三相多功能數(shù)顯電測儀表硬件設計說明

1、 . . . 高精度三相多功能電測儀表是目前我國電能表行業(yè)研究的新課題，該類型電測儀表可以廣泛應用于電能的高精度計量和工業(yè)自動化系統(tǒng)對電能的檢測，如檢測電流、電壓、頻率、有功功率、無功功率等。我國現(xiàn)在在工業(yè)上使用的電能表大多數(shù)采用外國進口產(chǎn)品，性價比低，部分技術指標未能滿足實際需要。考慮到這種情況，開發(fā)設計新型的三相多功能電測儀表對降低生產(chǎn)成本，提高計量精度具有十分重要的意義。本論文研究了基于高精度電能芯片ADE7758和高性能單片機MSP430F149技術的三相多功能電測工業(yè)儀表， 該電能表經(jīng)過校正后能達到很高的精度，能精確的測量出各項電能指標。關鍵字：電能表，ADE7758，MSP430F

2、149，單片機，互感器，開關電源How to design a high-accuracy multi-function 3-phase power meter is a new subject in the relative fields in our country. This type of the instruments can be used for measuring electrical energy high accurately and monitoring electrical value in industrial automatic controlling system

3、, such as current, voltage, frequency, active power, reactive power, etc. Nowadays, most power meters used in factories are imported form oversea, the cost performance of which is low, and some specifications cant meet the practical needs. Corresponding to this situation, it is very necessary and me

4、aningful to design a new type of high-accuracy multi-function 3-phase power meter which can reduce the production costs and improve the measurement accuracy.In the paper, a high-accuracy multi-function 3-phase power meter based on high-precision power chip ADE7758 and high-performance MSP MCU MSP430

5、F149 are studied. KEY WORDS: power meter, ADE7758, MSP430F149, single-chip, transformer, switching power supply目錄第1章緒論11.1課題的背景與意義11.2國外發(fā)展狀況2第2章電能計算的理論基礎42.1三相交流電信號模型42.2電壓、電流有效值的計算42.3功率的計算52.3.1有功功率的計算52.3.2視在功率的計算62.3.3無功功率的計算62.3.4功率因數(shù)的計算72.4電能的計算72.5頻率的計算8第3章電路的總體設計93.1方案比較93.2電路總體框圖12第4章系統(tǒng)硬件設計

6、144.1電壓、電流調(diào)理電路的設計144.1.1電流調(diào)理電路144.1.2電壓調(diào)理電路164.2人機界面的設計174.3控制和計量的設計194.3.1主控芯片的選擇194.3.2計量芯片的選擇與設計234.3.3存儲單元的選擇274.4通信部分的設計284.5電源部分的設計294.5.1電源的分類294.5.2正激式變壓器的設計314.5.3電磁兼容的設計324.5.4輸出濾波的設計344.5.5反饋回路的設計354.5.6功率開關模塊的設計374.6電能脈沖電路的設計38第5章總結(jié)395.1總結(jié)39參考文獻40致41附錄4244 / 47第1章緒 論1.1課題的背景與意義高精度三相電能表的國

7、研究和研制起步比較晚，以前主要依靠進口。90年代后，國一些廠家對三相電能表的研究已經(jīng)基本成熟，并形成了批量生產(chǎn)，在市場上已經(jīng)出現(xiàn)了國產(chǎn)多功能電表逐步替代進口產(chǎn)品的局面。但是，國產(chǎn)三相電能表存在著諸如精度低、功能不完善、抗干擾能力差等致命缺陷和不足，極限制了國產(chǎn)三相電能表的應用和推廣。因此，開發(fā)高精度的三相電能表，尤其是0.2級或更高級電能表，已經(jīng)變成非常重要的研究課題，并具有巨大的商業(yè)價值。電能表的發(fā)展大致可以分三個階段：第一階段為感應表階段，設計的核心理論是：瞬時功率，有功電能。感應表通過電磁轉(zhuǎn)化理論，將電壓信號與電流信號轉(zhuǎn)換成相應比例的磁場。鋁制的轉(zhuǎn)盤在兩個磁場的作用下轉(zhuǎn)動，通過機械傳動機

8、構(gòu)帶動計度器，從而完成對電能的計量。感應表在這種理論下形成的制造技術已相當成熟，但因為其機械傳動機構(gòu)主題的限制，無法滿足人們對電能表計量的高精度的要求，更無法實現(xiàn)多功能。90年代，國出現(xiàn)了靜止式電能表，它采用了數(shù)字處理技術和時分割乘法器，式電能計量的手段完全采用集成電路來完成。靜止式電能表一經(jīng)出現(xiàn)，便顯示了巨大的生命力，計量精度由感應式表的2.0級提高到1.0級，電能表的體積明顯縮小，重量也只有感應式的一半。這種靜止式電能表隨著電子元器件的價格下降、可靠性的提高，在價格與壽命方面均顯示了較強的生命力，很快在我國得到較大推廣。但由于這些表大多數(shù)用計量精度低的專用芯片，電能表精度仍停留在計量有功1

9、.0級上，并且不能滿足大用戶需要的高精度的電壓值、電流值、無功功率、和視在功率等參數(shù)的計量要求。第二階段為數(shù)字測量儀表，這類儀表的基本原理是將模擬信號通過電子線路轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號，進行計算并顯示出來。這類儀器同指針式儀器相比較精度有了很大的提高，能直觀讀取測量結(jié)果，而且可靠性高，易于使用。但電子線路比較復雜，不能自動適應測量環(huán)境的變化，而且儀器比較難校準。第三個階段為智能儀器，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，而且能適應各種復雜的環(huán)境。20

10、00年后，隨著數(shù)字信號處理技術的成熟，各大公司相繼研制出了基于DSP芯片的三相全電子電能表，這種電能表雖然精度有很大的提高，但是生產(chǎn)成本比較高。因此，設計一種多功能、實時性高、精度高和成本低的電能表是電工儀表行業(yè)研究員一直追求的目標。1.2國外發(fā)展狀況電力工業(yè)發(fā)展初期曾用電解化學原理電能表計量收費。1890年，發(fā)明了感應式電磁原理電能表，沿用至今已有100多年。隨著電費制度的發(fā)展，提出分時計量、需量計量預付費等要求，特別是19世紀70年代以來各國醞釀發(fā)展電力市場又提出實時電價、負荷曲線計量、雙工通訊、遠方采集數(shù)據(jù)、記錄負荷曲線和電能質(zhì)量、控制負荷以與費率編程等要求，原來的感應式電能表雖經(jīng)多方面

11、的改進擴充，已很難滿足電力市場日益發(fā)展的功能和要求。20世紀中葉，微電子和信息產(chǎn)業(yè)等新技術的發(fā)展，有力的支持了電能表的革新。先是高精度電子式標準表的出現(xiàn)滿足了校驗技術的要求。國外家用電子式電能表早已實用化。世紀之交，電力市場改革浪潮遍與全球，各國電力公司都認識到市場競爭的核心是電能表。特別是用戶選擇供應商和實時電價，要求電能表有靈活、可靠的雙向通訊功能以與與不同的制造商所生產(chǎn)的電能表在電力市場技術支持系統(tǒng)中的兼容性，因而提出了標準化和兼容性問題。在歐洲許多著名電能表廠的倡導下成立了DIMS用戶協(xié)會，DIMS已構(gòu)成IEC有關表計規(guī)約標準的基礎。國際上電子式電能表經(jīng)過50多年的發(fā)展，開始都是基于模

12、擬乘法器原理的，在歷史上曾有過多種原理線路，后來演變成為時分割和霍爾效應兩種乘法器。由于數(shù)字技術的迅猛發(fā)展，目前已有趨勢全部更新為A/D轉(zhuǎn)換計算機處理的方法，這樣也更有利于實施負荷控制、記錄電能質(zhì)量、計量負荷曲線、發(fā)展電能表的通信功能以與確保精度高。我國20世紀70年代開始用電子式標準電能表。先是使用進口產(chǎn)品，后來到8090年代國已能商業(yè)化生產(chǎn)5級電子式標準電能表，也已研制出更高準確度等級的標準電能表。隨后，電子式電能表在國的應用和制造發(fā)展都很快。1993年由國廠商試制成功單相電子式電能表，1994年在華東試用2000只，第一年故障率小于1%。90年代中期，高精度電子式電能表發(fā)展迅速，逐漸為廣

13、大電力公用企業(yè)所接受。僅1998年電子式電能表的產(chǎn)銷量比1997年增加400%。國家電網(wǎng)、省電網(wǎng)各級關口表大部分更新為電子式電能表，但是大多數(shù)為進口電能表，總數(shù)近萬只，運行情況較好。近幾年，許多大用戶（大于100KW）也開始試用三相電子式多功能電能表，致使需求猛增。2000年國三相電子式多功能電能表銷售僅為12萬臺，2001年就上升到18萬臺。到2004年為止，三相電子式多功能電能表的年需求量已經(jīng)超過了70萬臺，創(chuàng)造11%的電能表總產(chǎn)量。國產(chǎn)0.5級電子式電能表也開始在部分地區(qū)使用。但是，國0.2級以上的電能表技術尚未成熟，一直處于試驗階段。現(xiàn)在重要部門、重要設施所使用的0.2級以上的電能表一

14、直使用國外的成熟產(chǎn)品。因此，研制0.2級以上的高精度、多功能三相電能表對于我國電工儀表行業(yè)具有重要的意義。第2章電能計算的理論基礎隨著市場經(jīng)濟的不斷發(fā)展，各種耗能性企業(yè)遍布全國。能源問題成為中國發(fā)展進步的重大問題。供電部門、各大生產(chǎn)企業(yè)日益重視電能的科學管理，加強電力負荷監(jiān)控以實現(xiàn)計劃用電和合理配電，提高電網(wǎng)負荷率。這就要求電能表不僅能精確的計量用戶電能的消耗，還應該能夠記錄顯示電網(wǎng)運行質(zhì)量的參數(shù)，這些參數(shù)包括有功功率、無功功率、總功率、有功電能、無功電能、視在電能、電壓有效值、電流有效值、功率因數(shù)、工作頻率等。2.1三相交流電信號模型對于理想的三相交流，A、B、C三相電壓信號可以表示為下列函

15、數(shù)：(2-1)(2-2)(2-3)2.2電壓、電流有效值的計算信號的有效值也叫均方根（RMS），是表示信號發(fā)送功率的能力，不管什么樣的波形，具有一樣據(jù)方根的信號發(fā)送到阻性負載上的功率是一樣的。在三相電路中，電壓、電流的測量一般均為有效值的測量，根據(jù)電壓有效值、電流有效值的定義：(2-4)(2-5)由于A/D轉(zhuǎn)換器是對電信號離散采樣的，假設對電壓u(t)、i(t)分別進行N次采樣，u(k)、i(k)相應為第k個采樣點，總采樣點數(shù)為N，則(2-6)(2-7)在三相電路中，A、B、C相的電壓有效值分別為：(2-8)(2-9)(2-10)A、B、C相的電流有效值分別為：(2-11)(2-12)(2-2

16、3)2.3功率的計算功率是電流做功的速率，通常用字母P表示。在交流電路中(2-14)由于儲能元件的存在，交流電路的功率分為有功功率、無功功率和視在功率。2.3.1有功功率的計算有功功率又叫平均功率，即瞬時功率在一個周期的平均值。它是指電路中耗能元件所消耗的功率 張有順，馮井崗，電能計量基礎，：中國計量，2002。在正弦交流電路中，設瞬間電壓為u(t),瞬間電流為i(t),則瞬間功率P(t)=u(t)×i(t)。P(t)是個隨時間變化的函數(shù)，它在某個周期的平均值應等于該函數(shù)對時間的積分后，除以時間間隔，所以平均功率應為：(2-15)當用計算機處理時，需要將連續(xù)量離散化，用和式代替積分。

17、若以t的時間間隔對電壓和電流進行采樣，用N表示每個周期采樣的次數(shù)（即T=N×t），則有功功率公式可以表示為：(2-16)式中，u(k)、i(k)分別代表電壓、電流的第k次采樣值，N為采樣點總數(shù)，芯片就可按照公式2-16計算出有功功率。t取得越小，離散采樣的波形就越接近實際值，則計算結(jié)果越準確。在三相交流電中，A、B、C三相的有功功率分別為：(2-17)(2-18)(2-19)在三相電路中，總功率等于每相功率之和。所以，三相電路的總功率可以表示為：(2-20)2.3.2視在功率的計算在具有復阻抗的交流電路中，電壓有效值與電流有效值的乘積值稱為視在功率，它反映的是額定功率的大小，即(2-

18、21)三相交流電的總視在功率為各相視在功率之和：(2-22)2.3.3無功功率的計算無功功率是視在功率中不消耗電能的部分，它的產(chǎn)生與儲能元件有關。在實際的電路中，一般采用先計算有功功率、視在功率，然后通過三者的關系式來計算無功功率。視在功率、無功功率、有功功率滿足下面的關系式：(2-23)其中，Q表示無功功率。所以，無功功率的計算方法如下：(2-24)2.3.4功率因數(shù)的計算在交流電路中，電壓與電流之間的相位差的余弦叫做功率因數(shù),用符號表示，在數(shù)值上，功率因數(shù)是有功功率和視在功率的比值，即(2-25)由上式可以看出，功率因數(shù)最高值為1。功率因數(shù)的大小與電路的負荷性質(zhì)有關，具有電感或電容性質(zhì)的負

19、載電路的功率因數(shù)都小于1。功率因數(shù)是電力系統(tǒng)的一個重要的技術數(shù)據(jù)，也是衡量電氣設備效率的一個系數(shù)。功率因數(shù)低，說明電路用于交變磁場轉(zhuǎn)換的無功功率越大，從而降低了設備的利用率，增加了線路供電損失。2.4電能的計算電能是消耗的能量的積累，是時變函數(shù)功率對時間的積累，到時刻T時的電能為：(2-26)將公式2-16代入上式得：(2-27)所以三相電流所消耗的總有功電能為：(2-28)三相總視在電能為：(2-29)三相總無功電能為：(2-30)2.5頻率的計算頻率的測量一般采用過零檢測法，設電壓信號每個過零點的時刻，由此可得到周期T滿足：(2-31)由周期與頻率之間的關系得到頻率的計算公式：(2-32)

20、第3章電路的總體設計3.1方案比較感應式電能表作為一種傳統(tǒng)的電能表，在電能計量工作中發(fā)揮了極大的作用。但隨著電能營銷對電能計量提出的要求不斷地提高，傳統(tǒng)的感應式電能表受自身結(jié)構(gòu)的限制很難擴展。隨著微電子技術和單片機技術的快速發(fā)展，全電子式電能表應運而生。電子式電能表的設計方案一共有四種：方案一：模擬乘法器型電子式電能表該電子式電能表的工作原理如下圖所示：電壓采樣模擬乘法器電流采樣分頻計數(shù)單片機電壓/頻率轉(zhuǎn)換器UI圖 3- 1模擬乘法器電能表原理框圖被測的電流和電壓經(jīng)電壓和電流取樣后送至模擬乘法器，完成電壓和電流的瞬時相乘，輸出一個與一段時間的平均功率成正比的直流電壓，然后經(jīng)壓頻轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成對應

21、的脈沖頻率信號，一路送入單片機，一路送至分頻計數(shù)器輸出提供檢定用。模擬式乘法器里最常用的就是霍爾模擬乘法器傳統(tǒng)的電子式電能表中霍爾模擬乘法器的工作原理如下圖3-2和圖3-3所示：霍爾元件是如圖3-1所示的半導體薄片，當它處在磁感應強度為B的磁場中，如果在它相對端通一電流I，則在半導體另兩端將會產(chǎn)生一個與電流和磁感應乘正比的電勢UH。UH=KHIB，其中KH為霍爾元件靈敏度，UH為霍爾電動勢。設霍爾元件厚度為d。則霍爾電動勢UH=RHIB/d，RH為霍爾系數(shù)。由圖3-2可以看出霍爾法測量原理，由被測電壓u產(chǎn)生磁場，使磁感應強度為Bu；被測電流i通過霍爾元件，則霍爾電動勢就能反映被測電壓、電流的相

22、乘積?；魻柍朔ㄆ魇且粋€四象限乘法器，其相乘精度甚佳，可以在0.3%左右，工作頻率在10KHZ以。電壓霍爾乘法器電流積分器 圖 3- 2霍爾元件圖 圖 3- 3霍爾法測量原理圖該方案的優(yōu)點是：電磁兼容性好、精度比一般模擬儀表要高頻率響應快，啟動電流小。該方案的缺點是：抗外磁干擾的能力差，而且其功能擴展性差，計量電能的信息也不足以滿足快速發(fā)展的需求。方案二：高精度A/D型乘法器電子式電能表高精度A/D型乘法器電子式電能表的工作原理如下圖所示：A/D脈沖輸出顯示微處理器（CPU）UI通信圖 3- 4高速AD型電能表原理框圖如上所示，電壓電流信號經(jīng)處理后送入高精度A/D，它對電壓、電流、相位、頻率進行

23、精確采樣，得到的數(shù)字信號送入微處理器進行一系列的運算處理。這種電能表可以很容易的實現(xiàn)其他功能，如四象限無功計量、失壓報警等。其可擴展性也很強。在該設計中CPU除具有顯示、鍵處理、時鐘、通信等功能外，還肩負數(shù)據(jù)處理的任務。而目前電力用戶對全電子式多功能電能表提出了越來越“苛刻”的要求，如瞬時功率的采集與通信、多費率電能計量的組合與計算等，CPU的能力已經(jīng)發(fā)揮到了極限，有時CPU由于不堪重負而產(chǎn)生死機。該方案的優(yōu)點是：精度高、啟動電流小、電磁兼容性好、功能擴展性強。該方案的缺點是：CPU負荷重難以完成較為“苛刻”的任務、制造成本高、頻率響應較慢。方案三：DSP型乘法器數(shù)字式電能表DSP型數(shù)字乘法器

24、的工作原理如下圖所示：DSPCPU顯示脈沖輸出通信UI圖 3- 5DSP型乘法器電能表原理框圖如上圖所示電壓電流信號經(jīng)互感器之后，直接送入DSP，由于目前隨著DSP技術的日益發(fā)展，較先進的DSP芯片部已經(jīng)集成了A/D轉(zhuǎn)換器。經(jīng)DSP運算后的各種信號，如有功功率、無功功率、視在功率、相位角、有功電能、無功電能、視在電能等數(shù)據(jù)給下一級的CPU進行處理。這樣DSP承擔了CPU數(shù)據(jù)處理的一部分功能，大大緩解了CPU的負擔，如此使得電子式電能表的結(jié)構(gòu)更加簡單可靠。該方案的優(yōu)點：CPU負荷輕、功能擴展性很強、抗外磁場干擾性強、電磁兼容性強、精度高。該方案的缺點：制造成本很高。方案四：電能測量芯片型電能表電

25、能測量芯片性電能表的工作原理如圖3-6所示：單片機顯示模塊鍵盤電能測量芯片電壓電流調(diào)理電路電源模塊UaUbUcIaIbIc電能脈沖輸出通信圖 3- 6電能芯片電能表原理框圖如圖3-6所示，電壓和電流信號經(jīng)過互感器調(diào)理，直接送入電能測量芯片，然后由單片機和電能測量芯片通信獲得電能信號、包括有功功率、無功功率、電壓有效值、電流有效值、頻率等，單片機通過對這些數(shù)據(jù)的計算可以得到更多的電能信息，同時單片機負責顯示和電能脈沖的輸出以與與外部的通信。該方案的優(yōu)點：設計簡單可靠、精度高、頻率響應快、擴展能力強、制造成本低。3.2電路總體框圖通過以上方案的優(yōu)缺點的比較，本設計中為了設計一塊高性能、低成本的多功

26、能電測儀表，所以選擇了方案四。本設計的總體框圖如下所示：單片機顯示模塊鍵盤ADE7758電壓電流調(diào)理電路電源模塊UaUbUcIaIbIc電能脈沖輸出通信FM25640圖 3- 7設計總體框圖本系統(tǒng)采用ADE7758和TI的高性能MCU MSP430F149在此硬件平臺上來搭建全電子式數(shù)顯電測儀表，電源部分采用的是正激式變壓器隔離的設計方案，顯示部分采用的是LED使顯示的性能更好。正如圖 3- 7所示，本設計通過由開關電源模塊來為整個系統(tǒng)提供電能，單片機采集鍵盤的按鍵信息，并通過對相應的按鍵進行鍵值編碼，通過這些不同的碼可以判斷執(zhí)行什么行為，并經(jīng)過一系列的處理，轉(zhuǎn)換成相應的命令。 單片機同時控制

27、顯示模塊，來以友好的方式顯示操作人員要讀取的信息，以實現(xiàn)人機通信。本設計的通信是采用的RS-485通信標準，由于該標準有很好的抗共模干擾的能力和高速的傳輸速度以與很遠的傳輸距離。同時還有兩路電能脈沖輸出分別為有功電能脈沖輸出和無功電能脈沖輸出。ADE7758通過電壓和電流通道實時地采集經(jīng)調(diào)理電路調(diào)理的電壓電流信息并通過一系列的校準補償來消除由于硬件帶來的相位誤差和幅值的衰減，同時單片機從ADE7758實時地獲得計量所需要的電能信息并通過一系列的計算得到我們所要的到的電能信息，并且將一些我們希望長久保存的信息實時地保存到非易失性存儲器當中，提高了數(shù)據(jù)的可靠性。第4章系統(tǒng)硬件設計按照功能的區(qū)分硬件

28、電路主要分為四部分：第一部分完成信號的調(diào)理，主要是將三相電壓電流經(jīng)過一定的手段調(diào)理成ADE7758能夠接受的信號。第二部分是人機界面，主要用于人、機的交互式通信。第三部分是控制和計量部分，這部分的主要功能是完成電能的計量（包括電壓有效值、電流有效值、有功功率、無功功率、視在功率、功率因數(shù)、頻率等）、顯示控制以與信息的存儲工作。第四部分是電源部分，電源部分從工頻電上獲取能量將其轉(zhuǎn)化成電能表上芯片所需要的電壓或電流。4.1電壓、電流調(diào)理電路的設計4.1.1電流調(diào)理電路電流調(diào)理通常也由兩種方法：第一種采用電流分流；第二種采用的是電流互感器。電流分流器的原理如下圖所示：IRs123u圖 4- 1電流分

29、流器原理圖如圖4-1所示的電流分流器的原理，分流電阻Rs，當大電流I流過時，會產(chǎn)生相應的成正比的微弱的電壓u。該電壓信號輸入電能表的計量單元。電流互感器的原理如下圖所示：I2I1N2N1A圖 4- 2電流互感器原理圖電流互感器的工作原理與普通變壓器的工作原理基本一樣 黃偉，付銀秀，電能計量技術，：中國電力，2004 ，其原理如圖 4- 2所示，當一次繞組中有電流流過時，由一次繞組的磁勢產(chǎn)生的磁通絕大部分通過鐵芯而閉合，從而在二次繞組中感應出磁動勢。如果二次繞組接有負載那么二次繞組中就有電流流過，二次繞組的磁勢也產(chǎn)生磁通，其絕大部分也通過鐵芯閉合，鐵芯中的磁通是有一次、二次繞組磁通合成的，稱為主

30、磁通。根據(jù)磁動勢的平衡原理可以得到(4-1)式中勵磁磁動勢。忽略鐵芯的損耗，可認為，則(4-2)這個是理想電流互感器的一個重要關系，可進一步簡化的到(4-3)其中K就是變比。比較這兩中方案，前者具有較好的線性度和較小的溫度系數(shù)。但是，沒能使主回路和二次回路隔開。而電流互感器，能使主回路和二次回路隔開，實現(xiàn)互感器二次側(cè)不帶強電，同時還提高了電子式電能表的抗干擾能力。綜合本設計的需求，為了提高抗干擾的能力，防止二次回路引入強電，再設計中采用了后一種方法。電流調(diào)理通道的電路圖如圖 4- 3所示：圖 4- 3電流調(diào)理通道原理圖圖中的T1代表電流互感器，、的作用是將電流信號轉(zhuǎn)換成符合ADE7758要求的

31、電壓信號， 、一方面增加后一級電路的輸入阻抗，另一方面和、構(gòu)成了信號濾波電路，用來濾除高頻噪音，經(jīng)調(diào)理后的信號直接供給ADE7758。在本設計中采用的是5A：2mA的穿線式電流互感器，由于在本設計中為了提高測量的精度，將ADE7758的最大輸入值設置在。所以電阻R2的計算方法如下所示：(4-4)為了防止電流發(fā)生大的波動而引入到ADE7758引腳上大的電壓峰值，致使芯片損壞。所以我們在選擇電阻的時候留有一定得余量選擇。4.1.2電壓調(diào)理電路常用的電壓調(diào)理主要有兩種方法：第一種采用電壓互感器；第二種采用分壓的方法。電壓互感器的原理如下圖所示：N2N1U1U2圖 4- 4電壓互感器原理圖其二次側(cè)的電

32、壓與一次側(cè)的電壓的關系如下式：(4-5)電阻分壓的原理如下圖所示：+UvUt圖 4- 5分壓原理圖其中Ut是主回路電壓，Uv是二次回路電壓。比較這兩種處理電壓的方案，前者可以使二次側(cè)和主回路隔離，但是成本較高，且在PCB板上占用的面積較大；后者設計簡單線性度好、成本低，但是不能實現(xiàn)主回路和二次回路的隔離。考慮到電路板的面積和成本問題，我們在調(diào)理電壓時沒有使用電壓互感器，而是采用了分壓的原理將工頻電壓減小到符合ADE7758要求的信號。其原理如圖 4- 6所示：圖 4- 6電壓調(diào)理原理圖在該圖中RV1是壓敏電阻，用來防止由于電路電壓大幅度波動對電路造成的損壞，設該電路的輸入電壓是Vi輸出電壓是V

33、o，足有輸入與輸出之間的關系是：(4-6)其中，對于工頻電壓信號來說阻抗很大可以認為是開路，而對于頻率很高的噪音來說阻抗很小，可以認為是短路，因此可以達到濾除高頻噪音的效果。電阻、的作用是增大后級電路的輸入阻抗以降低負載對分壓電路的影響。4.2人機界面的設計由于考慮到工業(yè)環(huán)境的惡劣性以與使用壽命，我們在這里使用LED來做顯示界面，LED是采用高亮發(fā)光二極管做成的八段數(shù)碼管，亮度高、工作穩(wěn)定、成本低、壽命長，不像液晶顯示器那樣沒有那么高的亮度。如圖 4- 7所示在本設計當中采用的是四位一體的共陰數(shù)碼管，通過采用級聯(lián)方式連接74ls164，經(jīng)晶體管進行電流放大后來驅(qū)動采用動數(shù)碼管實現(xiàn)態(tài)顯示。采用動

34、態(tài)顯示可以降低電源的負擔，減少功率消耗。在本設計中數(shù)碼管用來顯示任務菜單以與該儀表所能顯示的各種電能參數(shù)，通過按鍵可以實現(xiàn)在線編程，達到實時的查詢各相電壓、電流、功率因數(shù)、有功功率、無功功率、視在功率以與頻率等信息，同時還可以設置數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟ㄌ芈屎蛢x表的通訊地址等一系列的信息。除此之外，為了達到更友好的顯示效果，在本設計中還添加了一些輔助顯示的發(fā)光二極管，用來顯示一些附加信息。圖 4- 7人機界面原理圖這些輔助發(fā)光二極管的設計如圖 4- 8所示，在本設計中也模仿八段數(shù)碼管的構(gòu)造方式，組合成共陰極結(jié)構(gòu)，這樣可以節(jié)省CUP的控制引腳，同時在做軟件驅(qū)動程序的時候也能和數(shù)碼管統(tǒng)一驅(qū)動，減少了編程的工作

35、量。公共端的驅(qū)動采用的是市場上常見的74L164這樣不但可以減少使用CPU的I/O，同時還可以起緩沖的作用增強帶載能力。圖 4- 8輔助顯示LED原理圖這些輔助二極管輔助顯示當前顯示界面所顯示的電能信息的類型（比如電壓、電流、功率等）同時還將顯示單位。這些輔助顯示隨著用戶要觀測的電能信息的不同而自動的切換。按鍵的設計如圖 4- 9所示：圖 4- 9按鍵原理圖該按鍵從左到右依次為上翻頁、下翻頁、菜單和回車。通過按下菜單鍵可以顯示出第一個菜單項，通過上下翻頁按鍵來切換菜單和子菜單下的對應項目，當用戶設置完想要設置的項目的時候，可以通過按下回車鍵來確定輸入。4.3控制和計量的設計4.3.1主控芯片的

36、選擇儀器的MSP430系列是一種超低功耗微控制器系列，由針對各種不同應用模塊組合特性的多種型號組成微控制器設計成可使用電池長時間工作由于其 16 位的體系結(jié)構(gòu)，16 位的 CPU 集成寄存器和常數(shù)發(fā)生器，可使 MSP430 實現(xiàn)了最大化的代碼效率。數(shù)字控制振蕩器使所有低功率模式喚醒到運行模式小于 6us 的喚醒時間。MSP430x13x 和 MSP430x14x 系列是有兩個置 16 位定時器，一個快速12 位 A/D 轉(zhuǎn)換器，一或兩個通用串行同步/異步通信接口(USART)和 48 個 I/O引腳構(gòu)造的微控制器。典型應用包括傳感系統(tǒng)，捕獲模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字值，處理并發(fā)送數(shù)據(jù)到主系統(tǒng)。定時器令

37、 MCU 配置適合于數(shù)字電機控制，EE 儀表，手持儀表等的工業(yè)控制應用。硬件乘法器增強了性能，并提供一個代碼與硬件廣泛兼容的系列解決方案。1) MSP430單片機的特點：l 低電壓，超低功耗MSP430系列單片機，在1.83.6V電壓，1MHz的時鐘條件下運行，耗電電流因不同的工作模式而不同；具有16個中斷源，并且可以任意嵌套，使用靈活方便；用中斷請求將CPU喚醒只要6us,可編制出實時性特別高的源代碼；可將CPU置于省點模式，以用中斷方式喚醒程序。l 強大的處理能力MSP430系列單片機，為16位RISC結(jié)構(gòu)，具有豐富的尋址方式，簡潔的27條核指令以與大量的模擬指令；大量的寄存器以與片數(shù)據(jù)存

38、儲器都可以參加多種運算；還有高效的查表處理方法；有效的處理速度，在8MHz晶體驅(qū)動下，指令周期為125us。這些特點保證了可編程出高效的源程序。l 系統(tǒng)工作穩(wěn)定上點復位后，首先有DCOCLK啟動CPU，以保證程序從正確的位置開始執(zhí)行，保證晶體振蕩器有足夠的起振穩(wěn)定時間。然后可設置適當?shù)募拇嫫鞯目刂莆粊泶_定最后的系統(tǒng)頻率。如果晶體振蕩器在用作CPU時鐘MCLK時發(fā)生故障，DCO會自動啟動，以保證系統(tǒng)正常工作；如果程序跑飛，可用看門狗將其復位。l 豐富的片外設MSP430系列單片機的各成員都集成了較豐富的片外設。l 方便高效的開發(fā)環(huán)境目前MSP430系列有4種類型器件：OTP型，F(xiàn)LASH型，EP

39、ROM型和ROM型。這些器件的開發(fā)手段不同。對于OTP型和ROM型的器件是用相對應的EPROM型器件作為開發(fā)片，或使用仿真器開發(fā)成功之后在燒寫或掩膜芯片；而對于FLASH型則有十分方便的開發(fā)環(huán)境，因為器件片有JTAG調(diào)試接口，還有可點擦寫的FLASH存儲器，因此采用先下載程序到FLASH，再在器件通過軟件控制程序的運行，由JTAG接口讀取片信息供設計者調(diào)試使用的方法進行開發(fā)。這種方式只需要一臺PC機和一個JTAG調(diào)試器，而不需要仿真器和編程器。開發(fā)語言有匯編語言和C語言。l 工業(yè)級的產(chǎn)品MSP430系列器件均為工業(yè)級的，運行環(huán)境溫度為-40+80度。2) MSP430F149單片機的介紹：低電

40、源電壓圍：1.83.6V；超低功耗：2.5uA 4kHz 2.2V； 160uA 1MHz 2.2V；待機模式：1.6uA；關閉模式(RAM 保持)：0.1uA；活動模式：280uA at 1MHz，2.2V； 5 種省電模式；6us 從待機模式喚醒；16 位 RISC 結(jié)構(gòu)，125ns 指令周期；帶部參考，采樣保持和自動掃描特性的 12 位 A/D 轉(zhuǎn)換器；有 7 個捕獲/比較寄存器的 16 位定時器 Timer_B； 有 3 個捕獲/比較寄存器的 16 位定時器 Timer_A ；片集成比較器；串行在線編程，無需外部編程電壓，安全熔絲可編程代碼保護.；MSP430F149：60KB+256

41、B 閃速存儲器，2KB 的 RAM；可用封裝：64 腳方形扁平封裝(QFP)如圖 4- 10所示。3) MSP430F149單片機的引腳：MSP430單片機有豐富的端口資源，各產(chǎn)品型號不同，所含端口資源不同，各端口都有豐富的功能以與大量的控制寄存器供用戶操作。MSP430系統(tǒng)中沒有專門的輸入/輸出指令，輸入/輸出操作都是通過傳送指令完成的，端口P0P6都是可以為尋址的，也就是說端口的每一位都可以單獨配置。其中，P0、P1和P2口具有中斷能力；TP0具有三態(tài)輸出能力；S和COM是為液晶的驅(qū)動而專門設置的端口。目前MSP430所有系列單片機的總線都不對外開放，所以端口就成為用戶可以利用的重要資源。

42、MSP430的端口可以直接用于輸入/輸出，以實現(xiàn)多功能復用，還可以為MSP430系統(tǒng)擴展設備提供必要的邏輯控制信號。常見的鍵盤接口電路可以直接用端口進行模擬，用查詢或中斷方式控制。其引腳如圖 4- 10所示：圖 4- 10MSP430單片機引腳圖最小系統(tǒng)的設計圖 4- 11最小系統(tǒng)原理圖復位電路采用的是上電復位方式，如上圖所示。在圖中左上角的芯片是一個硬件看門狗還附帶有欠壓檢測功能當電壓降到一定得值時1腳就會輸出復位信號是CPU復位，右上角的是一個低功耗、低壓降的三端集成穩(wěn)壓芯片ASM1117，輸出穩(wěn)壓為3.3V，該單片機的晶振有兩個輸入源，上面那個是低速晶振給片上外設提供時鐘，下面那個是告訴

43、晶振，主要是給CPU核提供時鐘。4.3.2計量芯片的選擇與設計目前市場上主要的三相計量芯片有ADE7758，ATT7026A，PL3223，三者都用于三相多功能電能計量，均適用于三相三線制和三相四線制具有50Hz或60Hz標準頻率的電網(wǎng)。在電能計量上的差別主要有：ADE7758提供各分相參數(shù)；支持過壓、過流、線電壓跌落、獲得電流/電壓采樣值、在指定時間檢測到/未檢測到過零點、相序錯位、有功/無功功率符號變化、有功/無功/視在電能累加寄存器半滿、電網(wǎng)周期累加模式下最后一個過零點檢測完畢等中斷。但不提供功率因數(shù)、相角與各項電能參數(shù)。ATT7026A提供各分相、合相參數(shù)，但不具有中斷功能。PL322

44、3提供若干間接參數(shù)。依次計算出電壓有效值、電流有效值、線電壓頻率等參量，智能提供過壓、欠壓中斷?？紤]到本設計需要提供的電能參數(shù)的多樣性，因此選擇了可以提供多種中斷源的ADE7758芯片。ADE7758是一款高精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位二階模數(shù)轉(zhuǎn)換器，數(shù)字積分器，高性能DSP，基準電路與溫度傳感器等電路，以與所有進行有功、無功和視在電能計量以與有效值計量所需要的信號處理單元，在1000:1動態(tài)圍誤差小于0.1%，提供有功、無功、與視在電能、電壓、電流有效值與波形采樣等數(shù)據(jù)；三相三線/三相四線兼容。ADE7758為各相提供系統(tǒng)校準功能，包括有效值偏

45、移校準、相位校準、功率校準，DSP部對功率電能進行了補償；提供獨立的有功電能與無功電能脈沖輸出。這些功能特點大大減少了MCU的軟件開發(fā)工作量，簡化了電能測量新應用模塊的設計難度，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，是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，變化的閥值電壓和持續(xù)時間（即半周期數(shù)）有用戶編程決定。三相中的任何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一個周期，也可用于部芯片的線循環(huán)

46、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。在本設計中，ADE7758將電流信號和電壓信號先進行采樣、A/D（模/數(shù)）轉(zhuǎn)化和相位校準，將初始采樣值送入波形采樣寄存器以供諧波分析使用，再將電流和電壓進行計算，得到各相的有功、無功和視在3種電能，并將3種電能累加到ADE7758對應得寄存器中，同時由單片機通過ADE7758的LINECYC模式計算出有功、無功、視在功率，波形采樣寄存器的值定時傳入上位機。數(shù)據(jù)通過ADE7758的SPI串行接口與單片機進行通信。中斷請求輸出（IRQ）為開漏極，低電平有效。在ADE7758中出現(xiàn)一個或多個中斷事件時，IRQ輸出變?yōu)榈碗娖?/p>

47、。通過狀態(tài)寄存器顯示中斷事件的性質(zhì)。電路設計與各引腳具體設計方式如圖 4- 12所示：圖 4- 12電能芯片設計原理圖如圖 4- 12所示，在本設計中ADE7758各主要引腳功能與本設計中的具體使用方式詳細介紹如下：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。本設計中作為有功電能脈沖從儀表中送出。2) IAP，IAN，IBP，IBN，ICP，ICN：電流通道模擬輸入。這些輸入時全差動電壓輸入，允許最大的差動輸入信號為，（相對于UN端），根據(jù)部放大器的增益選擇來設定輸入電壓的最大值。本設計中為了

48、增加A/D轉(zhuǎn)換精度和模擬抗干擾性，提高ADE7758模擬端口的信號幅值，故選擇的最大輸入為0.5V，前級信號調(diào)理設計見4.1節(jié)。所有的輸入引腳均能承受的過電壓而不會造成永久損壞，并具有靜電釋放保護電路。3) VN，VCP，VBP，VAP：電壓通道模擬輸入。這些輸入是單端電壓輸入，選擇最大信號電壓為：（相對于UN端）。具體描述與電流通道的模擬輸入相似。4) VARCF：復功率校準頻率邏輯輸出。通過設置WAVMODE寄存器的VACF為來選擇輸出復功率或者視在功率。該輸出用于電參數(shù)測量模塊的校準。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)。在本設計中用來輸出無功電能脈

49、沖。5) IRQ：中斷請求輸出?？善帘蔚闹袛喟ǎ河泄δ芰考拇嫫?、視在功率寄存器半滿和波形采樣速率達到26Ksps。6) CLKIN：芯片主時鐘。最高位15MHz，可以用一個外部時鐘信號來提供時鐘輸入。考慮到ADE7758的運行效率，本設計采用了在CLKIN和CLKOUT端并聯(lián)一個10M的晶振來提供時鐘信號，接一個20PF的瓷片電容到振蕩端。7) 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)。8) SCLK：串行時鐘信號輸入端。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，以適應速度較慢的邊沿變化時間。9) DOUT：串行口的數(shù)據(jù)輸出端。在SCLK信號的上升沿數(shù)

50、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)。為了避免外界電網(wǎng)通過電能計量電路對中央控制電路的干擾，本設計中電能計量電路與中央控制電路在電路印制板上設置了一定得隔離距離。ADE7758部結(jié)構(gòu)與工作原理如圖 4- 13、圖 4- 14所示，ADE7758集成了模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器、數(shù)字積分器、參考電壓源、溫度傳感器以與狀態(tài)寄存器，狀態(tài)寄存器配置電量參數(shù)的計算過程。三相電壓和電流的模擬信號經(jīng)可變增益放大器PGA和AD變換，輸出離散數(shù)字信號，從而進一步計算電能的有效值、功率、電量等參量。ADE7758有6路模擬量輸入，分為電流和電壓兩個通道圖 4- 13電能芯片電流通道原理圖如圖 4- 13所示

51、，B相、C相的電流測量通道與此一樣。這些輸入是全差動電壓輸入，允許差動輸入信號圍可選為±05V，±025V，±0125V(相對于UN端)，根據(jù)部放大器的增益選擇來設定輸入電壓的最大值。前端采樣電路的放大器增益PGA寄存器來設定。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。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?？梢?，電流通道信號經(jīng)信號放大PGA和模數(shù)變換ADC轉(zhuǎn)換為對應的數(shù)字信

52、號，然后經(jīng)電流通道的高通濾波器HPF濾除DC分量并數(shù)字積分，處理后的結(jié)果輸出至三個方向：電流有效值計算、波形采樣寄存器、有功與無功電能計算。由于輸入時可能有噪聲干擾會造成電流相位偏移，可通過寫入AIRMSOS，BIRMSOS，CIRMSOS寄存器進行補償。圖 4- 14電能芯片電壓通道原理圖電壓測量通道如圖4-14所示，B、C相電壓通道與此一樣，具有3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圍為±0.5V，信號處理流程與電流通道類似，電壓通道的相位偏移可通過寫入AVRMSOS，BVRMSOS，CVRMSOS寄存器進行補償，在此不再贅述。AD

53、E7758部結(jié)構(gòu)設計采取的是交流采樣法，置高精度的ADC以與專用的數(shù)字處理電路，大大簡化了設計過程，提高精度和可靠性。4.3.3存儲單元的選擇在實際應用中可能會由于某種原因使儀表突然斷電，這樣就會是存儲在CPU ram中的重要數(shù)據(jù)丟失。另外，由于本電測儀表所要測量的電能數(shù)據(jù)很多，即使有些CPU帶有可以被用戶利用Flash，但一般這些Flash的容量都不大也不能存儲太多的數(shù)據(jù)，所以選擇一款非易失性的存儲單元是很重要的。在本設計中采用的是一種鐵電存儲器FM25640，這種存儲器是非易失性的，但是它的性能卻像RAM一樣。它可以可靠存儲數(shù)據(jù)達到10年之久，同時還去除了由EEPROM和其他的非易失性存儲

54、器所帶來的復雜性、附加性和系統(tǒng)級的可靠性問題。FM25640的存寫速度可以達到總線級的速度，不像EEPROM那樣還要等待，這樣就大大加快了存寫的速度，提高了效率。圖 4- 15FM25640引腳圖各個引腳功能如下：片選引腳，用來使能芯片。SO：串行口的輸出引腳。：寫入保護引腳。這個引腳可以禁止寫操作狀態(tài)寄存器。VSS：電源正極。VDD：電源漏極。：保持引腳。當CPU要暫時中斷存對儲器的操作的時候，該引腳用來保持當前對存儲器的操作狀態(tài)，當CPU空閑時可以繼續(xù)中斷時的操作繼續(xù)操作。SCK：串行口的時鐘信號，用來同步I/O，在上升沿鎖存輸入數(shù)據(jù)，在下降沿鎖存輸出數(shù)據(jù)。SI：串行口的輸入引腳。4.4通

55、信部分的設計目前常用的穿行接口標準有RS-232、RS-422、RS-485，其中RS-232被定義為一種在低速率串行通訊中增加通訊距離的單端標準。RS-232采取不平衡傳輸方式，即所謂單端通訊。這種通訊方式共模抑制能力差，再加上雙絞線上的分布電容，其傳輸距離最大為約15米，最高速率為20Kb/s。RS-232是專門為點對點通訊而設計的。RS-422和RS-485與RS-232不一樣，數(shù)據(jù)信號采用的是差分傳輸方式，也稱作平衡傳輸，它使用一對雙絞線。其最大傳輸距離約為1219米，最大傳輸速率為10Mb/s。平衡雙絞線的長度與傳輸速率成反比。RS-485與RS-422相比其輸出共模電壓要略高一些，

56、其接收器的最小輸入阻抗也略大一些，所以RS-485要比RS-422的帶載能力強，所以在總線上最多可以接32個設備，而RS-422最多可以接10個接點。由于本設計大多數(shù)是用在工廠或者電廠，所以一般儀表的數(shù)目較多，在本設計中采用了485通信。而在眾多接口芯片中MAX1487改進了設計使功耗降到很低最多可以再總線上掛128個控制器，所以通信接口我們選擇MAX1487芯片。其引腳與引腳功能如下：圖 4- 16MAX1487引腳與部結(jié)構(gòu)圖RO：接收器輸出：若A>B200mV，則RO為高電平；若A<B200mA,則RO為低電平。：接收器輸出使能，低電平時RO有效。DE：驅(qū)動器輸出使能。DI：驅(qū)動器輸入。：電源正極。B：接受（發(fā)送）反向端。A：接受（發(fā)送）同向端。GND：電源地。本設計的硬件電路如下圖所示：圖 4- 17RS-487通信原理圖其中光隔起保護隔離作用，R13、R14、R17、還有Q1構(gòu)造了一個邏輯電路，這個電路可以使TXD1發(fā)送信號的時候是MAX1487工作在輸出模式，當該引腳處于空閑狀態(tài)的時候使MAX1487工作在接受模式，省去了對引腳、DE附加控制。D8、D9一方面對A、B起到保護作用防止負電壓