于有功功率、复功率、视在功率、有效值的测量以及以数字方式校正系 统误差( 增益、相位和偏移等) 所必须的信号处理电路。该芯片适用于各种 三相电路( 不论三线制或者四线制) 中测量有功功率、复功率、视在功率。 a d e 7 7 5 8 引脚功能及连接要点如图2 _ l 所示， ( 1 ) a p c f ：有功功率校正频率逻辑输出引脚。 该引脚的输出主要用于校准和操作的目的。满刻度输出频率可以写入 北京交通大学硕士学位论文 a p c f l d g n d 叵 d v d d 臣 a v d d 匝 l a p 臣 i a n 匹 1 8 p 叵 i b n 匝 i c p 臣 l c n 匝 a g n d 匝 r e f 嘲，o u 下匝 a d e 7 7 5 8 t o p v l e w i n o tt os c a l e ) 到d o u t 固s c l k 团d 团西 团c l k o u t 固c l 刚n 固丽 团v a r c f 固v a p 固v b p 刃v c p i 司v n 图2 一l d e 7 7 5 8 引脚图 h g 2 l1 ep j n so f a d e 7 7 5 8 a p c f n u m 和a p e f d e n 寄存器中。 ( 2 ) d g n d ：a d e 7 7 5 8 数字电路部分参考地端，例如乘法器、滤波器、数 频转换器的地端。 由于a d e 7 7 5 8 中的回路电流很小。可以直接跟整个系统的模拟地端 ( a g n d ) 相连。但是d o u t 端的大的总线电容产生的数字噪声电流可能会影响 其性能。 ( 3 ) d v d d ：数字电源。该引脚为a d e 7 7 5 8 数字部分提供电压源。 电压维持在5 v 5 。该引脚可用一个l o f 的电容和一个1 0 0 n f 的瓷片 电容并联后进行去耦合。 ( 4 ) a 、，d d ：模拟电源端。该引脚为a d e 7 7 5 8 模拟部分提供电压源。电压 维持在5 v 5 。 该引脚应该采用正确的去耦方法，尽量减小电源波动和噪声。该引脚 用一个l o 弘f 的电容和一个1 0 0 n f 瓷片电容并联后，再连接到a g a n d 引脚来去 北京交通大学硕士学位论文 耦合。 ( 5 ) ( 1 0 ) l a p 、i n ；i b p 、i b n ：i c p 、i c n ：电流通道模拟输入。 这些输入是全差动电压输入，最大的差动输入信号为o 5 v ，o 2 5 v ， 0 1 2 5 v 。根据内部放大器的增益选择。来设定输入电压的最大值，增益 选择放大器的增益由p g 寄存器来设定。所有的输入引脚均能承受6 v 的过 电压而不会造成永久损坏，并具有静电释放保护电路。 ( 1 1 ) a g n d ：模拟电路部分的参考地端。 该引脚为内部的a d c s 、温度敏感元件、参考电压端等部分的参考地端。 该引脚应该连接到系统的标准模拟地或者干扰最小的接地参考点。干扰最 小的接地参考点应该跟所有的模拟线路相连。为了减小a d e 7 7 5 8 的地端噪 声。模拟地端应该和数字地端只用一个点来连接。也可以把整个器件都安 放在模拟接地面上。 ( 1 2 ) r e f ：该引脚是片上基准电压。 片上基准电压标称值为2 5 v 8 。外部参考端也可阻与该脚相连。无 论是否连接外部参考电压端，该引脚都应该用一个1 p f 的瓷片电容跟a g n d 端 连接以去藕合。 ( 1 3 ) ( 1 6 ) v n 、v c p 、c b p 、v a p ：电压通道的模拟输入。 这些输入是单端电压输入，最大信号电压为：+ o 5 v 。( 相对于、n 端) 。 可以通过内部寄存器p g 选择输入信号的最大值为o 5 v ，o 2 5 v 或者 o 1 2 5 v 所有的输入引脚均能承受+ 6 v 的过电压而不会造成永久损坏，并 具有静电释放保护电路 ( 1 7 ) v a r c f ：复功率校准频率逻辑输出。 通过设置砒o d e 寄存器的v c f 位来选择输出复功率或者视在功率。该 输出常用于电能表的校准。满刻度输出可以通过写入v a r c f n u m 和v r c f d e n 寄存器的数值来调节。 北京交通大学硕：e 学位论文 ( 1 8 ) i r q ：中断请求输出。 低电平有效的开漏极逻辑输出端。可屏蔽的中断包括：有功能量寄存 器和视在功率寄存器半满和波形采样速率达到2 6 k s p s 。 ( 1 9 ) c l k i n ： 数字信号处理a d c s 的主时钟。最高为1 5 m z ，可以用一个 外部时钟信号来提供时钟输入，也可以在c l k i n 和c l k 0 u t 端并联一个a t 晶体 来提供时钟信号。应该根据晶体的参数确定所需要的负载电容值，接一个 几十p f 的瓷片电容到振荡端。 ( 2 0 ) c l k o u t ：当外部时钟提供或者连接一个晶体时，该引脚能驱动一 个c m o s 负载。 ( 2 1 ) c s ：片选信号，低电平有效。这时 d e 7 7 5 8 与数据总线接通。 ( 2 2 ) d i n ：串行接口的数据输入端。 在串行口的时钟信号s c l k 的下降沿输入数据。 ( 2 3 ) s c l k ：串行时钟信号输入端。 所有串行数据被该信号同步。该引脚具有施密特触发输入，以适应速 度较慢的边沿变化时间。 ( 2 4 ) d o u t ：串行口的数据输出端。 在s c l k 信号的上升沿数据从该引脚传输出去，在没有数据的时候该引 脚为高阻抗状态。 2 1 1 a d e 7 7 5 8 内部功能框图和工作原理 a d e 7 7 5 8 内部框图如图2 - 2 所示。 来自电流传感器和电压传感器的电压信号经信号放大p 6 1 、p g a 2 和模 数变换a d c 转换为对应的数字信号，然后，电流信号经电流通道内的高通 滤波器h p f 滤除d c 分量并数字积分后，与经相位校正的电压信号相乘，产 生瞬时功率；此信号经低通滤波l p f 2 产生瞬时有功功率信号；各相功率相 9 北京交通大学硕士学位论文 ibn：icp、icn。这3个通道最大的信号电压变化范围为o5v。电流通道 有一个可编程增益放大器(pgal)，放大器增益为l、2或4。前面提到了最大 输入电压变化范围为o5v，利用增益寄存器的3和4位，adc的输入电压可 以设置为o5v，o25，o125v。这是利用adc的基准参考端来实现的。 p抖ase 图2 - 4 d 耵7 5 8 电压通道l 。| g z 4 。l 。h ev o l t a g e c h a n n e _ o f a d e 7 7 5 8 电压通道具有3路单端电压输入通道，分别为vap、vbp和vcp。这些单 电压输入端的最大输入电压变化范围为o5v。相对于vn来说，电流和电 2 2 ade7758的硬件设计 系统的测量是基于a d b 7 7 5 8 计量专用芯片的，从本节开始将详细介绍 ade7758的应用要点，分成硬件和软件两个部分。 图2-5是仅以a相电压、电流通道为例的ade7758的硬件连接图。 本系统测量的额定电压有效值是220v，电流有效值是5a。负载的电压和电流分别通过分压和电流互感器接到a d e 7 7 5 8 的模拟口。分压电阻和 电流采样电阻大小的选择既要充分利用a d e 7 7 5 8 的d 转换位数，以提高 精度，还要防止过量程时不至于测量溢出。参考2 1 1 节对a d e 7 7 5 8 内部 模拟口的介绍，最终输入到a d e 7 7 5 8 模拟端的电压大小还与g a i n 寄存器 北京交通大学硕士学位论文 2 3a d e 7 7 5 8 的软件设计 本节主要讲述a d e 7 7 5 8 的基本控制流程和工作状态设定，以及在实际应 用中发现的问题和解决方法。 2 3 】 a n e 7 7 5 8 内部寄存器的基本读写操作 对寄存器的正确读写是软件设计中最基础的底层部分，a d e 7 7 5 8 具有一 个内置的s p i 接口，它与m c u 的串行接口包括s c l k 、d i n 、d o u t 和口四根信 号线，参考图2 一l 与图2 5 。a d e 7 7 5 8 与m c u 串行接口的写读时序如图2 6 和 图2 7 所示。 s c “输入具有施密特触发结构，是串行数据传输的时钟信号。所有的 数据传输在时钟信号的作用下同步进行。数据在s c l k 信号下降沿时从d i n 管 脚移入，相反的，数据在s c l k 信号上升沿时从d o u t 管脚移出。 所有的数据操作，不论是读数据还是写数据，必须以一个写通信寄存 器的操作开始。云i 是片选信号，芯片上电后，石i 端下降沿可以把a d 7 7 5 8 置为通信模式。c s 在整个传输数据的过程中应置为低电平，数据传输过程 中云写端变高将中断数据传输。 在通信模式下，a d e 7 7 5 8 的第一个数据写到c o 姗u n i c a t i o nr e g i s e r ( 通 信寄存器) 中，它是不对用户开放的寄存器。第一个写到通信寄存器中的数 据，包含下个数据的地址和下一个数据要进行的读写操作。读写操作 结束后，也就是数据传输完成后，a d e 7 7 5 8 再次进入通信模式。 a d e 7 7 5 8 串行写操作的过程如下：处于通信模式时，c s 为低电平，写通 信寄存器的操作首先发生。m s b 必须置l ，表明下个操作为写操作；7 个l s b 说明了写寄存器的地址，寻址范围是o x o o _ o x 7 f h ，一一对应a d e 7 7 5 8 内部所 有的寄存器。a d e 7 7 5 8 开始把数据在时钟下降沿移入寄存器中。每次数据写 北京交通大学硕士学位论文 可以看出，a d e 7 7 5 8 内部没有单独的功率寄存器，求功率时则无法象电 压等其它参数那样通过访问对应寄存器直接得到。功率就是单位时间内的 能量，如果已知对应时间内的能量值，便能够求出功率。 求功率的一种方式是采用纯软件的方法，由主控单片机自己来定时在 t 1 和t 2 读取a d e 7 7 5 8 的能量寄存器，将两次能量值相减再除以时间差，如 公式( 2 1 ) 。理论分析如此，但实际操作时，这种方式既要考虑a d e 7 7 5 8 p = ( e l e 2 ) ，( t l t 2 )( 2 1 ) 能量寄存器的溢出问题和单片机定时器的溢出问题，还要考虑t 1 一t 2 的时 间长度，过长则使瞬时功率平均化，过短则增加单片机软件的复杂程度， 降低了可靠性。除了上述问题，关键是难以做到t 1 、t 2 和能量e 1 、e 2 同 步的问题。考虑a d e 7 7 5 8 内部a ，d 转换以及d s p 处理的过程，能量寄存 器的值并非实时值，而是以一定的时间间隔4 t 更新，那么在公式( 2 1 ) 中t l 、t 2 无法准确对应于a d e 7 7 5 8 实际采样e 1 、e 2 的时刻，这样就存在 着不同步现象，必然会影响功率精度。 笔者采用了另一种方法，朋) e 7 7 5 8 在l j n ec y c l ee n e r g ya c c u m u l a t i o n m o d e ( u n e c y c ，线形循环能量累计模式) 下有功、无功和视在三种能量 寄存器里存放的是一个周期t 内完整的能量值e ，这样就不必考虑采样起 始时刻t 1 和结束时刻t 2 ，做到了采样时间和能量同步， p = e t( 2 2 ) e 每 x 北京交通人学硕士学位论文 西厂 n x nnn 几几nn 几几nn 几几几nn = m 一二 ! ! ! 厂11 凡! 二二：! = 二二二j 一- 叫回0 口口回回活 读中断置位状杏誊存器 读扶吝謇存嚣内窖 髓厂_ 一 图2 9 d 盯7 5 8 中断时序 矸g 2 - 9 砸m e 神q u e n o f a d 肋弱i n t 咖p t 方可响应下一次中断。中断时序如图2 9 所示。 在具体应用中，只开放了l i n e c y c 中断，没有其它中断源，所以读出状 态寄存器的值只是为了验证中断的正确性。当过零点累计到l i n c y c 寄存器 设定的阀值n 时，产生l i n e c y c 中断。 参考a d e 7 7 5 8 硬件连接图( 图2 5 ) ，需要说明的是膪q 端没有连接到 单片机的外部中断输入口，而是采用查询的方式，因为该单片机的任务主 要是数据的采集、传送，以及a d e 7 7 5 8 的控制等，没有大量的运算，所以循 环查询的频率足够快速响应z r q 低电平输出。单片机响应a d e 7 7 5 8 中断的简 略工作流程如图2 1 0 所示。 ( 2 ) 由上文可知，l i n e ( = y c 中断的必要条件是累计过零点到阀值n ， 那么不得不考虑在特定条件下，过零点总和无法达到n 时对整个系统的影 响。 参考公式t = “7 南 ( 2 _ 6 和图2 - 7 ， 其中参数m 的选择影响到单片机和 d e 7 7 5 8 之间的通讯。参考图2 1 0 ， 北京交通大学硕：e 学位论文 图2 一l o 处理 腿7 7 5 8 中断流程图 f i g 2 - l o p r 唱m m 玎o wc h r t o f m s p o d j n g a d ”7 5 8 s i n t e m ，p t 单片机不断的扫描侬q 管脚，当a d 盯7 5 8 累计过零点达到n 以后，a d e 7 7 5 8 产生中断，其皿q 管脚电平变低，单片机检测到该下降沿信号后才对 a d e 7 7 5 8 进行读写操作。当只累计a 、b 、c 三相中一相的过零点时，此时 m = 1 ，如果该相在单片机等待爪q 管脚再次变低之前突然掉电，不再产生过 零点，由于a d e 7 7 5 8 累计的过零点总数无法等于n ，侬q 管脚也不会变低， t 有可能变成无穷大，单片机程序变相进入死循环，所以应该累计所有不缺 相( 参考2 4 节) 的过零点，如果出现单一相掉电现象，也能保证单片机 及时采样和控制a d e 7 7 5 8 ，m 的值应该等于不缺相的个数。在调试过程中， 发现并消除了上述隐患，提高了系统的可靠性。 2 3 4 电网频率对功率计算的影响 由公式( 2 2 ) 和( 2 6 ) 推出 北京交通大学硕士学位论文 p ：墨：! ：丝：( 2 7 ) 功率po cf ，考虑电网的频率是有可能在小范围内波动的，如图2 一l l 所示，但是在大部分时候稳定在5 0 h z ，从减少单片机运算量出发，没有在 每次c p u 读取数据后按照公式( 2 7 ) 求取功率，而是首先判断频率，然后 再做修正，软件流程图为图2 1 2 ，系统默认频率f = 5 0 h z ， 5 0 h z ，、八、。 。 。v 一 5 0 h z 4 f 八、 。 vvvv 7 图2 一l l 电目波形示啻 n g 2 - nt h ep m 嘲e0 f e i e c t m a i 矗e t w o r k 2 4 缺相的判断 由于电网自身原因，使得某相断电或者电压过低，则判定该相处于缺 相状态。 缺相的判断是系统正常工作的基本要求，也是d l 舾1 4 多功能表标准中 规定的一项功能，它涉及到过零点的选择和频率f 的测量。当电压幅值较小 时，易受电网谐波和外界的干扰使得过零点不规则，而且在电压为零时偶 尔也有可能出现过零点的异常现象，使得周期t 的值变得不可靠。 在调试中我们尝试采用了两种方式去检测缺相。 ( 1 ) 剐) e 7 7 5 8 自带l j - l e v o l 协g e 鼢旧d e t 鳅i 佃功能，当任一相的线电 压绝对值在设定的若干个电网半波周期内低于设定值后，那么将会产生 s a g 中断，如图2 一1 3 所示。 北京交通大学硕士学位论文 图2 一1 2 兢率修正流程嚼 f j g 2 - 1 2p m g r a m 胁w 曲a r to f 呐q u e n c yc 盯r 删o n 由图2 1 3 所示，a d e 7 7 5 8 的低电压检测功能只与s a g l v l 和s a g c y c 两个功能寄存器设定有关，s a g l 、凡设定低电压的告警值，低于此值将开 始低电压检测。s a g c y c 来设定低电压的持续时间长度，以电网半波为基 准，只有超过设定时间才能产生中断，这样可以避免电网瞬间波动对检测 产生的干扰。 在实际调试中，发现对勖憾l v l 的设定是失效的。设定实际电压输入 为1 0 v 时进行测试，对s a g i v i 在理论值附近较宽范围内设定时，出现低电 压检测不灵敏现象，而且设定值没有出现线形关系，使得无法可靠的进行 北京交通大学硕士学位论文 储空间取指令和数据，两者不能同时进行；而p i c 的总线结构是哈佛结构， 指令和数据空间是完全分开的，一个用于指令，一个用于数据，由于可以 对程序和数据同时进行访问，所以提高了数据吞吐率。正因为在p 1 c 系列单 片机中采用了哈佛双总线结构，所以与常见的微控制器不同的一点是：程 序和数据总线可以采用不同的宽度。数据总线都是8 位的，但指令总线位数 分别位】2 、1 4 、1 6 位。 ( 2 ) 流水线结构。m c s 一5 l 的取指和执行采用单指令流水线结构，即取一 条指令，执行完后再取下一条指令：而p i c 的取指和执行采用双指令流水线 结构，当一条指令被执行时，允许下一条指令同时被取出，这样就实现了 单周期指令。 ( 3 ) 寄存器组。p i c 的所有寄存器，包括i o 口，定时器和程序计数器等 都采用r a m 结构形式，而且都只需要一个指令周期就可以完成访问和操作； 而m c s 一5 i 需要两个或两个以上的周期才能改变寄存器的内容。 p i c 单片机自带程序存储器，分为f l a s h 和叽p 两类，前者的r o m 可以反 复烧写，而后者只允许烧写一次，为了方便调试，采用了带f l a s h 程序存储 器的p i c l 6 f 7 3 。 单片机除了完成与a d e 7 7 5 8 的通讯( 接口电路见图2 5 ) ，其他的功能 模块电路图如图2 1 5 所示。 2 5 3光电隔离s h 通讯 单片机采集完a d e 7 7 5 8 的数据后，通过s p l 接口把数据发送到数据处理 单元即上层板该s p i 通讯是采用单片机l ，o 口进行模拟s p i 通讯，使用软件 来控制帕口，输出时钟等信号。为了提高s p l 通讯的可靠性，采用了光藕隔 离的方式，如图2 1 5 左半部所示，使用了高速和低速两种型号的光藕。片选 信号b c s 因为只是在整个s p l 通讯时总处于低电平，信号频率很低，从成本 出发，使用了普通光藕。而b s k 、b s d l 、b s d 0 等属于高频信号，选择一 北京交通大学硕士学位论文 一侧。除此之外，还能起到很好的安全保障作用，因为在光电祸合器的输 入回路和输出回路之间有很高的耐压值，达5 0 0 v 1 0 0 0 v ，甚至更高。而且 光电耦合器可以对数字脉冲起到整形和电平转换的作用，当输入端信号衰 减之后，波形的上升和下降沿较差。光藕输出的信号电平以接受方电源为 基准，由于光藕的快速通断，使得信号快速的上升和下降。 6 n 1 3 7 是日本东芝公司生产的光电耦合器件，具有体积小、寿命长、抗 干扰性强、隔离电压高、高速度、与t t l 逻辑电平兼容等优点。它主要的特 点是高速度，数据的波特率可达5 0 0 k b p s 以上，而常见的光电耦合器件4 n 2 5 ， t t l l l 7 只能做到几千的波特率。6 n 1 3 7 在实际应用中一般要在电源端和地之 间连接一个1 0 4 电容，保证其稳定工作。 2 5 4 数据存储 测量单元必须经过校正才能准确测量各个参数，校准要对a d e 7 7 5 8 的寄 存器进行设定，但是 d e 7 7 5 8 的寄存器在掉电之后会复位，使系统无法正常 工作，所以要把a d e 7 7 5 8 相关寄存器的值存放在菲易失性存储器e e p r o m 里， 在系统上电复位后，由单片机读出e e p r 伽里的参数值，写入a d e 7 7 5 8 对应的 寄存器里，这就是 d e 7 7 5 8 的初始化操作。 存储校准参数的e e p r 傩选用的是9 3 l c 6 6 b ，如图2 1 7 所示，它采用c m o s 工艺制成的2 5 6 1 6 位8 引脚的串行的可用电擦除可编程只读存储器，采用 c s c l k d l o o 田2 - 1 7 ，3 l c 6 6 b 菅脚目 f 嘻2 - 1 7 1 k p h so f i c 硒 北京交通大学硕士学位论文 2 5 5 单片机与计算机2 3 2 接口的通讯 r s 2 3 2 一c 接口( 又称e n r s 2 3 2 - c ) 是目前最常用的一种串行通讯接 口。它是在1 9 7 0 年由美国电子工业协会( e l a ) 联合贝尔系统、调制解调器 厂家及计算机终端生产厂家共同制定的用于串行通讯的标准。它的全名是 “数据终端设备( d 匝) 和数据通讯设备( d c e ) 之间串行二进制数据交 换接口技术标准”，该标准规定采用一个2 5 个脚的d b 2 5 连接器，对连接器 的每个引脚的信号内容加以规定，还对各种信号的电平加以规定。 ( 1 ) 接口的信号内容。实际上r s 一2 3 2 一c 的2 5 条引线中有许多是很少使用 的，在计算机与终端通讯中一般只使用3 9 条引线。r s 一2 3 2 一c 最常用的9 条 引线的信号内容见表2 2 所示。 ( 2 ) 接口的电气特性。在r s 一2 3 2 一c 中任何一条信号线的电压均为负逻辑 关系。即：逻辑“l ”，一5 一1 5 v ；逻辑“0 ”+ 5 + 1 5 v 。噪声容限为2 v 。 即要求接收器能识别低至+ 3 v 的信号作为逻辑“o ”，高到一3 v 的信号作为 逻辑“1 ” ( 3 ) 接口的物理结构。r s 一2 3 2 一c 接口连接器一般使用型号为d b - 2 5 的2 5 芯 插头座，通常插头在d c e 端，插座在d t e 端。一些设备与p c 机连接的r s 一2 3 2 一c 接口，因为不使用对方的传送控制信号，只需三条接口线，即“发送数据”、 “接收数据”和“信号地”，所以采用d b _ 9 的9 芯插头座，传输线采用屏蔽 双绞线。 ( 4 ) 传输电缆长度。由r s 一2 3 2 c 标准规定在码元畸变小于4 的情况下，传 输电缆长度应为5 0 英尺，其实这个4 的码元畸变是很保守的，在实际应用 中，约有9 9 的用户是按码元畸变1 0 2 0 的范围工作的，所以实际使用中最 大距离会远超过5 0 英尺。 单片机与计算机的2 3 2 通讯的主要目的是实现测量单元的软件校准。在 图2 1 5 中，j 2 接口引出单片机串行通讯的r x d 和t x d 信号线，它们是t t l 电平， 北京交通大学硕士学位论文 表2 22 3 2 接口示毒图 t 曲k 2 - 2 t h e p j n s o f 2 3 2 i n t e j 妇钟 其高低电平幅值与v c c 、g n d 匹配，故外部须扩展2 3 2 信号转换成t t l 电平的 电路板。如图2 一1 8 所示。 该电路板分为三令部分：电源、m a x 2 3 2 外围电路和光藕隔离信号输出。 电路板具有一个独立电源向姒x 2 3 2 芯片供电，电路板外接一个2 2 0 v 转直流 9 v 的插头，由于插头正负极性未知，为了保护7 8 0 5 电源稳压芯片，在其前 端接入一个硅桥，保证7 8 0 5 输入+ 9 v 电压。 电路板的主要功能是由眦x 2 3 2 芯片完成的，姒x 2 3 2 是一种双组驱动器 接受器，片内含有一个电容性电压发声器以便在单5 v 电源供电时提供 e i a t i a 一2 3 2 一e 电平，每个接受器将e i a t i - 2 3 2 - e 电平转换为5 vt t l c m o s 电平。这些接收器具有1 3 v 的典型门限值及o 5 v 的典型迟滞，而且能接受 3 0 v 的输入。每个驱动器将t t l c 伽s 输入电平转换为e i a t i a - 2 3 2 一e 电平。 计算机2 3 2 串口通讯时只应用到信号接收、发送和地三根引脚，m a x 2 3 2 北京交通大学硕士学位论文 图 2 1 8 2 3 2 转t t l 电路图 f i g 2 1 8 曲ec i n u i t t m n s 向哪s2 3 2i n t ot r l 芯片把转换好的1 u r l 电平接入到光藕隔离电路。因为电平转化电路板和测量 单元的电源和地都是独立的，为了使t t l 信号电平兼容和提高抗干扰性，故 须经过光藕隔离变换。 本系统中计算机2 3 2 接口与单片机通讯采用的是波特率为1 2 0 0 b i t s 的 串行异步通讯。它是计算机通信中最常用的数据信息传输方式。它是以字 符为单位进行传输的，字符之间没有固定的时间间隔要求，而每个字符中 的各位则以固定的时间传送。收、发双方取得同步的方法是采用在字符格 式中设置起始位和停止位。在一个有效字符正式发送前，发送器先发送一 个起始位，然后发送有效字符位，在字符结束时再发送一个停止位，起始 位至停止位构成一帧。 计算机通过2 3 2 接口和p i c 单片机完成对a d e 7 7 5 8 的校准，关于计算机的 软件校准会有独立章节进行阐述。 啪 ：一 一| 堕 * ! m l 岫 州 = 6 北 蕊囊霪蒌羹羹霉冀霉 转卜到知l ；i 簟垣瓣添通镬嗨瑚矧妣嘲矧睁羊剐菇巾；瞪静浮羚 l 薹e l | 为舔确如装j 肄蘑琵的棰鬓图史鞫熙泡；引羹酾葡溺w 磊i i j b ? 尉萄配翻滞磁辎捌；嚣淞砖疆“醵冀数群m 鲤鞋 霎! 芬箍聪繇型强g 粤 犁；蟪臻咝露叫l l l g 囊嚣遗篓囊囊嫠萎羹薹，萋霎耋蠹囊蚕雾l l l 墓蘸 鏖g g i 塞嚣篓霉囊 线地址 ( l i 北京交通大学碗士学位论文 对于单片机，为了提高抗干扰能力、降低噪声、提高运算速度而不提高或 少提高甚至降低时钟频率是技术发展的目标。m o t o r o l a 某些型号的单片机 使用了锁相环或内部倍频技术使内部总线速度大大高于时钟产生器的频 率，同样速度下所用的时钟频率较i n t e l 类单片机低很多，因而高频噪声低， 抗干扰能力强，更适合用于工控领域及恶劣的环境，比如汽车电子类产品。 ( 4 ) 丰富的i 0 口资源由于数据处理