大功率電器智能識別系統設計

周維龍，歐陽洪波，胡 姣，何小梅

（湖南工業大學 電氣與信息工程學院，湖南 株洲 412007）

大功率電器智能識別系統設計

周維龍，歐陽洪波，胡 姣，何小梅

（湖南工業大學 電氣與信息工程學院，湖南 株洲 412007）

針對各種各樣的大功率用電器走進學生公寓所帶來的安全隱患，提出了一種基于FGPA的大功率電器智能識別系統的設計方案。該系統采用EP3C25E1448CN作為主控制器，外圍電路由保護模塊、數據檢測模塊、A/D轉換模塊、數據顯示模塊以及數據傳輸模塊組成；給出了控制系統模型，簡述了各功能模塊的作用，并采用自頂向下的設計思想，實現了大功率用電器智能識別器的設計；詳細論述了系統硬件電路的設計以及A/D變換與乘法器的FPGA實現。測試結果表明：本系統存在一定誤差，但能滿足對大功率用電器的控制，系統是可行的。

大功率電器；功率采集；智能識別；FPGA

0 引言

隨著人們生活水平的不斷提高，各類大功率電器（加濕器、烤火爐、空調、電磁爐、電熱淋浴器等）已悄然走進千家萬戶，這導致了用電管理越來越難。學校公寓由于學生人數多，人口密度大，如果對學生用電管理不當，不僅會造成電能源的大量損耗，甚至引起火災，造成巨大的經濟損失，以及人員傷亡[1]。

針對以上問題，目前一般做法是限時送電或在室內安裝限流器，但是裝了限流器后，限制了大功率電器的使用，同時也影響了電腦等常規電器的使用，這樣達不到合理管理的目的。本文設計了一種基于FPGA（field programmable gate array）的大功率檢測器，通過檢測用電器的瞬時功率，判斷用電器是否為大功率用電器（禁用電器），并控制其電源的通斷，從而實現對公寓內大功率用電器的有效管理。

1 系統硬件電路設計與實現

1.1 系統總體方案

本系統將ALTERA公司生產的EP3C20作為主控制器模塊，外圍電路由保護模塊、數據檢測模塊、A/D轉換模塊（AD7701）、數據顯示模塊以及數據傳輸模塊（RS485）組成[2]，如圖1所示。其中，主控制模塊完成數據處理、數據顯示和通信控制功能[3]；保護模塊完成短路保護功能[4]；數據檢測模塊完成對負載用電回路功率采集的功能；系統通過繼電器的通斷開控制回路的通斷，當用電器功率大于設定值時，繼電器斷開，切斷用電器的電源，該控制實現簡單，易于開發。

圖1 系統總體方框圖Fig.1 System block diagram

1.2 功率檢測電路設計與實現

用電器功率有視在功率S、有功功率P與無功功率Q之分，其中，有功功率指的是元件消耗的能量；無功功率指的是元件與能量的交換；視在功率反映了電路提供的最大能量。本系統主要是為了保護供電線路的安全，考慮的是傳輸線路的總負荷，因此，檢測用電器的視在功率。對視在功率的檢測最常用的方法主要有3種：

1）通過測量用電器兩端的電壓和通過用電器的電流，計算得S=UI；

2）通過測量用電器的電流和用電器的電阻，計算得S=I2R；

3）通過測量用電器兩端的電壓和用電器的電阻，計算得S=U2/R。

如要快速測出不同用電器的電阻，同時測得其電流或電壓值，在同一電路中是很難實現的，因此，本系統采用第一種方案。由霍爾電流傳感器測出被測對象的電流值，電壓傳感器測出電壓值，再由主控器FPGA將2個數值相乘，得到功率值。該測試實物如圖2所示。

圖2 功率檢測實物圖Fig.2 Physical picture of power testing

2 系統控制算法分析

本文對數據的處理主要包括2方面：1）如何檢測用電器的功率；2）如何判斷公寓內是否使用大功率用電器。

2.1 用電器功率檢測

在主控器FPGA中，可通過一個多位數字乘法器，將采集到的電壓和電流值相乘，即可得到用電器的功率。乘法器可采用各種不同的設計技巧，綜合后的電路亦有不同的執行效能。常用的乘法器有移位乘法器、定點乘法器及布斯（Booth）乘法器。不帶符號的8位乘法器若采用連加方式，則最差情況需要28-1次加法才能完成計算；而移位乘法器則最多需要8次即可完成乘法計算。移位乘法器是通過逐項移位相加原理實現，從被乘數的最低位開始，第n位若為1，則乘數左移n位，再與上一次的和相加；若為0，乘數左移n位后以全零相加，直至被乘數的最高位。因此，最多判斷8次即可獲得2個數的乘積[4]。

2.2 大功率用電器識別

對公寓大功率用電器的識別，可通過不停檢測每間宿舍的總功率，若在某時刻總功率突然增加（ΔP）較大，則表明該宿舍啟動了大功率電器，從而切斷該宿舍電源。因此，本文采用乒乓控制法。宿舍可以使用的電器僅局限于普通充電器、電風扇以及電腦等。臺式電腦的功率一般在350W左右，閾值的大小可設定在450W左右。通過一個16位數據比較器對采集的瞬時功率與設定值進行比較，即可實現對大功率用電器的識別。該系統精度高達0.1%，對于大功率的比較，完全滿足實際要求。

3 控制系統的功能分析

隨著微電子技術不斷發展，FPGA技術取得了飛速發展。由于其具有集成度高，工作速度快和可現場編程等特點，因此，在數字信號處理中得到了廣泛應用[5]。在本系統中，FPGA控制器主要完成對A/ D轉換器控制、功率采集、大功率電器的識別、數據顯示以及數據傳輸等功能[5]。系統控制電路框圖如圖3所示。

圖3 系統控制電路框圖Fig.3 System control circuit diagram

1）A/D轉換控制模塊

該模塊的主要功能是完成模/數變換，將傳感器采集到的電壓與電流值轉換成數字量。系統采用美國Analog公司生產的AD7701作為A/D轉換芯片，因其具有功耗低、精度高、抗干擾能力強等特點，被廣泛應用于儀器儀表、參數檢測、數據采集等設備中。CS為片選端，低電平有效，可由FPGA對時鐘信號分頻得到；SCLK為串行時鐘端，由FPGA對時鐘信號進行分頻與PWM（pulse width modulation）處理后得到；DRDY為數據準備端，數據寄存器數據準備好時為低電平，數據傳送完畢后為高電平，可作為數據是否傳輸完畢的控制信號；CLKIN為主時鐘信號（4MHz）輸入端，可由FPGA對時鐘信號經10分頻得到；SDADT為串行數據輸出端，將轉換后的數據以串行通信的方式輸出，當FPGA給AD7701的CS端第一個下降沿時，AD7701開始發送第一幀A/D轉換數據（高8位DB8～DB15），低位在前，當給CS端第二個下降沿時，AD7701輸出第二幀8位數據（低8位DB0～DB7）。

2）串/并轉換模塊

本模塊為一個8位串/并轉換器，將AD7701串行數據輸出端SDADT輸出的數據，分2次轉換成16位并行數據輸入到乘法電路中。其中第一次為高8位數據，第二次為低8位數據。

3）比較器控制模塊

比較器控制電路是實現乒乓控制法的關鍵部件。將乘法器輸出的數據與設定功率閾值進行比較，當用電器工作的瞬時功率小于或等于設定功率時，輸出低電平；否則，輸出高電平，并通過系統執行部件，切斷用電器工作電源，實現對大功率電器的智能控制。

4）乘法電路模塊

傳感器采集的電壓與電流，經信號調理后輸入到乘法器中，通過乘法電路實現兩者相乘，從而得到用電器的功率。

5）LCD控制模塊

系統采用MCD12864作為顯示器模塊，主要顯示用電器的工作電壓、電流、功率及當前的工作狀態。其中，E為使能信號控制端；R/W為讀/寫操作控制端，當FPGA輸出高電平時進行讀操作，輸出低電平時進行寫操作；RS為寄存器選擇控制，高電平為數據，低電平為指令；DB7-0為數據總線。

6）RS485控制模塊

RS485接口芯片已被廣泛應用于工業控制、儀器、儀表、多媒體網絡、機電一體化產品等諸多領域[6-7]。系統采用MAX1483芯片作為數據傳輸模塊，將采集的功率傳輸到上位機，可實現對用電器的遠程監控。RO為接收器輸出控制端；RE為接收器輸出使能，低電平有效；DI為發送器輸入端；DE為發送器輸出使能控制端。

4 FPGA仿真實現

4.1 A/D轉換

由文獻[6]可知：fSCLK=5MHz，SCLK高電平脈沖寬度t11≥35ns，SCLK低電平脈沖寬度t12≥160ns，數據以fout=4kHz速率更新16位數據輸出寄存器的內容。因此，SCLK時鐘信號可由EP3C時鐘（40MHz）經8分頻，得到fSCLK=5MHz。為簡化脈寬調制器的設計，取占空比為1∶3（即2∶6），此時t11=80ns，t12=160ns。采用VHDL（very-high-speed integrated circuit hardware description language）語言實現分頻器的設計，F_SCLK時序仿真如圖4所示。從圖中可以看出，設計完全符合要求。

圖4F_SCLK 時序仿真圖Fig.4 Timing simulation diagram of F_SLCK

4.2 8位移位乘法器

根據乘法器原理與二進制法原理分析可得，整個乘法器系統包括計數模塊、乘法移位模塊、被乘數輸入模塊、二進制加法模塊和乘積寄存器模塊等構成[8]。移位乘法器采用模塊化設計，先用VDHL語言實現各模塊的邏輯功能，并生成相應的元件，在頂層把功能模塊連接成如圖5所示電路，編譯后仿真，可得圖6所示波形。

圖5 8位移位乘法器電路原理圖Fig.5 The schematic of 8-bit multiplier

圖6是使用QuartusⅡ8.0對移位乘法器進行時序仿真的結果。a, b, p均采用十六進制，由圖可以看出，輸入a=05, b=05時，乘積輸出p應為5×5=25，實際仿真輸出為0019H即25，這說明仿真結果是正確的。

圖6 8位乘法器時序傳真結果Fig.6 Timing simulation diagram of 8-bit multiplier

4.3 頂層控制

運用原理圖輸入的設計方法是，將各單元模塊所生成的元件在頂層按圖3的方式連接，即可構成整個系統的硬件原理圖。該系統以Alter公司生產的EP3C25E1448CN為主控制器，整個系統主要包括初始狀態（initialization）、數據采集狀態（data_sample）、數據處理狀態（data_processing）、RS485傳輸狀態（RS485_ transfers）、數據顯示狀態（data_display）5種狀態，因此，可以利用有限狀態機的設計方案來實現。其狀態轉換如圖7所示[9]。通過開發工具QuartusⅡ8.0對各個模塊的 VHDL 源程序及頂層電路進行編譯、邏輯綜合，電路的糾錯、驗證、自動布局布線及仿真等各種測試，最終將設計編譯的數據下載到芯片中即可。

圖7 系統狀態轉換圖Fig.7 System state transition diagram

5 系統測試結果與展望

在圖2的基礎上，外接MCD12864顯示模塊，得到本系統的整個硬件電路，再將不同的用電器接到圖中的插線板上進行測試。表1為一組測試數據。

表1 測試結果Table1 Results of test W

由測試數據可看出，系統存在一定的誤差。引起誤差的主要原因有2個方面：1）用電器的標稱值本身就是一個估計值，與其實際功率有一定偏差；2）電流傳感器的輸出電壓為

而實際工作電壓小于5V。盡管如此，對大功率用電器的識別，幾瓦的誤差對實際運用不會造成大的影響，因此，本系統是切實可行的。

本方案可實現對用電器功率的即時采集，在下一步研究工作中，通過RS485遠程通信，實現大功率用電器的遠監控，這對實現學生公寓安全用電、綠色照明具有較大的市場價值。

[1] 大連鑫盛科技有限公司. 近年來中外高校學生宿舍火災事例[EB/OL]. [2012-04-12]. http://www.dlxskj.cpooo. com/news/22742.html. Dalian Xinsheng Technologies Co., Ltd.Chinese and Foreign University Student’s Dormitory Fire Case in Recent Years [EB/OL]. [2012-04-12]. http://www.dlxskj.cpooo.com/ news/22742.html.

[2]綦 磊，張 濤，梅 瑋，等. 基于 FPGA 的高速信號采集平臺設計[J]. 傳感器與微系統，2011，30(9)：79-81. Qi Lei，Zhang Tao，Mei Wei，et al. Design of High-Speed Signal Acquisition Platform Based on FPGA[J]. Transducer and Microsystem Technologies，2011，30(9)：79-81.

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（責任編輯：鄧 彬）

Design of Intelligent Cognitive System of High-Power Electrical Appliances

Zhou Weilong，Ouyang Hongbo，Hu Jiao，He Xiaomei
（School of Electrical and Information Engineering，Hunan University of Technology，Zhuzhou Hunan 412007，China）

In view of the hidden dangers of various high-power electrical appliances into student’s apartment, proposes a cognitive system of high-power electric appliances based on FPGA. The system uses EP3C25E1448CN as the microprocessor and the peripheral circuit consists of protection module, data detection module, A/D conversion module, data display module and data communication module. Provides the control system model and describes the role of each functional module, and with top-to-down design ideas, realizes the intelligent cognitive device design for high-power electrical appliances. Elaborates the system hardware circuit design and FPGA implementation of A/D conversion and multiplier. The test results indicate that the system exists some error but it is feasible and can meet the use of high-power electrical control.

high-power electrical appliance；power acquisition；intelligent cognitive；FPGA

TM769

：A

：1673-9833(2014)01-0044-05

2013-11-12

湖南省教育廳一般基金資助項目（13C024），湖南工業大學大學生研究性學習和創新性實驗計劃基金資助項目（湖工大教字[2013]9號-47），湖南省科學技術廳科技計劃一般基金資助項目（2011FJ3128）

周維龍（1978-），男，湖南邵陽人，湖南工業大學教師，主要研究方向為嵌入系統設計及應用，無線傳感器網絡技術，E-mail：weilong_12345@163.com

10.3969/j.issn.1673-9833.2014.01.009