引言
隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、專用集成芯片技術(shù)和現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)工業(yè)用電度表的計(jì)量精度和電量數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性的要求在不斷提高。我國(guó)目前電力機(jī)車上裝備的電度表基本上都是傳統(tǒng)的機(jī)械式電度表，雖然機(jī)械式電度表存在抗干擾和抗震動(dòng)性好的優(yōu)點(diǎn)，但是其精度差，電量數(shù)據(jù)需要人為讀數(shù)不能實(shí)時(shí)傳輸?shù)缺锥恕榱烁倪M(jìn)現(xiàn)有機(jī)車上使用的電度表，根據(jù)美國(guó)AD公司推出的電量計(jì)量專用芯片ADE7755，提出了一種新型的電量計(jì)量方案。根據(jù)本方案設(shè)計(jì)的電度表除具有精度高、抗干擾和電量數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r(shí)傳輸?shù)墓δ芡猓€具有可以修改電度表初值的優(yōu)點(diǎn)。
硬件電路設(shè)計(jì)
目前廣泛使用機(jī)械式、電磁型和機(jī)電型等電度表普遍存在一個(gè)不能實(shí)時(shí)傳輸電量數(shù)據(jù)的缺陷，且各自又有或精度差或抗干擾能力差等弱點(diǎn)。作者結(jié)合當(dāng)前普遍流行的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)和AD公司的ADE7755電量計(jì)量專用芯片以及飛利普公司的P87C591單片機(jī)，提出了一種能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸且具有抗干擾能力的電量計(jì)量方案。總體電路框圖如圖1所示：
圖1 總體電路框圖
圖 1中，由PT和CT在電網(wǎng)中測(cè)得相應(yīng)的電壓和電流信號(hào)，送到ADE7755中進(jìn)行電量計(jì)算，算出來(lái)的功率值分兩種，一種是低頻的平均功率值，送往機(jī)電式電度表用于顯示；另一種是高頻瞬時(shí)功率值，送入帶CAN總線控制器的P87C591單片機(jī)，根據(jù)上位機(jī)的要求算出目前使用的電量值，并通過(guò)CAN總線，與上位機(jī)之間實(shí)現(xiàn)通信。
其中電壓輸入通道(V2N，V2P)輸入電壓信號(hào)是PT測(cè)得的電壓信號(hào)在經(jīng)過(guò)預(yù)防電磁干擾作用的鐵氧體和衰減網(wǎng)絡(luò)后進(jìn)入的。
在電流和電壓信號(hào)的輸入端，進(jìn)行了相應(yīng)的濾波處理，以增強(qiáng)抗干擾能力。
ADE7755工作原理
若電壓U(t)和電流I(t)均為正弦波，且：
則瞬時(shí)功率P(t)為
平均功率P為：
ADE7755 是一種采用電壓和電流直接相乘的方法得到瞬時(shí)有功功率，再由瞬時(shí)有功功率求出平均有功功率。如圖2所示，由電壓傳感器和電流傳感器得到電壓和電流信號(hào)分別經(jīng)兩路A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)送入電壓通道V2N、V2P和電流通道V1N、V1P。電流通道中的高通濾波器是用來(lái)濾除電流分量中的直流電流，以便減小電流直流分量對(duì)瞬時(shí)有功功率計(jì)算的影響。經(jīng)濾波后的電壓和電流信號(hào)經(jīng)乘法器相乘后，所得的信號(hào)經(jīng)低通濾波器后濾掉交流分量后，得到的直流分量就是瞬時(shí)有功功率。此信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)頻轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成與平均有功功率成正比的低頻信號(hào)經(jīng)過(guò)F1、F2端口輸出，同時(shí)從高頻口CF輸出與瞬時(shí)有功功率成正比的脈沖信號(hào)。低頻端口F1和F2的輸出脈沖頻率freq與高頻端口CF輸出脈沖頻率fCF可由下式確定：
其中系數(shù)Gin為輸入增益，F(xiàn) 1-4為可由主時(shí)鐘CLKIN獲得的分頻，Uref為基準(zhǔn)電壓，K為比例系數(shù)。
ADE7755的外圍電路中，通過(guò)輸出頻率設(shè)置電路實(shí)現(xiàn)對(duì)CF口輸出頻率的設(shè)置，即電表常數(shù)的設(shè)置。本電表的電表常數(shù)設(shè)定為3200imp/kwh，即計(jì)錄一千瓦的功率，要求ADE7755在CF口輸出3200個(gè)脈沖。
圖2 ADE7755的內(nèi)部框圖
ADE7755是一種高精度的電量計(jì)量芯片，在工頻情況下，在500：1的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，精度達(dá)到0.1%。技術(shù)指標(biāo)超過(guò)了IEC1036標(biāo)準(zhǔn)的要求。
唯一的模擬電路是模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，其他電路都是采用數(shù)字電路，這保證了該芯片具有足夠的抗干擾的能力。通過(guò)F1和F2實(shí)時(shí)輸出功率信息，能直接驅(qū)動(dòng)電度表計(jì)數(shù)器或直接和單片機(jī)連接。
電源電路的設(shè)計(jì)
ADE7755所用的+2.5V基準(zhǔn)電壓是用AD780實(shí)現(xiàn)的，其接口電路簡(jiǎn)單。5V的基準(zhǔn)電源電路如圖3所示：
圖3 5V基準(zhǔn)電源電路
經(jīng)過(guò)此電路可以在電源模塊MC7805的3端得到+5V的基準(zhǔn)電源。其中R25為壓敏變阻器。
P87C591外圍電路和CAN總線部分設(shè)計(jì)
通過(guò)P87C591電路可以實(shí)現(xiàn)指定時(shí)間內(nèi)用電量的計(jì)算、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、修改電度表數(shù)值和通過(guò)圖4所示的CAN總線收發(fā)電路實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通信。
有關(guān)P87C591外圍電路設(shè)計(jì)，可以參見(jiàn)其他單片機(jī)的外圍電路設(shè)計(jì)，這里不再贅述。
圖4 CAN總線收發(fā)電路
連接P87C591和單片機(jī)之間的芯片是P82C250。圖4這部分電路的原理可以參考有關(guān)CAN總線設(shè)計(jì)方面的資料，這里也不再闡述。
軟件部分設(shè)計(jì)
本方案的軟件部分主要由主程序和中斷服務(wù)子程序組成。其中主程序完成的功能有芯片和CAN總線的初始化、進(jìn)行電量的計(jì)算和存儲(chǔ)。
中斷服務(wù)子程序完成的功能是利用CAN總線實(shí)現(xiàn)和主機(jī)之間的通信和電表初值的設(shè)定。其中電表初值設(shè)置由上位機(jī)完成，這樣可以節(jié)省單片機(jī)的外圍電路并且可以防止現(xiàn)場(chǎng)人為惡意的更改電量值。其中CAN總線的初始化程序如下：
voidinit_can_controller()
{
//進(jìn)入CAN控制器復(fù)位模式
CANMOD=0x01； //將CAN控制器設(shè)置為復(fù)位模式以啟動(dòng)初始化
//TXDCPort(P1.1)配置
//管腳TXDC設(shè)置為推挽模式
P1M2=P1M2|0x02；//P1M2.1=’1’，P1M1.1=’0’(默認(rèn))
CANADR=BTR0； //BTR0和BTR1編程為125kbit/s@12MHz
CANDAT=0x45；
CANADR=BTR1；//TSEG1=12，TSEG2=3，SJW=2
CANDAT=0x2B；//Sample=1->sample point～81%
//驗(yàn)收濾波器的配置-- Bank1的濾波器1配置為接收ID=010.0000.0xxx
CANADR=ACR10；//將地址設(shè)置到驗(yàn)收代碼寄存器0(Bank1)
CANDAT=0x50；//驗(yàn)收代碼0用于濾波
CANDAT=0xE0；
CANADR=AMR10；//將地址設(shè)置到驗(yàn)收屏蔽寄存器0(Bank1)
CANDAT=0x00；//bank1：驗(yàn)收屏蔽0
CANDAT=0x0F；//bank1：驗(yàn)收屏蔽1只與高四位有關(guān)
CANDAT=0xFF；//bank1：驗(yàn)收屏蔽2無(wú)關(guān)
CANDAT=0xFF；//bank1：驗(yàn)收屏蔽3無(wú)關(guān)
CANADR=ACFMOD；//將地址設(shè)置到ACF模式寄存器
CANDAT=0x55；//單驗(yàn)收濾波器使用11位ID(SFF)
CANADR=ACFPRIO；//將地址設(shè)置到ACF優(yōu)先級(jí)寄存器
CANDAT=0xFF；//所有濾波器都為高優(yōu)先級(jí)
結(jié)束語(yǔ)
綜上所述，由于ADE7755是專用電量計(jì)量芯片，且具有抗干擾的優(yōu)點(diǎn)，而P87C591及其外圍電路也是當(dāng)前成熟的技術(shù)，其可靠性和抗干擾性都得到了實(shí)際驗(yàn)證，所以本方案簡(jiǎn)單易行。
本方案雖是針對(duì)改進(jìn)電力機(jī)車電度表而設(shè)計(jì)的。但由于電力機(jī)車工作于諧波污染嚴(yán)重工況，所以可以根據(jù)本方案針對(duì)實(shí)際情況作相應(yīng)改動(dòng)以適用于不同的工業(yè)場(chǎng)合。