電子式參數測量儀設計及實現

摘 要:介紹了運用Atmage32控制器實現的電子式電參數測量儀。該測量儀可以將傳感器測得的電壓電流，經過調理電路、AD裝換輸入控制器，通過軟件算法實現對電壓、電流、有功功率、功率因數、電量、頻率等電參數的實時測量和顯示。各測量參數精度符合實際需要，并且具有大負載斷電報警等人性化功能。

關鍵詞:單片機;電參數;信號采樣;Atmage32

中圖分類號:TP

文獻標識碼:A

文章編號:1672-3198(2010)12-0306-02

1 背景簡介

目前比較常見的電子式電參數測量儀有兩種結構:一種是專用電力測量芯片DSP+MCU+AD;還有一種是普通型MCU+AD。

一種是采用專用的電力測量芯片DSP+MCU+AD結構。目前比較常見的有ADI公司和ATmel公司提供的成套方案，這種結構的最大特點了是簡化了系統的軟件設計，提高了電參數的計算精度。同時，系統的體積，功耗和可靠性的得到了明顯的提高。可以通過外圍電路和輔助軟件設計來擴展系統功能。但該方案整體價格較貴，不適用于對精度要求不是很高但對造價要求嚴格控制的產品。

另一種是采用普通型MCU+AD結構。相對與第一個方案，該方案的硬件結構上簡單了，但增加了軟件的任務量，對軟件的設計提出了更為嚴格的要求。但是該方案應用具有較長的時間，擁有比較成熟的技術如:信號調理，信號采樣，參數計算的算法等。這種結構還具有的另一個優點是造價不高，適合作為一般精度產品開發的首選方案。

當系統對電參數精度要求不是很高時，采用第二種完全可以滿足要求，且在價格上具有一定的優勢。本文將描述基于單片機加AD傳感器的設計與實現。

2 系統總體設計及分析

本系統是針對傳統型電參數儀設計的，帶有控制面板和顯示面板。控制器采用了ATmel公司推出的基于RISC結構的AVR系列單片機Atmag32，負責數據的采集和處理還有人機交互的管理。電壓信號傳感器選用美國貝爾技術有限公司生產的NV600。電流信號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。人機交互硬件是以周立功公司的ZLG7289為中心，配以操作按鈕和數碼管顯示電路。報警電路是由LED和蜂鳴器組成。主要完成的功能是:電壓信號，電流信號的采集;進行有功功率，功率因素和電量的計算;實現電參數值的實時顯示;大負載斷電報警功能以及打印功能。系統結構框圖如圖1.1所示。

圖1 系統結構框圖

本系統采用的是非同步采樣法。非同步采樣電路相對簡單，計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。但是非同步采樣實現的限制因數更少，實際情況更接近理論精度，硬件同步采樣的精度優勢相對下降。

3 系統硬件設計

系統硬件從輸入到輸出可分為五大模塊:信號采集模塊、信號調理模塊，AD采樣與控制模塊，外設(按鍵及顯示)模塊，電源模塊。

3.1 信號采集模塊

電壓傳感器選用的是NV-600型號的電壓互感器，可精確測量交流電壓，并提供了被測電壓與輸出信號的電氣隔離。。電流傳感器選用的是NC1系列的霍爾電流傳感器，該傳感器可精確測量交流電，線性度可以達到0.1%，并提供輸如電流和輸出信號的電氣隔離。

3.2 信號調理模塊

在信號經過傳感器測量獲得后，所得到的電壓、電流信號是無法被控制器直接識別的模擬量。并且這種模擬量存在諸多缺點，比如含有一些噪聲信號量(比如告高次諧波等)、測量誤差量，數值過小導致AD轉換時不能有效利用AD轉換器的滿量程，數值過大超過AD轉換器的轉換量等等。針對上述問題，在電子式電參數測量儀的設計過程中，加入適當的調理電路和AD轉換器就顯得十分重要。

3.3 AD輸入與控制模塊

系統采用了MAX1322作為AD轉換器，Atmega32作為控制器。MAX1324是MAXIM公司生產14位，2通道，同步采樣ADC轉換器。可提供±5V或0至+5V模擬出入范圍，可提供±16.5V的過壓保護，具有優異的動態特性和直流精度。Atmega32是Atmel公司推出的AVR系列單片機，具有高達16MIPS的處理能力，同時具有2K的片內SRAM，和1K的EEPROM，此外豐富的外設也是它的一個特點。

3.4 外設(按鍵及顯示)模塊

由于單片機IO口資源有限，外設模塊占用CPU資源。本系統采用了周立功公司設計的ZLG7290I2C接口鍵盤及LED驅動器。該芯片采用串行總線接口，與控制器提供的TWI接口兼容，方便實現外設的控制。可驅動8位的共陰數碼管和64個按鍵，滿足系統的控制與顯示要求。

3.5 電源模塊

為了不影響系統的檢測結果，系統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、濾波電路及穩壓芯片組成，提供了+5V給控制器，-15V給運算放大器，+15V給運算放大器及傳感器電壓電源。

4 系統軟件設計

鑒于系統的實時性以及任務的數量不多，軟件采用了常用的前/后臺程序設計方案。軟件的主要功能主要分為三個部分:信號采樣，數據處理及電參數計算，按鍵處理及顯示。其中信號采樣是以一定頻率進行的，故在后臺運行。按鍵處理及顯示任務執行頻率較低采用中斷方式運行。數據處理及電參數計算放入主循環。

4.1 系統的主程序

主程序里主要完成系統的初始化，包括顯示設備，AD，控制器等，主循環中是數據處理及電參數的計算。流程圖見2。

4.2 信號采集

電壓及電流信號的采集是等時間間隔進行的，所以在定時中斷中觸發信號采集，在外部中斷中完成數據讀取。為了提高系統的采樣精度，單周期內的采樣點數是根據測得的頻率值確定的。頻率測量是通過ATmage32的捕獲功能實現。為了保證中斷不沖突，采用了信號量方法。流程圖見3。

圖2 主程序流程圖

圖3 信號采集流程圖

4.3 按鍵處理及顯示

系統除了具有測量電參數的功能外，還具有報警電流設置和打印電參數功，所以在系統中添加了按鍵處理及顯示模塊。因為按鍵功能及顯示功能使用頻率相對較低(在設定時才會觸發)，所以采用了外部中斷實現。流程圖見圖4。

圖4 按鍵處理及顯示流程圖

4.4 數值計算與數字濾波

軟件設計部分除了常規的功能函數設計，還考慮到系統需計算大量的數據，并涉及到浮點運算。由于控制器不支持浮點運算，在進行浮點計算時會占用相當多的系統資源，所以在電參數計算過程中，我們使用了定點計算的方法，即利用數值移位的功能，來實現高精度高效率的計算方法。采用定點算法完全可以滿足系統的計算方法。數字濾波部分采用的是限幅濾波，有效的去除了系統的隨機誤差，提高了電參數計算的精度。

5 總結

本文描述了單相多功能電參數測試儀的設計。完成了電參數測試儀的硬件設計及軟件設計，實現了電壓、電流、功率、電量等電參數的測量，并提供了良好的人機交互界面(數碼管顯示和按鍵控制)。本文在系統設計滿足精度的情況下，對如何提高系統精度，減小測量誤差方面做了進一步的研究。

本文設計的電參數測試儀除了完成傳統的電參數測試功能，還可以設置報警電流，并且報警電流值掉電后重啟不需重新設定，充分利用控制器內部的EEPROM資源。此外還提供了打印功能，可以打印測得的電參數值。為了方便系統功能的擴展和升級，系統外部留有了串口接口可與PC機通信實現更多的輔助功能，同時利用控制器的在線可編程(ISP)功能，實現軟件的同步更新。

參考文獻

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