用于電氣設備安全的功率計研究

李風光，張瑞芳，楊永環，邵蕊娜

（1.河南省醫療器械檢驗所 河南 鄭州 450003；2.鄭州市軌道交通有限公司 河南 鄭州 450015）

隨著醫用電子行業的發展，醫用電氣設備作為一種醫療手段在醫療工作中的作用越來越大。病人及醫院工作人員都不可避免的使用到各種醫用電氣。對于電氣類醫用設備，應避免出現不穩定因素、甚至于錯誤的狀態出現，以保證病人的安全。醫用電氣的有功功率和動作電流是考查其安全性能的重要指標。信號微機監測系統是保證使用安全、提高各種設備測量精度、快速準確的解決出現的各種問題不可缺少的機制。這就要求實時的對設備狀況、特性參數加以監測。

醫用電氣設備運轉是一個特定的的過程，工作功率是一條有規律的曲線。通過監測設備的智能診斷軟件分析電流波形和數值的變化，可判別出設備工作是否正常并進行故障定位和分離，找出故障部件和位置。從而及時報警以預防事故。為保證設備出現故障時系統能夠及時的報警和處理，要對設備的運行狀態加以存儲分析，需要對功率信號進行檢測。功率檢測的方法很多，可以利用專門的芯片實現，也可以通過軟件編程得到，還可以采用純硬件電路進行檢測。

文中研究對象是對三相三線制的電動機功率的在線監測。采用專用功率芯片對功率信號檢測，通過CAN總線與上位機通信，使得信號的可靠性得到更好的保證，最終達到調度監督、微機監測、有效管理的目的。

1 系統工作原理介紹

1.1 系統基本工作原理

本系統主要既能應用于數據終端，也可應用于模擬終端。系統工作原理圖如圖1所示。

圖1 硬件電路原理圖Fig.1 Schematic diagram of hardware circuit

系統的工作過程是高壓信號經過電壓互感器轉化到0.5 V左右，經過電流互感器把電流信號轉化到0.1 V左右。轉化后得到的信號經過整流濾波調理后輸入三相電能芯片ATT7022中。信號輸入到ATT7022中后將測的有功功率、三相電流信號存入相應的參數輸出寄存器中。ATT7022芯片接流水線式處理器C8051F041，在高速的流水線指令結構下，程序執行速度可以達到50MIPS，使系統的實時性得到滿足[1]。用中斷的方式從ATT7022的寄存器中讀出相應的信號值。

針對該信號做出兩種處理:第一種是是針對系統與上位機相連的檢測系統，需要做CAN總線通訊的處理。另一種模塊針對測量儀器是模擬儀器，要求平均功率和有效電流信號轉化為4~20 mA的電流信號，以便進行測量顯示。在實際的應用中兩種模塊可以按照實際的應用環境進行選擇。

1.2 功率信號計算原理

功率芯片ATT7022集成了6路二階sigma-delta ADC、參考電壓電路。它不需要外接數據采集芯片，系統有更高的集成度。采用雙端差分信號輸入形式，減少了干擾源。在此芯片中完成對有功功率的計算，通過對去直流分量后的電流、電壓信號進行乘法、加法、數字濾波等一系列數字信號處理后得到有有功功率。前端的ADC采用過采樣技術，可充分保證電流、電壓采樣速率，根據采樣定理可知電流、電壓采樣數據中包含高達21次的諧波信息，依據公式（1）計算得到的有功功率也至少包含21次諧波信息信號[2]。

功率芯片與單片機系統的接口是通過ATT7022提供的一個SPI接口，進行數據傳遞。在系統中采取在功率芯片中計算采樣得到的有功功率，然后輸入到C8051F041中對其求半個周期的平均功率的方法，這樣得到的功率誤差更小，精度可以得到很好的保證[3]。此外，ATT7022內部的電壓監測電路可以保證加電和斷電時正常工作。

2 硬件電路設計

硬件電路設計采取模塊化設計，主要的模塊主要包括：CAN總線接口模塊、電流源電路、功功率檢測模塊、高速光電耦合器6N137、編程調試接口電路、電源電路和振蕩器電路、以及信號輸出模塊等組成。

2.1 CAN總線模塊

C8051F041具有控制器局域網（CAN）控制器，基于CAN協議下位機與上位機進行串行通信。為提高CAN總線節點的抗干擾能力，C8051F041的CANTX和CANRX通過高速光耦6N137與82C250與82C250的TXD和RXD相連。Silicon Labs CAN控制器符合Bosch規范2.0A和2.0B，CAN網絡通信十分方便，它的工作速率可達1M位/秒。CAN控制器包含一個CAN核、消息RAM（獨立于CIP-51的RAM）、消息處理狀態和控制寄存器。Silicon Labs CAN是一個協議控制器，不提供物理層驅動器（收發器）。

Silicon Labs的CAN有32個消息對象，每個消息對象有其自己的標識掩碼，標識掩碼用于對接收到的消息進行過濾。輸入數據、消息對象和標識掩碼存儲在CAN消息RAM中。與數據發送和接收過濾有關的所有協議處理均由CAN控制器完成，不需C8051 MCU干預。這可使得用于CAN通信的CPU帶寬最小。C8051通過特殊功能控制器（SFR）配置CAN控制器，讀取接收的數據，寫入要發送的數據。

2.2 電流源模塊

功率信號及三相電流有效值經過C8051F041后，再經過光電耦合器把電壓轉換為電流的電路（即電流源），把電壓信號變成4~20 mA的電流信號，具體電路如圖2所示。

圖2 電流源原理圖Fig.2 Schematic diagram of current source

圖2中的TLP250起驅動作用，信號經過雙路放大整流，把脈沖電壓信號轉化為與之成線性關系的電流信號。這樣保證了輸入與輸出的對應關系，使得輸出能準確的反映采集到的信號變化情況。

2.3 電源電路

DC/DC定電壓隔離穩壓單輸出（正壓或負壓）轉換器，具體電路圖如圖3所示，圖中的電源轉換電路輸出穩壓精度高，隔離特性好，無需外接任何外轉元件即可工作。特別適用于對輸出電壓精度和紋波噪聲抑制率要求高的DC電壓變換器系統。

3 系統軟件設計

本程序的編寫和調試的開發環境是Keil 51，采用C語言和匯編語言混合編程，基于C程序中調用匯編的設計思想[4]。軟件設計主要包括：I/O口的初始化配置，電壓管理系統的設置，系統時鐘、中斷，PCA定時器以及輸出8位占空比可變化的PWM子程序[5]。

初始化CAN控制器的步驟如下：

1）將SFRPAGE寄存器設置為CAN0_PAGE；

2）將CAN0CN寄存器中的INIT和CCE位設置為1；

圖3 DC/DC電路圖Fig.3 DC/DC circuit diagram

3）設置位定時寄存器和BRP擴展寄存器中的時序參數；

4）初始化每個消息對象或將其 MsgVal位設置為NOT VALID（無效）；

5）將 INIT 位清‘0’。

數據采集采用中斷采集方式，程序主要包括主程序，初始化子程序，串行通信子程序，平滑濾波程序以及中斷PWM輸出子程序。數據測量中斷子程序框圖以及主程序框圖如圖4和圖5所示。

圖4 數據測量中斷子程序框圖Fig.4 Interrupt subprogram diagram of data-measure

圖5 數據測量主程序框圖Fig.5 Main-program diagram of data-measure

軟件系統采用匯編語言方便了調試、修改，滿足系統在時間上的精確要求。本系統中三相電壓和電流信號每半個周期采樣1 000點，在功率芯片ATT7022中計算出每次對應的功率值，設定通過C8051F041每隔10 ms的時間進行中斷請求采樣。分四路采樣，分別是平均功率和三相電流有效值。對采集到的數據信號采取平滑濾波處理，避免輸出產生較大的波動。

4 系統誤差分析

實際電力系統中，連接了許多外在電氣設備，這將給電網注入各種諧波電流。交流信號并非單一的50HZ正弦波，這些高次諧波危害電氣設備的正常運行或縮短其壽命，是必須要加以去除的。總體上高次諧波幅度隨著次數的增高而變小，然而同頻率諧波電壓和諧波電流將構成諧波功率，且是有功功率的一個部分，諧波電壓和諧波電流也是電壓有效值和電流有效值的一部分，因此，在交流采樣技術中應該考慮諧波分量。

ATT7022支持全數字校表，經過校正的儀表，有功功率可以達到0.5 s。功率校正主要分為比差校正和角差校正。本次設計我們先采取比差校正，ATT7022可以將比差進行分段補償，根據電流大小設置補償分段區域。完成比差修正后做角差校正。比差校正在功率因數為1.0時進行，而角差校正在功率因數為0.5時完成。 需要進行軟件校表的寄存器有：功率增益補償寄存器、相位校正寄存器、電壓校正寄存器、電流校正寄存器和啟動電流設置寄存器。通過這些設置之后所得到的信號，在精度上可以達到更高指標。

5 結束語

文中介紹的系統，已經在現場進行了試運行，各項目標均達到項目書的要求。采用CAN總線更能使得信號傳輸的距離、可靠性得到更好的保證。通過對供電電源，信號采集通道，以及信號輸出通道進行必要的抗干擾設計，光電隔離、短路保護以及過載保護等措施，使系統很好的適應了工作環境的復雜性。在現場的試運行中得到很好的效果。特別是在電磁干擾較強的工作環境，也具有很好的應用前景。

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