基于MSP430F147的智能三相電力計量儀表的設計與實現

劉翠玲1 李珊2

1福建福清核電有限公司 350318；2福建奔馳汽車工業有限公司

摘要：在本文中，將就基于MSP430F147的智能三相電力計量儀表的設計與實現進行一定的研究，在對三相電參數計算、測量方式進行探入探討的基礎上在儀表中增加現場編程以及組網能力。

關鍵詞：MSP430F147；智能三相電力計量儀表；設計；實現

1 引言

電力計量儀表是電力工作開展中的重要設備類型。在本設計中，在以MSP430F147為核心的基礎上，對三相電信號進行了采集、處理、分析以及顯示，并在對通信擴展功能進行實現的同時對儀表的組網管理進行了實現。

2 儀表功能設計

2.1 輸入信號調理電路

對于信號調理電路而言，其主要通過電路以及互感器的應用將三相電流信號以及電壓信號調理成轉換器能夠接收的電壓信號。如何能夠使信號具有最小的失真特點，則成為了具體功能實現的關鍵內容。在本系統中，其調理部分原理如下圖所示：

圖1

信號輸入范圍方面，其為0至500V，A/D所使用的為25V基準。這就說明，在系統模擬轉換的過程中，其最高電壓需要在控制在25V以下：

2.1.1 電壓部分

以UA為例，對電壓調理部分進行分析。在結構中，采樣電阻為R17，由于電路處理交流信號，我們在將R17對下端接地進行設置后，在交流半軸大于UN，并使A__IN3一端的值在0V以上。單片機方面，其A/D方面僅僅能夠以單端的方式進行測量，且需要抬高信號。根據此種要求，我們則將A/D基準輸入在分壓之后將其同R17下端進行相接，并將被測量信號在抬高1/2個基準電平之后抬到零電平上，以此使其能夠被正常測量。同時，在1mA線性以內，電壓互感器具有著較好的線性度，以輸入最大值500V進行計算，在AD工作范圍內在進行濾波后對相關數據進行采樣。

2.1.2 電流部分

以I_IN1為例對電流的處理轉換進行分析，在電流方面，其偏置電路同上述我們分析的電壓部分十分相似，同樣使用A/D輸出信號對基準電平進行抬高，以此使A/D能夠對相關信號進行正常測量。其中，采樣電阻為R1，其前端輸入最大電流為5A，流經采樣電阻的電流值最大為2.5mA。在取R1為330Ω的情況下，其電壓有效值最大為0.825V，在低濾波之后能夠被采樣。

2.2 數據采集

2.2.1 數據采樣技術

對于單片機而言，其在2kHz速度的情況下對三相交流電的電流以及電壓進行采樣，并對瞬時的三相電流以及電壓進行獲得。在對上部分數據獲得之后，則可以通過硬件乘法器的應用對瞬時功率進行計算，通過軟件方式的應用對正弦波過零點進行判斷，之后通過定時器的應用對其內部信號頻率進行測量，在對后續處理工作的開展提供狀態標識的同時能夠對數據計算處理進行觸發。在本系統設計中，使用的是多通道定時器觸發的連續采樣模式，即通過定時器的應用對ADC12進行觸發，以此能夠在較短的時間內對多個通道的瞬時電參數進行獲取，以此使被測電參數值具有更高的準確性。之后，單片機則會將本次獲取的數據同之前獲得的采樣數據進行比較，對信號是否過零點進行判斷，并對數據處理函數采樣進行觸發。

2.2.2 顯示通信設計

在本設計中，共使用了三排數碼管對三相電參數進行顯示，具有著較好的可靠性以及穩定性。同時，相關儀表能夠嚴格按照參數對數據進行顯示，并能夠由用戶根據自身需求選擇手動切換或者定時自動顯示。

在此基礎上，為了能夠使儀表具有更強的應用以及綜合處理能力，在本設計中，共具有兩路繼電器開關量以及模擬量輸出，且具有基于ModBus協議的通信接口。在上述各個分路中，每路上輸出都能夠對其所代表的物理量信息進行選擇，如電流、無功功率、交流電頻率、三相電壓以及有功功率等。繼電器輸出方面，其主要功能是根據所測得的信號信息選擇報警，在本研究中，其也具有著較強的獨立性，即根據實際需求對適合的參數進行選擇，并能夠對報警的上下限進行設定，其范圍為代表信號的120%以內。同時，也可以對繼電器延遲輸出時間進行設定，以此使系統能夠具有更強的抗干擾能力，在同ModBus實現配合的同時對更為復雜的現場控制進行實現。模擬量輸入方面，則根據相應的指示燈進行顯示，能夠以更為直觀、便捷的方式對所獲得的信號以及不同通路的連接情況進行顯示，以此幫助我們更好的實現系統的故障檢測以及現場控制工作。此外，在通信方式上，我們選擇了以ModBus為基礎的通信方式，以此使儀表能夠在遠程實現控制以及訪問工作。對于該協議而言，其在運行中將儀表視為一個虛擬存儲器空間，并能夠將相關數據放在指定的存儲器位置當中。之后，上位機軟件則能夠根據0x03命令對相關數據進行讀取，并在讀取完成后選擇對其處理或者顯示。而在控制信息方面，則將其放置在存儲器空間當中，在實際運行中，這部分信息將直接由儀表進行控制，以此對程序的運行情況實現控制，且上位機也能夠在0x06命令的發出后修改控制寄存器，以此對遠程控制儀表功能進行實現。可以說，通過ModBus在該設計的應用，則能夠使系統的儀表系統同之前相比具有了更為智能化的特征，在對儀表設備組網能力進行提升的同時有效實現遠程網絡控制功能。

3 軟件程序設計

在該系統的軟件部分，則將儀表工作分為兩大部分。對于具有較高實時性要求的任務，會將其放置在具有較高優先級的事件處理進程中，而如果其對于實時性沒有較高的要求、或者該任務的處理時間較長，則需要將其放置在背景進程當中。同時，該程序通過定時器的應用作為系統運行中的協調信號，并通過背景進程以及標志的應用對控制信號以及狀態信息進行傳遞。

4 結論

在工業電力工作中，電力計量儀表可以說是非常重要的一項設備類型，對于電力工作的開展具有十分積極意義。在上文中，我們對基于MSP430F147的智能三相電力計量儀表的設計與實現進行了一定的研究。在該設計中，我們在MSP430F147的基礎上對三相電參數的處理、采樣以及顯示等功能進行了實現，且對基于ModBus的遠程通信進行了實現，能