CAN总线电能质量监控器的电源设计-210469621

CAN总线电能质量监控器的电源设计佟为明，袁帅（哈尔滨工业大学电气工程系,黑龙江哈尔滨150001）摘要：为满足CAN总线电能质量监控器中各单元电路对多种等级电压的需求，在给出了装置的硬件结构的基础上，设计了由开关电源、DC/DC电源模块和稳压电源芯片组成的电源单元。为解决装置中3.3V和5V器件互相传输信号的问题，设计了电平转换电路。关键词：电能质量监测；多等级电压；电源模块；电平转换DesignofPowerforPowerqualitymonitoringdevicebasedonCANbusTONGWei-ming，YUANShuai(HarbinInstituteofTechnology，Harbin150001，China)Abstract:Inordertosatisfythedemandformulti-gradevoltageoftheelementcircuitsinthePowerqualitymonitoringdevicebasedonCANbus,apowersupplyunitwhichconsistsoftheswitchingpowersupply,DC/DCpowermoduleandvoltage-stabilizedchipsisdesignedonthefoundationofthedevice’shardware.Theswitchingcircuitbetween3.3Vand5Velectricallevelsisdesignedfortransmittingsignaleachother.Keywords:powerqualitymonitoring；multi-gradevoltage；powermodule；level-translation引言现代社会中，电能是一种最为广泛使用的能源，其应用程度是一个国家发展水平的主要标志之一[1]。高质量的电能对于保证电网和电气设备安全、稳定、经济运行，提高产品质量和保障居民正常生活有着重要的意义。随着时代进步和科技的飞速发展，现代电网与负荷构成出现新的变化趋势，由此带来的电能质量问题越来越引起电力部门和电力用户的高度重视。一方面，冲击性负荷、非线性负荷使电网出现诸如谐波畸变、电压凹陷、电压闪变等较为严重的电能质量问题；另一方面，随着计算机技术和半导体技术的发展，以计算机和微处理器为核心的对电能质量扰动敏感的高自动化和高智能化的电子设备和精密工业对电能质量提出了越来越高的要求[2,3]，因此开发电能质量监测装置非常必要。电源系统是一个装置中最重要的部分之一，它对于提高产品的稳定性、可靠性至关重要。由于电能质量监测装置集测量、计算、控制、通信等功能于一体，因此普遍存在多种等级电压共存、电源之间需要隔离和电平转换的问题。现有的文献大多侧重于介绍电能质量监测装置的功能，对电源问题没有详细阐述[4,5,6]。本文重点分析了CAN总线电能质量监控器内各单元电路对电源的需求，并从外围电路芯片和元器件参数的选择考虑，设计了由开关电源、DC/DC电源模块和稳压电源芯片组成的电源系统。同时，为解决3.3V和5V器件之间的信号电平连接的问题，设计了电平转换电路。实际运行情况表明，该电源系统和电平转换电路能保证各单元电路稳定、可靠的工作。1装置硬件结构介绍本装置是集测量、控制、通信和显示为一体的智能仪表。其硬件主要由CPU单元、存储器单元、信号采集单元、CAN通信单元、人机接口单元、遥信/遥控单元等6个单元组成。图1所示为该装置的硬件结构框图。本电能质量装置采用双CPU＋双口RAM结构。两个CPU分别选择DSP（DigitalSignalProcessor）和ARM（AdvancedRISCMachines）。DSP主要用于电力信号采集、基本电力参数计算、电能质量参数计算与分析，此外还要实现事件记录、故障报警、遥控/遥信等功能。ARM主要用于实现电力参数显示、网络通信（CAN和RS-485）、键盘操作等。DSP芯片选用TI公司的TMS320F2812，利用其运算速度快、擅长数字信号处理的优点进行数据采集、计算，并在发生异常情况时进行事件记录和录波。ARM选用Samsung公司的S3C44B0X，利用其丰富的内部资源完成人机接口与通信功能。双口RAM用于双CPU间的高速数据交换，采用IDT公司的IDT70V9289L7。网络化是智能仪表的发展方向，本装置提供了CAN总线接口。通过CAN总线，该装置（从站）可以向上位机（主站）实时地传送监测数据和报警信息，同时也可接收上位机的配置信息和控制命令。CAN通信单元主要由独立CAN控制器SJA1000和CAN收发器PCA82C250构成。图1硬件结构框图2电源设计2.1电源配置的分析本CAN总线电能质量监控器的电源系统比较复杂，电源配置如图2所示。本装置需要为继电器提供+24V电压，为AD芯片和运放芯片提供+12V和-12V电压，为液晶模块、CAN控制器和AD芯片提供+5V电压，为大多数芯片提供+3.3V电压，为DSP提供+1.8V电压，为ARM提供+2.5V电压，除此之外，还需为CAN接口和RS-485接口提供隔离的+5V电压。因此，选用开关电源、DC/DC电源模块和稳压电源芯片共同组成所需的电源单元。对于电源模块的选择应从3个方面来考虑：（1）额定输入电压及输入电压范围；（2）所需的额定输出电压；（3）输出功率。在确定了电源模块的输入、输出电压后，计算出额定负载时所需的功率，从可靠性的角度考虑，实际负载为额定负载的60%~80%比较合适。2.2电源模块的选型首先是开关电源的选择，根据实际情况，我们需要输入电压交流220V，输出电压直流24V和5V，并且24V和5V之间是隔离的开关电源模块。根据测算，本装置中彩色液晶模块所需额定功率为4W左右，其它电路总共需要的功率约为2W。因此，我们选取了德创公司的BJ1002型开关电源模块，它的最大功率为9.8W，输出+24V和+5V。此外，选用了深圳安时捷公司生产的隔离稳压输出的DC/DC电源模块HDW5-24D12和HDW3-24S05。通过HDW5-24D12将开关电源输出的24V电压转换得到+12V和-12V电压，给AD芯片和运放芯片供电；通过HDW3-24S05将24V电压转换得到+5V电压，给CAN总线接口和RS-485接口供电。这个5V电源与开关电源提供的5V是隔离，这样能有效的防止因总线上的电压瞬变给其它单元电路造成的损害。本装置的大多数芯片工作在+3.3V电压下，DSP芯片的内核工作电压为+1.8V，ARM芯片的内核工作电压为+2.5V。因此，选用了TI公司生产的低压差稳压电源芯片TPS767D318和TPS767D325，它们能提供最大1A的电流，足以满足所有单元电路的需求。其中TPS767D318电源芯片实现+5V电平到+3.3V和+1.8V电平的转换；TPS767D325电源芯片实现+5V电平到+3.3V和+2.5V电平的转换。该电源芯片与开关电源输出的+5V是共地的。图2电源配置示意图3电平转换电路由于本电能质量监控器的硬件电路中，并不是所有芯片的工作电压都是+3.3V，也有的芯片的工作电压为+5V，不同逻辑标准的电平一般不能直接接口。而且即使3.3V器件具有5V容限，为了系统的稳定最好还是经过电平转换后再连接。因此，选用了双电压供电的电平转换芯片SN74ALVC4245，它提供8路+3.3V和+5V的电平转换，允许从低到高（A到B）或高到低（B到A）的转换，能保证两边端口的输出都能达到满电源幅值，并且具有很好的噪声抑制性能。电平转换电路示意图如图3所示。图33.3V－5V电平转换电路示意图4结论1．在设计CAN总线电能质量监控器的电源单元时充分考虑了输入电压的范围、输出电压的等级、所需的额定功率和哪些电源需要隔离，选用开关电源、DC/DC电源模块和稳压电源芯片共同提供所需的电源。实际运行情况表明，此设计对电源配置合理，而且所选择的电源模块能保证装置稳定工作。2．为解决装置中3.3V和5V器件互相传输信号的问题，设计了电平转换电路，能保证数字逻辑器件接口安全可靠。参考文献：全国电压电流等级和频率标准技术委员会．电压电流频率和电能质量国家标准应用手册[M]．北京：中国电力出版社，2001．McGranaghan,M．Trendsinpowerqualitymonitoring[J]．IEEEPowerEngineeringReview，2001，121(10)：3-9．林海雪．现代电能质量的基本问题[J]．电网技术，2001，25（10）：5-12．贺建闽，黄治清．电能质量远程在线实时监测系统研究[J]．铁道学报，2003，25(4)：41-45．潘晓杰，刘涤尘，邹江峰．基于DSP的电能质量在线监测装置[J]．高电压技术，2005，31(12)：73-75．段成刚，欧阳森，宋政湘，等．新型在线实时电能质量监测设备的设计[J]．电网技术，2004，28(2)：61-63．作者简介：佟为明（1964—），男，博士，教授，博士生导师，主要研究方向为电能质量监控技术、继电保护与电磁兼容技术、现场总线技术、配电网自动化/变电站自动化、永磁电器。哈尔滨工业大学电气工程系，电话E-mail：dianqi@；

附录资料：不需要的可以自行删除各类食品抽样大全一、啤酒产品抽样方法1.1批次凡同原料、同配方、同工艺生产的啤酒，经混合过滤，同一清酒罐、同一包装线当天包装出厂（或入库）的、具有同样质量检验报告单的产品为一批。1.2抽样1.2.1按下表抽取样本。桶装啤酒应使用灭菌的器具，在无菌的条件下从各样本中采样、封装。（瓶、听）箱装啤酒先按下表规定抽取样本，再随机从各样本中抽取单位样品件数。当样品总量不足4.0L时，应适当按比例加取。表5样本批量范围箱、桶样本数箱、桶单位样品件数瓶、听/箱50以下3351～1200521201～3500081≥350011311.2.2采样后应立即贴上标签，注明：样品名称、品种规格、数量、制造者名称、采样时间与地点、采样人。将其中三分之一样品封存，于5℃～25℃保留

二、酱腌菜产品抽样方法3.1组批同一班次一次投料为一批，产量小，而原辅料未发生变更时，可将两个或三个班次的产品为一批。3.2抽样3.2.1成品库按批抽样，抽样单位以坛数或箱计3.2.2采样坛数或箱数按下式计算

S=N/（5）1/2

式中：S—抽样箱数N—被检产品的坛数或箱数

在抽取样坛（箱）的上、中、下层或箱中的四角上、下层按四分法分别抽取样菜或样袋。缩分至2000-----4000克三、炒货食品的抽样方法抽样依据标准：GB19300-2003

8.1所抽样品须为相同生产日期，并处于保质期内的合格产品。同一班次、同一生产线生产的同一品种、同一规格的产品为一批。8.2每种产品随机抽取16个包装，样品总量不得少于2kg，主要考虑净含量以及酸价、过氧化值等指标所消耗样品的量。8.3抽样样品分乘份，送检验机构检验，1份用于检验，1份备查。样品确认无误后，由抽样人员与被抽样单位在抽样单上签字、盖章，当场封存样品并加贴封条。封条上应当有抽样人员签名、抽样单位盖章及封样日期。8.4抽样单上应写明产品生产工艺（烘炒类或油炸类）。

产品抽样方法一、葡萄酒抽样方法抽样依据标准：GB/T15037-941.1批次同一生产期内所生产的﹑同一类别﹑且经包装出厂的﹑具有同一批号的产品为同一批次产品。1.2.1按下表抽取样本。样本以瓶为单位。

表

抽样方案批量＜1500箱≥1500箱样本大小n（瓶数）≤375ml/瓶8≤375ml/瓶12≥500ml/瓶4≥500ml/瓶81.2.2抽样方式

从每批产品中随机抽取n箱，再从n箱中各抽取一瓶，抽取的样品一半作该产品的样本进行检测，另一半由供需双方共同封存，留做复核﹑仲裁用。1.2.3抽样单上必须标明以下内容

葡萄酒的标签应注明：酒名﹑类别﹑酒精度﹑原汁含量﹑净容量﹑厂名﹑厂址﹑批号﹑商标﹑封装年月﹑标准代号及编号，符合本标准的产品可不标保质期。

二、白酒抽样方法抽样依据标准：GB10346-892.1.取样方法批量在500箱以下，随机抽取4箱，每箱取样一瓶（以500ml计）其中两瓶做感官和理化检验用，其余两瓶由供需双方共同封印，作为仲裁样品保存半年。2.2.抽样单上必须标明以下内容

类别﹑等级﹑酒精度﹑净容量﹑厂名﹑厂址﹑批号﹑商标﹑封装年月﹑标准代号及编号。

三、黄酒﹑果酒抽样方法抽样依据标准：QB/T1982-94

QB/T1983-94

QB/T2027-943.1组批同一生产期内所产生的，同一类别且经包装出厂的，具有同一批号的产品为同一批次产品。3.2抽样3.2.1按下表规定的抽样方案抽取样本。样本以瓶为单位。

表批量＜1500箱≥1500箱样本大小n（瓶数）≤375ml/瓶8≤375ml/瓶12≥500ml/瓶6≥500ml/瓶8

3.2.2抽样方式

从每批产品中随机抽取n箱，再从n箱中各抽取一瓶，抽取的样品一半作该产品的样本进行检测，另一半由供需双方共同封存，留做复核﹑仲裁用。3.2.3抽样单上必须标明以下内容

类别﹑等级﹑酒精度﹑净容量﹑厂名﹑厂址﹑批号﹑商标﹑封装年月﹑标准代号及编号。四、肉制品抽样方法抽样依据标准：经过标准化部门备案的有效企业标准4.1.1组批同一批投料﹑同一班次﹑同一条生产线的产品为一个生产批。4.1.2抽样：所抽样品须为同一生产批，并确认在保质期内的产品，抽样基数不少于20kg，每件样品数量为4kg（不少于4个包装），分成两份。样品经企业确认无误后，抽样人员应当场封样，并填写抽样单和封条，抽样单和封条上应有抽样人员签名﹑抽样单位盖章及抽样日期。填写好的抽样单经企业确认无误后，企业应在抽样单上签名﹑盖章。

五、糖果的抽样方法抽样依据标准：SB10018-20015.1抽样方法和数量同一天同一班次生产的同一品种为一批。在生产线或成品仓库内随机抽取样品。抽样件数见表表抽样件数每批生产包装件数（以基本包装箱）抽样件数（指基本包装箱）200（含200）以下3201～8004801～180051801～320063200以上7在抽样件数中随机抽取3件，每件约100g,混匀;从其中取三分之一用于感官检验,三分之一用于净含量检验,三分之一用于检验﹑干燥失重和还原糖检验。5.2抽样单上必须标明以下内容

类别﹑等级﹑净含量﹑厂名﹑厂址﹑批号﹑商标﹑封装年月﹑标准代号及编号。

七、大米的抽样方法抽样依据标准GB5490-1985

八、炒货食品的抽样方法抽样依据标准：GB19300-2003

8.1所抽样品须为相同生产日期，并处于保质期内的合格产品。同一班次、同一生产线生产的同一品种、同一规格的产品为一批。8.2每种产品随机抽取16个包装，样品总量不得少于2kg，主要考虑净含量以及酸价、过氧化值等指标所消耗样品的量。8.3抽样样品分乘份，送检验机构检验，1份用于检验，1份备查。样品确认无误后，由抽样人员与被抽样单位在抽样单上签字、盖章，当场封存样品并加贴封条。封条上应当有抽样人员签名、抽样单位盖章及封样日期。8.4抽样单上应写明产品生产工艺（烘炒类或油炸类）。九、蜜饯的抽样方法抽样依据标准：GB10782-1989抽样方法9.1.1抽样必须具有代表性,应在全批产品的不同部位,按规定件数随机抽取样品,样品的检验结果适用于整个检验批次。9.1.2每批产品的抽样数量100件以下者,按3％抽取,100件以上者每增100件增抽1件,增加部分不足100件时按100件计算。9.1.3瓶装及其他小包装产品,同一批次取样件数,250g以上包装每件不得少于3件,250g以下的包装,每件不得少于6个。9.2取样方法9.2.1干态产品在抽样件中,从每件的上、中、下三部分分别取样，每件取样数量应基本一致，将全部样品充分混匀后，以四分法分取1.5kg供作试样。9.2.2酱状的产品在取样前必须充分混匀,糖渍产品必须沥卤断线一分钟后取样。9.2.3所取样品装入清洁干燥的容器内供检验,用作微生物检验的样品必须按无菌操作程序进行取样。9.2.4取样后应在存样容器上标明品名、等级、批次、日期、厂名、抽样日期及抽取人姓名或代号。十、食用油的抽样方法抽样依据标准：GB5524-198510.1扦样工具10.1.1扦样管：适用于桶装油扦样。内径1.5～2.5cm，长约120cm的玻璃管。10.1.2扦样筒：适用于散装油扦样。用圆柱形铝筒制成，容量约0.5L，有盖底和筒塞。在盖和底的两圆心处装有同轴筒塞各一个,作为进样用。盖上有两个提环,筒塞上有一个提环,系以细绳，筒底有三足。10.1.3样品瓶：磨口瓶，容量1～4kg。10.2扦样方法10.2.1桶装油扦样法扦样规定如下：7桶以下：逐桶扦样10桶以下：不少于7桶11～50桶：不少于10桶51～100桶：不少于15桶101桶以上：按不少于总桶数的15％扦取。扦样的桶点要分布均匀。10.2.2扦样：先将油脂搅拌均匀，将扦样管缓慢地自桶口斜插至桶底，然后堵压上口提出扦样管,将油样注入样品瓶内。如指定扦取某一部位油样时,先用姆指堵压扦样管上孔，插至要扦取的部位放开姆指，待扦取部位的油样进入管中后，立即堵压上孔提出,将油样注入样品瓶内。如扦取的样品数量不足1kg时，可增加扦样桶数，每桶扦样数量一致。10.2.3散装油扦样法：散装油以一个油池、一个油罐、一个车槽为一个检验单位。10.2.4分层：按散装油高度，等距离分为上、中、下三层，上层距油面约40cm处；中层在油层中间；下层距油池底板40cm处，三层扦样数量比例为1:3:1(卧式油池、车槽为1:8:1)。10.2.5扦样数量规定如下：500t以下：不少于1.5kg;501-1000t：不少于2.0kg;1001t以上：不少于4.0kg。10.2.6扦祥：将扦样筒关闭筒塞,沉入扦样部位后,提动筒塞上的细绳，让油进入筒内,提起样筒扦取油样。10.2.7输油管流动油取样：根据油脂数量和流量，计算流动时间，采用定时、定量法用油勺在输油管出口处取样。10.3分样方法将扦取的油脂样品，经充分摇动，混合均匀后，分出1kg作为平均样品备用。

十一、酱油的抽样方法抽样依据标准：GB18186-200011.1组批同一天生产的同一品种产品为一批。11.2抽样从每批产品的不同部位随机抽取6瓶（袋），分别做感官特性、理化、卫生检验，留样。11.3判定规则11.3.1交收检验项目或型式检验项目全部符合本标准判为合格品。11.3.2交收检验项目或型式检验项目如有一项不符合本标准，可以加倍抽样复验。复验后如仍不符合本标准，判为不合格品。十二、食醋的抽样方法抽样依据标准：GB18187-200012.1组批同一天生产的同一品种产品为一批。12.2抽样从每批产品的不同部位随机抽取6瓶（袋），分别做感官特性、理化、卫生检验、留样。12.3判定规则12.3.1交收检验项目或型式检验项目全部符合本标准判为合格品。12.3.2交收检验项目或型式检验项目如有一项不符合本标准，可以加倍抽样复验。复验后如仍不符合本标准，判为不合格品。

十三、鸡精的抽样方法抽样依据标准：SB/T10371-20036.3

组批同一天生产的同一品种产品为一批。6.4

抽样

从每批产品的不同部位随机抽取6包（罐），分别做外观和感官特性、理化、卫生检验，留样。

6.5

判定规则出厂检验项目或型式检验项目全部符合本标准判为合格品。十四、内墙涂料的抽样方法抽样依据标准：GB3186-8214.1盛样容器和取样器械14.1.1盛样容器；应采用下列适当大小的洁净的广口容器：内部不涂漆的金属罐，14.1.1..2棕色或透明的可密封玻璃瓶，纸袋或塑料袋。14.2取样器械14.2.1取样器械应分别具有下述两种功效：能使产品尽可能混合均匀。取出确有代表性的样品。14.2.2材质与设计取样器械应使用不和样品发生化学反应的材料制成。并应便于使用和清洗（应无深凹的沟槽、尖锐的内角，难于清洗和难于检查其清洁程度的部位）。14.3取样数目按随机取样方法，对同一生产厂生产的相同包装的产品进行随机取样，取样数不低于(N/2)1/2建议采用以下的数字

十五、挂面的抽样方法抽样依据标准：SB/T10068-9215.1产品按批量进行检验,以每一工班为一批在工厂库房中取样,每批量抽样5箱,并从每箱中抽样1.00kg。15.2产品经检验符合本标准规定,即为合格品。

十六、米粉的抽样方法抽样依据标准：SN/T0395-95

十七、味精的抽样方法抽样依据标准：QB/T1500-9217检验规则17.1组批凡同一生产厂名、产品名称、规格(包括配料)、商标及批号,并具有同样质量合格证的产品,均视为一批。17.2抽样按表3抽取样品。

注：①“样本”系指产品的最大包装箱。②“单位包装”系指大包装箱中的最小包装单位(袋、桶、瓶)。

③若抽取的单位包装总量不足500g,应加取单位包装数使之达到500g。17.3.按表3抽取单位包装,将二分之一样品封存,保留半年备查。其余样品作理化分析。如有一项指标不符合本标准要求,可重新自两倍量包装中抽取样品进行复验,以复验结果为准。若仍有一项不合格,则判整批产品为不合格。十八、食用盐的抽样方法抽样依据标准：GB/T8618-88利用数理统计原理确定份样数,以随机起点取样法抽取。17.1份样数的确定17.1.1按规定的办法确定(适于物料特性值变异性小基本均匀的产品)。根据总体包含的单元数来规定选取样品单元数，按表列规定确定。总体物料的单元数大于某—定数时，份样数按总体单元数的立方根的倍数，即f×N**-1/3(N为总体单元数)采取，如遇有小数时，则进为整数。17.1.2按统计公式计算确定(适于物料特性值变异性大的产品)。构成总体的样品特性服从正态分布时，可根据给定的参数按统计公式估算。基本批量份样的最少份样数按式(1)计算：tSwn=(───)**2..............................(1)E式中：n——份样数;Sw——批内份样间样品主成分测定值的标准偏差;E——最大允许采样误差。其意义是测定m个样品的平均值X与总体的平均值之间最大允许误差；——概率系数，本标准置倍概率定为95%，概率系数为1.96。计算所得为最少份样数，只可增加不得减少。17.1.3批量增大份样数的确定批量增大时应取份样数按式(2)计算：实际批量(吨