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摘要:介紹了運(yùn)用Atmage32控制器實(shí)現(xiàn)的電子式電參數(shù)測(cè)量?jī)x。該測(cè)量?jī)x可以將傳感器測(cè)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(shí)現(xiàn)對(duì)電壓、電流、有功功率、功率因數(shù)、電量、頻率等電參數(shù)的實(shí)時(shí)測(cè)量和顯示。各測(cè)量參數(shù)精度符合實(shí)際需要,并且具有大負(fù)載斷電報(bào)警等人性化功能。

關(guān)鍵詞:單片機(jī);電參數(shù);信號(hào)采樣;Atmage32

1背景簡(jiǎn)介

目前比較常見的電子式電參數(shù)測(cè)量?jī)x有兩種結(jié)構(gòu):一種是專用電力測(cè)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(cè)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(diǎn)了是簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì),提高了電參數(shù)的計(jì)算精度。同時(shí),系統(tǒng)的體積,功耗和可靠性的得到了明顯的提高?？梢酝ㄟ^外圍電路和輔助軟件設(shè)計(jì)來擴(kuò)展系統(tǒng)功能。但該方案整體價(jià)格較貴,不適用于對(duì)精度要求不是很高但對(duì)造價(jià)要求嚴(yán)格控制的產(chǎn)品。

另一種是采用普通型MCU+AD結(jié)構(gòu)。相對(duì)與第一個(gè)方案,該方案的硬件結(jié)構(gòu)上簡(jiǎn)單了,但增加了軟件的任務(wù)量,對(duì)軟件的設(shè)計(jì)提出了更為嚴(yán)格的要求。但是該方案應(yīng)用具有較長(zhǎng)的時(shí)間,擁有比較成熟的技術(shù)如:信號(hào)調(diào)理,信號(hào)采樣,參數(shù)計(jì)算的算法等。這種結(jié)構(gòu)還具有的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是造價(jià)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(duì)電參數(shù)精度要求不是很高時(shí),采用第二種完全可以滿足要求,且在價(jià)格上具有一定的優(yōu)勢(shì)。本文將描述基于單片機(jī)加AD傳感器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

2系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)及分析

本系統(tǒng)是針對(duì)傳統(tǒng)型電參數(shù)儀設(shè)計(jì)的,帶有控制面板和顯示面板?？刂破鞑捎昧薃Tmel公司推出的基于RISC結(jié)構(gòu)的AVR系列單片機(jī)Atmag32,負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集和處理還有人機(jī)交互的管理。電壓信號(hào)傳感器選用美國(guó)貝爾技術(shù)有限公司生產(chǎn)的NV600。電流信號(hào)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(jī)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(bào)警電路是由LED和蜂鳴器組成。主要完成的功能是:電壓信號(hào),電流信號(hào)的采集;進(jìn)行有功功率,功率因素和電量的計(jì)算;實(shí)現(xiàn)電參數(shù)值的實(shí)時(shí)顯示;大負(fù)載斷電報(bào)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(duì)簡(jiǎn)單,計(jì)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(shí)現(xiàn)的限制因數(shù)更少,實(shí)際情況更接近理論精度,硬件同步采樣的精度優(yōu)勢(shì)相對(duì)下降。

3系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件從輸入到輸出可分為五大模塊:信號(hào)采集模塊、信號(hào)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(hào)采集模塊

電壓傳感器選用的是NV-600型號(hào)的電壓互感器,可精確測(cè)量交流電壓,并提供了被測(cè)電壓與輸出信號(hào)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(cè)量交流電,線性度可以達(dá)到0.1%,并提供輸如電流和輸出信號(hào)的電氣隔離。

3.2信號(hào)調(diào)理模塊

在信號(hào)經(jīng)過傳感器測(cè)量獲得后,所得到的電壓、電流信號(hào)是無法被控制器直接識(shí)別的模擬量。并且這種模擬量存在諸多缺點(diǎn),比如含有一些噪聲信號(hào)量(比如告高次諧波等)、測(cè)量誤差量,數(shù)值過小導(dǎo)致AD轉(zhuǎn)換時(shí)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(duì)上述問題,在電子式電參數(shù)測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)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?？商峁?V或0至+5V模擬出入范圍,可提供±16.5V的過壓保護(hù),具有優(yōu)異的動(dòng)態(tài)特性和直流精度。Atmega32是Atmel公司推出的AVR系列單片機(jī),具有高達(dá)16MIPS的處理能力,同時(shí)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(gè)特點(diǎn)。

3.4外設(shè)(按鍵及顯示)模塊

由于單片機(jī)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(jì)的ZLG7290I2C接口鍵盤及LED驅(qū)動(dòng)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(shí)現(xiàn)外設(shè)的控制?？沈?qū)動(dòng)8位的共陰數(shù)碼管和64個(gè)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(cè)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(yùn)算放大器,+15V給運(yùn)算放大器及傳感器電壓電源。

4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

鑒于系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性以及任務(wù)的數(shù)量不多,軟件采用了常用的前/后臺(tái)程序設(shè)計(jì)方案。軟件的主要功能主要分為三個(gè)部分:信號(hào)采樣,數(shù)據(jù)處理及電參數(shù)計(jì)算,按鍵處理及顯示。其中信號(hào)采樣是以一定頻率進(jìn)行的,故在后臺(tái)運(yùn)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(yùn)行。數(shù)據(jù)處理及電參數(shù)計(jì)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(jì)算。流程圖見2。

4.2信號(hào)采集

電壓及電流信號(hào)的采集是等時(shí)間間隔進(jìn)行的,所以在定時(shí)中斷中觸發(fā)信號(hào)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(diǎn)數(shù)是根據(jù)測(cè)得的頻率值確定的。頻率測(cè)量是通過ATmage32的捕獲功能實(shí)現(xiàn)。為了保證中斷不沖突,采用了信號(hào)量方法。流程圖見3。

圖2主程序流程圖

圖3信號(hào)采集流程圖

4.3按鍵處理及顯示

系統(tǒng)除了具有測(cè)量電參數(shù)的功能外,還具有報(bào)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?yàn)榘存I功能及顯示功能使用頻率相對(duì)較低(在設(shè)定時(shí)才會(huì)觸發(fā)),所以采用了外部中斷實(shí)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(jì)算與數(shù)字濾波

軟件設(shè)計(jì)部分除了常規(guī)的功能函數(shù)設(shè)計(jì),還考慮到系統(tǒng)需計(jì)算大量的數(shù)據(jù),并涉及到浮點(diǎn)運(yùn)算。由于控制器不支持浮點(diǎn)運(yùn)算,在進(jìn)行浮點(diǎn)計(jì)算時(shí)會(huì)占用相當(dāng)多的系統(tǒng)資源,所以在電參數(shù)計(jì)算過程中,我們使用了定點(diǎn)計(jì)算的方法,即利用數(shù)值移位的功能,來實(shí)現(xiàn)高精度高效率的計(jì)算方法。采用定點(diǎn)算法完全可以滿足系統(tǒng)的計(jì)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(jī)誤差,提高了電參數(shù)計(jì)算的精度。

5總結(jié)

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

本文設(shè)計(jì)的電參數(shù)測(cè)試儀除了完成傳統(tǒng)的電參數(shù)測(cè)試功能,還可以設(shè)置報(bào)警電流,并且報(bào)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(cè)得的電參數(shù)值。為了方便系統(tǒng)功能的擴(kuò)展和升級(jí),系統(tǒng)外部留有了串口接口可與PC機(jī)通信實(shí)現(xiàn)更多的輔助功能,同時(shí)利用控制器的在線可編程(ISP)功能,實(shí)現(xiàn)軟件的同步更新。

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