（电力电子与电力传动专业论文）基于专用dsp芯片的三相多功能电能表的研制.pdf

a b s t r a c t s c i e n t i f i cl o a d m a n a g e m e n ti s a ne f f e c t i v e w a yt o a l l e v i a t et h e c o n f l i c tb e t w e e nt h e p o w e r p r o v i d i n g a n d c o n s u m p t i o n t h ep r i m ar y g o a l o ft h i sr e s e a r c hi st o d e v e l o p an o v e l t h r e e p h a s e m u l t i f u n c t i o n a lp o w e rm e t ert o a d a p tt o t h en e wm a n a g e m e n tm o d e t h i s m e t e rw h i c hf u l f i l l sc l a s s0 5a c c u r a c y h a st h ef u n c t i o no f m u i t i p l e t a r i f f d s pt e c h n o l o g yg i v e st h i sm e t e rt h ea b i l i t yt om e a s u r ea l m o s t a l lt h ep ar a m e t er so ft h r e e - p h a s ep o w e rl i n ee x c e p tf orh ar m o n i c sa n d a l s om a k ei t p o s s i b l e t o c h a r g ef o r t h er e a c t i v e p o w e r d u r i n g t h e d e v e l o p m e n to ft h i s m e t e rw ee m p h a s i so n a c c u r a c y ，r e l i a b i l i t y a n d l o w p o w e r c o n s u m p t i o n w ed e s i g n f o urs t a b l e p u l s e so u t p u t b y a t 9 0 s 4 4 14t o r e p l a c et h eu n s t a b l ep u l s e so fa t 7 3 c 5 0 0 p a r a l l e lb u s ， s y n c h r o n i z e ds e r i a lb u sa n da s y n c hr o n i z e ds er i a lb u sa r eu s e di nt h e m e t e rf o rd a t at r a n s m i s s i o n t h el o wp o w e r c o n s u m p t i o nd e s i g no ft h e d a t ap r o c e s s i n gu n i ti s v e r yc h a r a c t er i s t i c s p e c i a la t t e n t i o nh a sb e e n p a i dt ot h er e l i a b i l i t ya n ds a f e t yo ft h ed a t apr o c e s s i n gu n i t t h ea d o p t o fs p e c i a l l yd e s i g n e dd s pc h i pm a k et h i sm e t e rs u p er i ort ot h eo t h e r t h r e e - p h a s em u l t i - f u n c t i o n a lp o w e rm e t e r s w i t hf u r t h erm o d i f i c a t i o n t h i sm e t e rw i l ig e tap r o m i s i n gpr o s p e c t k e y w o r d s i t h r e e - p h a s e m u l t i - f u n c t i o n a l p o w e r d i g i t a ls i g n a lpr o c e s s o r ( d s p ) s e r i a l p o r tl i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ( l c d ) m e t era v rm i cr o c o n f r o l l e r e e p r o mi n f r a r e di n t er f a c e 北方交通大学硕士学位论文第一章概述 1 1 课题背景 第一章概述 电能是社会生产、人民生活所必须的最重要的能源之一。建 国以后我国电力工业的发展取得了举世瞩目的成就，尤其是改革 开放以来，电力工业得到更大发展，我国发电设备装机容量、年 发电量均居世界第二位。但是国民经济的飞速发展和人民生活水 平的极大提高加剧了对电力供应的需求。电力供应和消费存在时 间和地区上不平衡的问题，这个问题不但阻碍了经济发展，而且 干扰了人民群众的正常生活。电力供求的矛盾固然可以通过新建 电厂，增加装机容量来解决，但这种方法不但需要大量投资，而 且存在环境和生态问题，因此有必要寻求一种更为科学、有效的 方法解决这一矛盾。更新换代电能表，采用科学的方法进行负荷 管理是投入少、见效快的首选方法。拒专家分析论证：全国在不 新增装机容量的情况下，只要采取分时计费的方法加强用电管 理，合理用电，就能开发出6 0 的电力1 18 1 。实施分时电价政策 的前提是使用具有复费率功能的新式多功能电能表。使用新式多 功能电能表还可以有效地解决老式感应式电表存在的精度差、功 耗大及线性度不好等问题，减少国家在用电计费上由于电能表的 问题而带来的损失，从而改变我国电能测量的落后状况。 本世纪3 0 年代国外就开展了电力负荷控制方面的研究，6 0 7 0 年代一些装置获得了广泛应用。峰谷分时电价政策在许多国家已 经实行，如美国、法国、日本等国根据本国情况，制定出分时电 价时段的划分、适用范围等。我国为了加强计划用电，以往多采 用行政手段进行控制。到8 0 年代初开始了电力负荷控制的试点 与推广。1 9 8 0 年在河南郑州、平顶山地区试点峰谷分时电价， 基于专用d s p 芯片的三相多功能电能表的研制 北方交通大学硕士学位论文第一章概述 取得了调整用电负荷的效果。1 9 8 5 年国务院以国发( 1 9 8 5 ) 7 2 号文批转的关于鼓励集资办电和实行多种电价的暂行规定要 求全国推广峰谷分时电价，但由于种种原因分时电价没有得到普 遍推广，实行范围很小。直至1 9 9 2 年东北三省和四川省对1 0 0 k v a 以上用户全面推行分时电价和1 9 9 5 年全国计划用电工作会议 后，峰谷分时电价才在全国切实、有效、全面地推行m 1 。 推行峰谷分时电价的物质基础是必要的计量手段一一分时电 能表( 又称复费率电能表、峰谷电能表) 。分时电能表再附加一 些特殊功能就构成了多功能电能表。分时电价推行的过程也是多 功能电能表技术发展的过程，同时也是对产品质量考核的过程。 我国虽然引进了国外一些多功能电能表，但其在功能、价格、维 护等方面不能完全适合我国现阶段的需要，因此迫切需要一种高 质量、高可靠性、功能齐全、价格低廉的多功能电能表。近几年 来随着半导体技术的飞速发展，新技术、新产品不断问世，使开 发新式多功能电能表成为可能。本课题的研究工作就是在此背景 下展开的。 目前，国内外新型的多功能电能表正朝着以下方向发展： ( 1 )体积小型化 早期的机械式复费率表的体积比较大。目前代表多功能电能 表发展方向的全电子式多功能电能表在体积、重量两方面都远小 于机械式或机械电子式电能表。 ( 2 )功能多样化 除了分时计价的基本功能外，又增加了最大需量、脉冲输出 的功能。一些先进的多功能电能表增加了固定汉字显示、红外线 抄表接口、智能接口等功能，还可以同时计量有功电能、无功电 能，记录失压，监测负荷等，做到一表多用。 ( 3 )功耗减小，维持电流降低 基于专用d s p 芯片的三相多功能电能表的研制 一2 - j 方变通大学硪士学位论文 第一章概述 某些多功能电能表的视在功率能做到2 v a 以下，停电维持时 电流能做到lua 以下。后备电源的供给采用高效锂电池，放弃 了惰性较大的可充电电池。 ( 4 ) 采用新器件，提高了可靠性 多功能电能表的发展离不开电子技术的发腠。单片机特别是 低功耗单片机应用予多功能电能表是近年来的明显特点。单片杌 功能全、价格低，加上为数不多的外围电路就能构成完整的复费 率单元，通过对单片杌的软件编程w 以实现一照完全由硬件电路 穰难实现的功能。近年来国内外有些厂家将专用集成电路 ( a s i c ) 技术成用于多功能电能表，使多功麓电能表的可靠性 避一步褥蓟捷高。近年来多功能电能表的黉外个特点是广泛使 确电可撩写j 易失髋存储器e e p r o m ，e e p r o m 的数据可戬保 持1 0 年以上，数据傈待不需要后备电源。 ( 5 驻示方式普遍更新 使用高效发光二板管和低功耗液晶显示器已成为多功能电能 袭的发展趋势。这两种箍示器可显示的内容更多，逐步取代了传 统的继电器、步避电橇和梳械数码轮显示方式。 ( 6 )编程抄表方式多样纯 | 赫有的分对电能表一般用夺键盘编程，瑗场蔫纸、笔记录抄 表。现在可供选择静编程抄表方法有许多种，侈l 魏现场红舞线菲 接融式编程秒表、秃线电编程抄表、串行接日耀络编稷抄表等， 有些多功能电能表述可黻实现遴程编稔抄表。 1 2 电能测藿原理简奔 瞧能表棒爻一释溅囊仪表它的性熊、戏零等捂标蓑先取决于 电能表群使掰鹣测豢方式。电能表按王辛# 缀理豹不弱霹墩分为电 基于专用d s p 芯片的三相多功能电能寝的研制 + 3 北方交通火学硕士学位论文 第一章概述 解式、感应式和静庶式三大类。其中交流龟能测爨主要采用感应 式秘静盘式。感应式电能表受其原理鄹结搦等因索的制约，避一 步扩展功能和提高精度是有限度的。静止式电能袭是采用电子方 式把擎相或三稽交流功率转换簸脉7 串藏其他数字豢静仪表，又稼 全电子戏电能表，宅具有测量精度高、功能扩展容易、可测频带 宽、线性度好、过载能力强、功耗低、重爨轻以及体积小等诸多 傀熹。避些年来静庶式奄能表菠逐澎嘏我感应式瞧戆袭。 根搬转换方式的不同静止式电能寝可以分为热电变换型、模 拟，数字变换( a d c ) 型、时分割乘法型和霍尔乘法黧等几种类 黧。热魄交换型裂耀电缝熬热效应产生热擞，再捌题热电元传恕 热能转换成一个正比于电功率的电信号。模拟数字变换型电能 检测方式将三相的电压、电流瞬时值转换为数字慧，蠢徽处璞器 对宅粕进行分辑处理。a d c 检测到的是反映三相电最基本的量， 微处理器可以对它们作各种数学处理，计算出瞬时功率、无功功 率、视在功率、电畿累计值、耄能传送静穷岗、凌率黧数、邀莲 魄流的大小等。时分割乘法型电能检测方式的核心是时分割桨法 器，时分割乘法器又称为p w m 乘法器，窀实质是一个脉宽、幅 麓调截器。输入对分割忝法器熬秀爨辕入信号分爨被遴霞脉宽秘 幅度调制，调制后得到的脉动信号的直流分量即为两路输入信号 的乘积。时分割乘法型电能检j l l | 方式使用时分割乘法器检测瓣时 凌枣。霍零豢法型使用鬟尔元佟检测电压髑电流熬乘积，输出与 电功率成正比的电信号。 热电交换型电能检测方式成本较高，逶霞予稍遗高藕凄饺 袋，不适合大援模生产。霍尔乘法器型电能表的优点憋可测频带 宽，但是成本较高，温度系数不好，精度般受外磁场影响较大， 谶诧应用不多。l l 重分割乘法嚣瀣电黢检测方式黧其成本低，精褒 较好聪褥到广泛应用，假一般都用予生产普通电能表。用时分割 蒸于专蠲d s p 芯片的三捆多功能电跳袭的研制 - 4 - 北方交通大学硕士学位论文 第一章概述 乘法器芯片研制多功能电能表的主要障碍在于功能扩展比较困 难。模拟数字变换型电能检测方式在精度、功能扩展、启动电 流、频率响应等方面都适于研制开发多功能电能表，但使用通用 微处理器芯片开发多功能表存在着软件开发周期长、可靠性差、 成本高等问题。近几年来出现了使用模拟数字变换型电能测量 专用芯片的新趋势。专用芯片是相对于半导体生产厂家的标准产 品而言的。以往此类电能测量芯片存在的造价高、电磁兼容性差 的问题随着芯片产量的提高以及半导体技术的发展都得到解决。 1 3 系统概述 本课题所要研制的三相多功能电能表要解决以往此类电能 表普遍存在的精度差、功能有限、结构复杂、成本偏高等问题， 因此首先要寻求一种优于以往多功能电能表的设计原理。以往此 类电能表有的是采用传统的模拟数字变换方式，这种方式开发 时间长、造价高，可靠性也不能让人满意；有的由单相电能测量 芯片搭成，实现多功能需要很多硬件辅助电路，结构复杂。 本课题选择了使用电能测量专用d s p 芯片的方案，这类芯 片是专门为研制生产电能表而设计的。本三相多功能电能表选用 了美国a t m e l 公司1 9 9 9 年最新推出的电能测量专用d s p 芯片 系列a t 7 3 c 5 0 0 和a t 7 3 c 5 0 l ，其中a t 7 3 c 5 0 1 为a d 变换 芯片；a t 7 3 c 5 0 0 为专用d s p 芯片。两片芯片配合工作可以测量 三相电正、反向有功电能和感、容性无功电能，同时还能测量三 相电每一相的有功功率、无功功率、视在功率、电压有效值、电 流有效值、功率因数和电网频率。有功测量精度达到1 级，无功 测量精度达到2 级。使用外接参考电源时有功精度可以提高到0 5 级，无功提高到1 级精度。 基于专用d s p 芯片的三相多功能电能表的研制 - 5 - 北方交通大学硕士学位论文 第一章概述 图1 1 三相多功能电能表的结构框图 本三相多功能电能表由测量单元、接口单元和数据处理单 元组成，结构框图如图1 1 所示。其中，测量单元以a t 7 3 c 5 0 0 和a t 7 3 c 5 0 1 为核心，完成功率、电能等参数的测量，测量结果 中累积量( 电能) 由脉冲输出，瞬时量通过并行总线输出。接口 单元由a v r 单片机a t 9 0 s 4 4 1 4 及其外围元器件构成，功能包括 将高速并行数据总线上的数据通过串行总线输出；发出四路脉 冲：校准电表。数据处理单元以n e c 单片机up d 7 5 3 1 1 6 为核心， 是三相多功能电能表各种功能的主要承担者。up d 7 5 3 1 1 6 从接 口单元的串行总线读入瞬时量，从测量单元的脉冲输出读入电 能：并对读入的数据进行处理。液晶显示和红外接口是三相多功 能电能表与外界实现数据交换的中介。串行e e p r o m 用于存储 一些重要的参数和数据。 本三相多功能电能表研制过程中精度、可靠性、功耗是主 要侧重点，并且充分考虑了产品化的要求，采用了很多有利于将 来推广应用的措施。 基于专用d s p 芯片的三相多功能电能表的研制 - 6 北方交通大学硕士学位论文第一章概述 1 4 本课题的技术指标及功能要求 本课题所要研制的三相多功能电能表主要技术指标及功能要 求如下“】： 技术指标： ( 1 )精度：有功o 5 级 无功1 0 级 ( 2 )额定电压：3 2 2 0 v ( 3 )最大电压：3 x 2 7 0 v ( 4 )基本电流( i b ) ：1 5 a ( 5 )最大电流：6 a ( 6 ) 时钟误差：o 5 s d a y ( 7 )电池工作寿命：1 0 年 ( 8 )启动电流：0 4 i b ( 9 )电源工作电压范围：v 2 0 ( 1 0 ) 功耗：整机6 v a 功能要求： ( 1 )具有红外接口、液晶显示器和后备电源 ( 2 )统计用电数据 ( 3 )显示多功能表当前状态、内部参数及统计数据 ( 4 )通过手持电脑完成抄表和编程 具体技术指标及功能要求由于篇幅限制从略。 基于专用d s p 芯片的三相多功能电能表的研制 7 j t 方变通大学硕士学位论文第二章测量单元的结构及原理 第二章测量单元的结构及原理 2 。1a t 7 3 c 5 0 0 及a t 7 3 c 5 0 1 奔绍 a t 7 3 c 5 0 0 和a t 7 3 c 5 0 1 为美国a t m e l 公司1 9 9 9 = 年推邀熬 电能测量专用芯片，其中a t 7 3 c 5 0 1 为a d 变换芯片，a t 7 3 c 5 0 0 为d s p 芯片，使用这两种芯片配合正作测量三相电参数具有如 下特点： ( 1 ) 滚足i e c l 0 3 6l 级壤度要求 ( 2 ) 使用外部湿度补偿的参考电源瀵足i e c 6 8 70 5 秽0 。2 级精度 ( 3 ) 测量三相有功功率、无功功率、视在功率和电能 ( 4 ) 灞量功率函数、电两频率、电篮和电流有效值 ( 5 ) 多糖藏单据运行 ( 6 ) 接口灵活：具囊8 位徽处理器接墨、8 使炊态辕爨、8 路脉冲输出 ( 7 ) 支持增益和相位校准 ( 8 ) 支持低端非线性校准 ( 9 癌动奄流冒编程 f 2 ) 。 a d 变换器的数字电路部分包括一个d e c i m a t i o n 滤波器， 和一个抽取器。d e c i m a t i o n 滤波器的功能包括三部分：滤除反馈 环引入的高频量化噪声；滤除模拟输入信号中没有被前置滤波器 基于专用d s p 芯片的三相多功能电能表的研制 1l 韭互至望奎兰堡主堂垡堡奎 笙三皇型量望垂塑丝塑垦垦堡 滤除的2 以外的分量；将b 位采样升高为b 位。抽取器的作 用是将信号的采样频率由城降为，。 一阶s i g m a d e l t a 调制器的离散数学模型如图2 - 5 所示。 圈2 5 一阶s ig m a d e l l a 调制器的离散数学模型 累加器的传递函数为： 郴) = 品 输出y ( z ) 可以表示为： 月( z ) ( y ( z ) 一y ( z ) ) + 五( z ) = 】，( z ) 整理得： y ( z ) = 器邢) + 志耶) 可以写成： j ，( z ) = h ；( z ) r ( z ) + h n s ( z ) e ( z ) 其中： 哪) = 怒 幡( z ) 。雨 代入川刁的表达式得出： d e c i m a t i o n t i l l e r 基于专用d s p 芯片的三相多功能电能表的研制 - 1 2 - 曩 酣 ” 幻 ” 协 协 协 协 j ! 查銮望奎堂堕主兰垡鲨壅 苎三兰型量璺垂塑丝塑垄堡墨 h ；( z ) = z 一 i n s ( z ) = i z 。 h z ) 可以表示成： j ，( z ) = z x ( z ) + ( 1 一z 1 ) e ( z ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 在时域内可以表示成： y ( ) 2 x ( h 一1 ) + 占( 疗) ( 2 - 1 4 ) 滤波以后的量化噪声为： e ( n ) = e ( n ) 一e ( n 一1 ) 铮( z ) = ( 1 一z “) e ( z ) ( 2 - 1s ) 可以看出量化输出y ( 疗) 是输入延迟l 拍与滤波后量化噪声的 和。因为噪声已经由公式( 2 - 1 2 ) 高通滤波，再对y ( h ) 进行低通 d e c i m a t i o n 滤波后，噪声的残余量就非常少了。 a t 7 3 c 5 0 l 内部集成的s i g m a d e l t a 调制器以主时钟频率对输 入信号进行采样。最大的采样频率为2 0 5 m h z ，对应抽取后的 采样频率约为2 0 k h z 。a t 7 3 c 5 0 1 高过采样率( 5 1 2 ) 与s i g m a ， d e l t a 调制器的使用保证了良好的信噪比( 8 9 d b ) ，降低了芯片 内部模拟电路a d 变换的位数，同时大大减化了前置抗混叠滤 波器的结构，简单的一阶r c 滤波器即可，因此整个a d 变换 器和前置模拟电路的成本都得到降低。 使用a t 7 3 c 5 0 1 的内部参考电压发生器可以保证l 级精度， 如果要在大范围的温度内保证优良的精度，需要将内部参考电压 旁路掉，代之使用外部参考电源，此时a d 变换的精度取决于 外部参考电源的温度系数。 a t 7 3 c 5 0 1 内部的电压监视电路由模拟电源供电，a t 7 3 c 5 0 1 基于专用d s p 芯片的三相多功能电能表的研制 i ! 查銮望奎兰堡主堂堡堡塞 釜三童型量望垂竺丝塑墨要里 和a t 7 3 c 5 0 0 的数字电源作为被监视对象。比较器输入的门槛电 压为4 2 v ，比较器还有一个小滞环电路防止电压接近门槛电压 时发生振荡。 a t 7 3 c 5 0 1 具有内部振荡电路，外接石英晶振可以工作在 1 m h z 到1 0 m h z 范围内。如果需要超过此范围的时钟频率需要 使用外部时钟信号，此时时钟频率上限为2 0 5 m h z 。a t 7 3 c 5 0 1 提供缓冲后的时钟输出，为a t 7 3 c 5 0 0 提供时钟信号。 2 1 2a t 7 3 c 5 0 0 介绍 a t 7 3 c 5 0 0 为4 4 引脚p l c c 封装的新型电能测量专用芯片， 它具有一个高效的数字信号处理器( d s p ) 内核，d s p 技术的使 用使a t 7 3 c 5 0 0 具有其他电能测量芯片所没有的一些鲜明特点和 复杂功能。 a t 7 3 c 5 0 0 内部计算的原理如图2 - 6 所示。 图2 - 6a t 7 3 c 5 0 0 内部计算原理图 a t 7 3 c 5 0 0 先从a t 7 3 c 5 0 1 读入三相电压、电流的采样值，接 着对采样信号进行高通滤波，然后进行各种电参数的计算。单相 有功功功率的计算对应于下面公式： 基于专用d s p 芯片的三相多功能电能表的研制 1 4 北方交通大学硕士学位论文第二章测量单元的结构及原理 p = 争胁归专耄咖训础，( 2 - 1 6 ) 式中“( t ) 相电压瞬时值 i ( f ) 相电流瞬时值 r 电网周期 彳时间内的采样点数 卜采样周期 尸有功功率 首先，电流采样和电压采样相乘，所得结果在个电网周期 内累加，累加值除以累加的点数得出有功功率。最终输出的功率 值为1 0 个电网周期有功功率的平均值。 无功功率可以表示为： q = u l s i n 声 ( 2 1 7 ) a t 7 3 c 5 0 0 采用了移相的方法计算无功功率，具体做法是将 电压采样值移相2 ，相当于延迟5 m s ( 5 0 h z ) ，原理为： q ( f ) = 动s i n ( c o t 一要) 五s i n ( a t p ) = 2 u i s i n ( c o t 一鲁) s i n ( c o t 一妒) ：u 1 c 。s ( 妒一争- c o s ( 2 c o t 一伊一吾) 】 = u s l n 9 - u i c o s ( 2 c o t - 妒一号)( 2 - r 8 ) 在一个电网周期内对q ( ) 积分就可以得到无功功率： q = 寺应o ) a t = u s i n 妒( 2 _ 1 9 ) a t 7 3 c 5 0 0 使用数字h i l b e r t 变换将电压信号移相2 。理想 的h i l b e r t 变换器的脉冲响应为： 基于专用d s p 芯片的三相多功能电能表的研制 。1 5 。 北方交通大学硕士学位论文第二章测量单元的结构及原理 d ( 1 ：1 - c o s ( n k ) 、 廊 ， 一 k 。 ( 2 - 2 0 ) 它的频率响应如图2 7 所示。 ：7 -0 ： ： 一l ： 图2 7 理想h iib e r t 变换的频翠响应 将公式( 2 2 0 ) 所示的脉冲响应加窗并延迟后就可以得到实 际的h i l b e r t 变换器。将电压采样移相后a t 7 3 c 5 0 0 按照有功功 率的算法算出无功功率。由于数字h i l b e r t 变换的引入，无功功 率的测量带宽限制为3 6 0 h z 。正向有功、负向有功、感性无功和 容性无功的电能由对应的功率累加求出。视在功率、相电压、相 电流和功率因数分别按公式( 2 - 2 1 ) 、( 2 - 2 2 ) 、( 2 - 2 3 ) 和( 2 - 2 4 ) 算出： s = j d 2 + q 2 ，：旦 “ p c o s 2 一s 式中q 无功功率 卜视在功率 ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) 基于专用d s p 芯片的三相多功能电能表的研制 ! ! 查茎望查兰堡主兰垡堡壅 笙三童型量兰垂盟堕塑墨垦望 ( 一相电压有效值 卜相电流有效值 0 0 3 妒功率因数 频率的测量采用比较电网频率和a t 7 3 c 5 0 0 时钟频率的方 法，测量范围从2 0 h z 到3 5 0 h z 。 所有计算除频率外都在1 0 个电网周期内完成，结果修正后 分成6 个数据包，由数据总线输出。每个数据包之间至少有一个 电网周期的间隔。数据包输出的时序图如图2 - 8 所示。每包数据 骂 。 2 0 0 m s ( 晶振3 2 7 6 8 m h z ，电网频率5 0 h z ) 咋孪f 丙产_ 鼍手1 雩f 1 丐4 - 9 秽9 爷“9 警“9 警“9 警“ 数据包 几几几几几几几几几几 电网周期叫丁叫f 丁_ | 了丁叶f _ + f 矿叫f _ + 矿_ r 叫i 丁r 十 图2 - 8 数据输出时序图 头四个字节包含有同步信息、工作模式信息及状态信息，剩下1 2 个字节装载实际测量结果。 a t 7 3 c 5 0 0 的数据输出可分成三类：发给外围单片机的数据、 状态信息输出以及脉冲输出。数据总线既作为脉冲输出，又作为 单片机接口。 a t 7 3 c 5 0 0 具有e e p r o m 模式和微处理器模式两种工作模 式。e e p r o m 模式下校准数据从串行e e p r o m 读入，在微处理 器模式下校准数据由单片机从a t 7 3 c 5 0 0 的数据总线送入。 a t 7 3 c 5 0 0 工作在e e p r o m 模式时仍然可以使用外接微处理器。 2 2 测量单元结构及原理 测量单元的结构框图如图2 - 9 所示。测量单元以a t 7 3 c 5 0 0 和a t 7 3 c 5 0 1 为核心，由信号取样电路、逻辑电路及其他元器件 基于专用d s p 芯片的三相多功能电能表的研制 1 7 鲨查銮望奎堂堡主堂垡笙奎 笙三兰型量兰歪堕丝塑塾垦里 图2 - 9 测量单元结构框图 共同组成。三相电压信号分别使用电阻分压器提取。被测三相电 流由一次电流1 5 ( 6 ) a 、二次电流5 m a 、二次负荷2 0 q 的电 流互感器转化为电压信号。 由于校准数据直接影响测量精度，而且每次复位后a t 7 3 c 5 0 0 都要重新读入校准数据，如果a t 7 3 c 5 0 0 使用微处理器模式，导 入校准数据的握手协议过于复杂，需要单片机软件干预，因此从 可靠性角度考虑a t 7 3 c 5 0 0 被设置成e e p r o m 模式。 复位状态结束后，a t 7 3 c 5 0 0 进行初始化工作：首先将r d w r 写高，状态模式总线上的四个三态门被选通，a t 7 3 c 5 0 0 通过 b u s l 2 至b u s l 5 读入模式信息。在判断工作模式为e e p r o m 模式后，a t 7 3 c 5 0 0 向状态，模式总线的最低位( b u s 8 ) 写低电 平，经8 d 锁存器7 4 h c 3 7 7 锁存后产生初始化信号i n i 。i n i 信 号选通串行e e p r o ma t 9 3 c 4 6 ，a t 7 3 c 5 0 0 读出存储在a t 9 3 c 4 6 基于专用d s p 芯片的三相多功能电能表的研制 北方交通大学硕士学位论文第二章测量单元的结构及原理 中的校准数据。校准数据读出以后a t 7 3 c 5 0 0 向b u s 8 写高电平， 经锁存后i n i 变成高电平，初始化阶段结束，测量单元开始正常 的测量工作。a t 7 3 c 5 0 l 开始通过同步串行总线向a t 7 3 c 5 0 0 传 送采样结果。当三相电压和电流的采样就绪后，6 个1 6 位的采 样结果以厶、以、厶、t 、的顺序输出。 a t 7 3 c 5 0 0 的计算结果有两种输出方式：一种是以数据的形 式输出，另一种是以脉冲的形式输出。两种方式共用数据总线， 因此使用两片锁存器7 4 h c 3 7 7 对两种输出方式加以区分。当有 一包数据要输出时，a t 7 3 c 5 0 0 向状态总线的b u s 9 写高电平脉 冲，经锁存后产生数据就绪信号d a t r d y ，d a t r d y 信号用于 通知外接单片机总线上数据就绪，此时a d d r 0 为低电平，无脉 冲输出。数据输出结束后d a t r d y 变为低电平。一包数据输出 的时序图如图2 1 0 所示。数据总线输出脉冲时d a t r d y 始终为 l - - - - - - - - - - - - - 一2 0 0 c l o c k - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 。0 l 一4 5 c l o c k 一1 4 3c l o c k 一 f - - 1 10 + 1 1 0 卜1 2 0 + - 1 1 0 + _ 一2 2 0 + _ 1 1 0 - - i 卜1 2 0 - - - t 严生一一 _ j c 删l k 咖唧舢咖哪唧唧唧舢肌加唧唧唧咖咖咖删哪哪哪肌肌舢一哪舢咖唧删 哥堕 厂 厂 厂 厂 厂 f - 厂 厂 图2 - 1 0 一包数据输出的时序图 低电平，同时r d w r 为低电平，a d d r 0 为高电平，锁存脉冲 信号的7 4 h c 3 7 7 有效。a t 7 3 c 5 0 0 的脉冲输出包括正向有功、负 向有功、感性无功和容性无功的脉冲常数脉冲及计度器驱动脉冲 共8 路脉冲。 基于专用d s p 芯片的三相多功能电能表的研制 。1 9 。 ! 堕銮望查堂堡主堂垡笙壅 苎三童型里兰垂塑丝塑垦堕里 为了满足0 , 5 级精度的要求，a d 变换芯片a t 7 3 c 5 0 1 使用 了m a x i m 公司温度系数为5 p p m 。c 的1 2 5 v 参考电压芯片 m a x 6 1 9 0 a 。m a x 6 1 9 0 a 的使用保障了o 5 级精度的实现。 基于专用d s p 芯片的三相多功能电能表的研制 2 0 北方交通大学硕士学位论文 第三章接口单元设计 第三章接口单元设计 3 1 接口单元单片机的选择 三相多功能电能表作为一种智能仪表，其计量、时段切换控 制、通信等各项功能般要由其内部的单片机来完成。单片机是 多功能的主要承担者。近年来随着半导体技术和计算机技术的不 断发展，单片机应用目益广泛，从小型控制系统发展到数字信号 处理、并行处理等大型系统。单片机的种类越来越多，各种单片 机大量采用新技术，增加了新功能，使单片机的性能不断提高。 在研制三相多功能电表的过程中如何选择单片机是一个尤为重要 的问题。单片机性能的好坏直接决定着开发出的多功能电能表性 能的好坏，单片机功能的强弱决定着多功能电能表功能的强弱。 本三相多功能电能表测量单元的测量结果由a t 7 3 c 5 0 0 的数 据总线送出。a t 7 3 c 5 0 0 的数据总线为并行总线，总线上数据传 输速度非常快，其中锁存信号s t r o b e 的脉宽仅为1 5 3 n s ，因此 外接单片机首先要在速度上与a t 7 3 c 5 0 0 数据总线匹配，同时还 要在成本和开发上加以考虑。仅使用一个单片机在功能上实现液 晶显示、红外接口以及实时时钟等功能，并且要在速度上达到 a t 7 3 c 5 0 0 数据总线的要求，势必使单片机的成本过高，并且在 开发上也存在不方便之处。为了降低成本，便于推广和应用，我 们选择了由两种功能互补的单片机配合工作的方案，其中一个单 片机侧重速度，另一个单片机侧重功能。速度快的单片机构成接 口单元，该单元的主要功能是将高速并行数据总线上的数据通过 低速的同步串行总线输出给数据处理单片机。功能强的单片机构 成数据处理单元的核心，是三相多功能电能表各种功能的主要承 担者。 基于专用d s p 芯片的三相多功能电能表的研制 2 1 - 北方交通大学硕士学位论文 第三章接口单元设计 在a t 7 3 c 5 0 0 和a t 7 3 c 5 0 1 应用的前期研究中，我们发现 a t 7 3 c 5 0 0 脉冲输出存在不稳定的问题，单圈校验时误差跳动过 大，使用多圈校验时，圈数越多测量误差越稳定。使用6 4 圈测 量时测量误差与通过数据总线送出的测量结果算出的误差接近。 由于我国电能表的测试、校验普遍使用脉冲常数脉冲，因此 a t 7 3 c 5 0 0 脉冲输出存在的问题不利于该芯片的推广和应用。 a t 7 3 c 5 0 0 脉冲输出的另一个问题是脉冲常数不可编程。为了解 决这两个问题我们设计了由接口单元通过软件编程输出四路稳定 脉冲的方法。 接口单元另一个功能是通过对测量单元a t 9 3 c 4 6 中存储的 校准数据的操作完成对三相多功能电能表的校准。 基于在速度、成本上的考虑我们选用美国a t m e l 公司新型 的精简指令集( r i s c ) a v r 单片机实现接口单元的功能。r i s c 为r e d u c e di n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r 的缩写，a v r 为a d v a n c e r i s c 的缩写。a v r 单片机大部分指令只需一个时钟周期的执行 时间，每m h z 晶振可实现1 m h z 的处理能力，也就是说使用8 m h z 的晶振，每条指令的执行时间仅为1 2 5 n s 。a v r 单片机采用c m o s 技术，具有功耗低、速度快的特点，它的核心是3 2 个8 位通用 寄存器与1 个运算逻辑单元( a l u ) 。3 2 个寄存器全部直接与a l u 相连，这使得一个时钟周期内执行一条指令可以访问到两个独立 的寄存器。这种结构的代码效率比完成同样处理能力的c i s c ( c o m p l e xi n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r ) 单片机高十倍。 a v r 系列单片机的内核基本相同，具体选择哪种a v r 单片 机主要从i o 口的数量上考虑。a v r 单片机与测量单元相连需 要1 5 条口线，脉冲输出需要4 条口线，校准电表时与p c 机通 信需要2 条口线，与数据处理单元连接需要4 条口线，因此总共 需要2 5 条口线。经过比较选用了具有4 0 个引脚的a t 9 0 s 4 4 1 4 ， 基于专用d s p 芯片的三相多功能电能表的研制 - 2 2 北方交通大学硕士学位论文 第三章接口单元设计 该单片机内含一个a v r 内核，具有以下特征： ( 1 ) 供电电压范围为2 7 6 v ( 2 ) 1 1 8 条功能强大的指令，大多数执行时间为单个时钟 周期，指令周期为1 2 5 n s 8 m h z 4 k 字节可下载的f l a s h 存储器 2 5 6 字节e e p r o m 2 5 6 字节的内部r a m 3 2 条可编程i o 口线 3 2 个8 位通用寄存器 带有一个8 位可预分频的定时器 带有一个具有比较和捕获模式的1 6 位可预分频定时器 计数器 可编程的通用串行接口u a r t 外部和内部中断源 可编程的看门狗和片内振荡器 片内模拟比较器 s p i 串行接口 两个可通过软件选择的电源保留模式 3 2 测量结果接收 测量单元的测量结果通过并行数据总线高速输出，因此如何 准确及时地接收总线上的数据是接口单元要解决的首要问题。测 量单元数据输出的时序见图2 - 8 和图2 1 0 。 总线时序中有两个不利于数据接收的问题：一是s t r o b e 信 号低电平宽度太窄不利于单片机捕捉，这个问题即便使用了a v r 单片机依然不能忽视。如果a t 9 0 s 4 4 1 4 采用查询普通i o 口的 基于专用d s p 芯片的三相多功能电能表的研制 - 2 3 一 )； ”d 幻” 加“坦”；( 北方交通大学硕士学位论文第三章接口单元设计 办法捕捉s t r o b e 脉冲，查询一次至少要执行两个单周期指令 或执行一条两周期指令，执行时间最少为2 5 0 n s ，超过了s t r o b e 低电平的宽度( 1 5 3 n s ) ，因此丢失数据的可能性非常大。为了准 确地捕捉s t r o b e 信号，该信号被连接到a t 9 0 s 4 4 1 4 外中断1 的输入引脚( i n t l ) ，当i n t l 引脚上的s t r o b e 信号触发了i n t l 中断请求时，通用中断标志寄存器g i f r 中的i n t f l 位被置1 。 a t 9 0 s 4 4 1 4 通过查询i n t f l 位，判断是否出现s t r o b e 信号。 使用这种方法s t r o b e 低电平状态由单片机硬件捕捉，不存在 丢失s t r o b e 事件的可能性，只要在下一次中断申请出现以前 将i n t f l 位清除即可。 另一个不利于数据接收的问题是两个s t r o b e 信号之间的时 间过短，最短时间间隔只有1 1 个时钟周期( 3 2 7 6 8 m h z ) 。基于 此考虑a t 9 0 s 4 4 1 4 软件设计时充分考虑了代码的效率，以确保 在下一个字节出现以前处理完当前接收到的字节。a t 9 0 s 4 4 1 4 读取测量结果的硬件连线图如图3 1 所示。 83 8 2 8 2 23 2 hq g3 b i i ， | | | |1 q r x h t 1 88 l y i y 1 t 4 z z1 7 2 3 l e 冒撼 _ l l 1 x l 上 阿h c 耵7 s t r o b e1 3 4 3 0 1 0 。= 害 8 28 2 z j 一 1lu 4 a _ d 20 2_ 可一 。帑伽。t 哥 琵躯 _ r 广 1 f 一 d 60 61 _ d a t r d y1 2 盟蚓7 4 h c l 3 2 兰 冒撼 一 阿s 丌 图3 1a t 9 0 s 4 4 1 4 读取测量结果的硬件连线图 在程序运行过程中外中断i n t l 始终处于屏蔽状态，程序中 基于专用d s p 芯片的三相多功能电能表的研制 2 4 北方交通大学硕士学位论文 第三章接口单元设计 开放的是外中断i n t 0 。外中断i n t 0 由d a t r d y 触发。i n t 0 中 断处理程序查询中断标志寄存器中i n t f l 的状态，如果i n t f i 的状态为“1 ”，则读取总线上的数据。i n t 0 的中断处理程序流 程图如图3 2 所示。 图3 - 2 ln t 0 中断处理程序流程图 r e c e p t 为接收完毕标志寄存器。x 为对s r a m 间接寻址的 1 6 位地址指针，x h 为x 的高字节，x l 为x 的低字节。x 寄存 器在中断处理程序开始被置为0 0 6 0 h 。数据总线上锁存的数据首 先被读到通用寄存器中，然后通过带后增量的数据间接寻址方式 基于专用d s p 芯片的三相多功能电能表的研制 - 2 5 - 富 垄立窒望盔兰堡主堂垡丝奎 蔓三童壁旦兰垂堡生 转移到s r a m 中，x 被自动加1 。1 6 个字节的数据接收完毕后 中断处理程序返回，这1 6 个字节的数据被存储在s r a m 地址从 6 0 h 到6 f h 的空间内。地址为6 0 h 的字节为同步低字节( s y n c l s ) 表示当前数据包的包号。 主程序循环检测接收完毕标志寄存器r e c e p t 是否为1 ，如 果为“1 ”，首先将r e c e p t 清零，然后读出同步低字节( 6 0 h ) 的值，确定当前的数据包号，并根据数据包号将数据转存在统一 编址的从7 0 h 到c 8 h 的s r a m 中，供其他子程序使用。主程序 流程图略。 3 3 脉冲输出 我国电能表校验和达标测试般都使用电能表的脉冲输出。 成品电能表的一个必不可少的参数就是脉冲常数。脉冲常数就是 1 k w h 的电能对应电能表输出的脉冲数。例如，脉冲常数为 1 6 0 0 i m p k w h 表示l k w h 的电能对应电能表输出1 6 0 0 个脉冲， 即每个脉冲代表o 6 2 5 w h 的电能。在本三相多功能电能表中无 功电能同样具有脉冲输出，无功的脉冲常数就是l k v a r h 的无功 电能对应电能表输出的脉冲数。 使用脉冲校验时电能表的误差不仅取决于测