一種集溫度采集、電參數采集及電源控制的板卡研究

劉水強 朱煜維 何春勇 江子杰 樊明亮

（中國電器科學研究院股份有限公司 廣州 510860）

引言

在過去，很多公司開發冰箱性能測試裝置還是通過分立模塊的方式搭建，需要購買各種模塊、儀表等硬件組合，結合自身研發的軟件，實現冰箱性能測試，這樣的實現方式，硬件成本比較高；軟件編程方面在針對不同的模塊，儀表的通信處理各不相同，處理起來比較繁瑣復雜。

現有冰箱性能測試裝置，通過把溫度采集模塊、電參數采集模塊及IO控制模塊進行組合，組成一個冰箱性能測試裝置；多個模塊組合占據空間大，使得冰箱性能測試裝置體積較大，成本也高。另外軟件設計方面，還得融合三種不同模塊的采集與控制程序，程序開發也相對比較復雜，編程人員需要花更多的時間去研究不同模塊的通訊協議，這給軟件開發人員帶來較大的不便。

為了解決改進現有的冰箱性能測試裝置，降低成本，提高性價比，本文介紹應用嵌入式系統技術及微電子技術研制綜合采集模塊，采集模塊的功能包括測量被測產品的電壓、電流、功率、溫度參數。采集模塊具備測試電源供電控制功能、地址設定功能，根據來自上位機的命令作出相應的反饋或者執行相應的測試任務。

1 實現原理

研究溫度采集電路與電氣參數采集電路的共同點與不同點，并結合電源控制電路，設計一個具備溫度采集、電氣參數采集及電源控制功能的電路，具體原理框架見圖1 。一個CPU同時搭載溫度采集電路、電參數采集電路及電源控制電路，集溫度采集、電參數采集及電源控制于一體。

2 關鍵步驟的介紹

2.1 溫度采集

企業生產中，冰箱出廠前的性能檢測的測試時間少則半小時，多則幾個小時以上，因此溫度變化不會特別大，那么對采樣時間間隔要求不會太高，一般1 秒或者幾秒采集一個數據即可。由于DS18B20的溫度轉換時間最大需要750 ms，檢測溫度范圍為-55 ℃至+125 ℃，在-30 ℃～70 ℃范圍內精度為±0.5 ℃[1]，完全可以滿足冰箱測試的要求。

具體實現過程：

1）如圖2，DS18B20的內部結構主要包括存儲器和控制器、高速緩存存儲器、8位CRC生成器、寄生電源、溫度靈敏元件、64位激光ROM、用于存儲用戶設定的溫度上下限值的低溫觸發器TL和高溫觸發器TH等八部分。每個DS18B20的64位序列號均不相同，這樣方便多個DS18B20掛接在同一根總線上。

2）DS18B20溫度傳感器主要用于對溫度進行檢測，檢測數據以16位符號擴展的二進制補碼讀數形式讀取，并以0.062 5 ℃/最低有效位的形式表示[2]。具體的溫度值和數字量的關系見表1 。

根據DS18B20的通信協議，CPU控制DS18B20完成溫度轉換，溫度轉換必須經過以下三個步驟：第一步是在讀寫之前先對DS18B20進行復位；第二步是在復位成功后發送一條ROM指令，第三步是在發生ROM指令后發送RAM指令，這樣才能對DS18B20進行溫度轉換的預定操作。每一步必須嚴格按照DS18B20的時序規定進行，否則不能進行正確的轉換或者讀取的結果是錯誤的。DS18B20的工作時序包括初始化時序見圖3 ，寫時序和讀時序見圖4 。

CPU控制DS18B20完成溫度轉換后，只需將DS18B20內部寄存器中的數據讀取出來即可。具體讀取溫度子程序流程圖見圖5 。

2.2 電壓、電流、功率采集

圖1 原理框架圖

圖2 DS18B20內部結構功能圖

表1 DS18B20溫度-數據轉換表

圖3 DS18B20初始化時序圖

電壓、電流、功率采集，選用ADE7753功率芯片作為電參數采集芯片。該功率芯片帶串行接口和脈沖輸出的高精度有功和視在能量計量的集成電路。功能先進，是一款數字電度表芯片[3]。它集成了二階∑△ADCs、一個數字積分器（在CH1上）、一個溫度傳感器，一個參考電壓源，能對電壓、電流有效值（RMS）計算，有功、無功和視在功率的檢測，其內部架構見圖6 。

ADE7753芯片內部具有電壓有效值、電流有效值，有功電能寄存器。正弦信號V(t)的有效值計算公式如式（1）所示。

式中：

VRMS—正弦交流信號的有效電壓值；

T—周期時間；

V(t)—周期T時間的正弦交流信號。

在離散信號序列中，有效值定義為該序列均方值的根方[4]，因此在ADE7753中，電壓和電流有效值（VRMS、IRMS）可利用最近的N個瞬態采樣值來進行計算，最終得出電壓有效值（VRMS）和電流有效值（IRMS），并將這些值存儲在寄存器中。由此可得電壓有效值的計算公式如式（2） ，電流有效值的計算公式如式（3） ，視在功率的計算公式如式（4） 。

式中：

VRMS—電壓有效值；

N—瞬態采樣值個數；

Vn—第n個瞬態采樣電壓值。

式中：

IRMS—電流有效值；

N—瞬態采樣值個數；

In—第n個瞬態采樣電流值。

圖4 DS18B20的讀寫過程

圖5 讀取溫度子程序流程圖

圖6 ADE7753內部架構

式中：

S—視在功率；

VRMS—電壓有效值；

IRMS—電流有效值。

瞬態電壓與瞬時電流的相乘，得到瞬時功率。N個瞬時功率的算術平均即為有功功率。因此，有功功率計算公式如式（5） 。

式中：

Pactive—視在功率；

U*—瞬時電壓值；

I*—瞬時電流值。

N—瞬時功率個數。

因此VRMS和IRMS可以直接從ADE7753芯片中的相應寄存器直接讀取，無需再進行轉換。讀取到數據后，與參比表的數據進行對比，如果相差比較大，只需要進行相應的線性校準即可獲得實際測試值。

2.3 電源供電控制

電源供電控制的實現具體就是幾個繼電器輸出控制，具體原理見圖7 。通過74HC259邏輯門芯片來實現邏輯控制，控制5路繼電器的通斷，來控制外部供電控制電路，實現測試電源的供電控制。CUP控制74HC259輸出端輸出低電平，使得光隔導通，使得輸出控制端J4端導通輸出24 VDC，控制外部電路上24 V繼電器線圈，繼電器線圈吸合，常開觸點控制供電測試回路，測試供電回路的接觸器吸合，實現測試電源的供電控制。

3 優勢

3.1 性能優勢

對比分立模塊的方式搭建，通過各種模塊、儀表等硬件組合的裝置，使用該板塊在性能方面更有優勢，如對比表2所示。

3.2 成本優勢

分立模塊式搭建組成的冰箱性能測試裝置與采用該板卡組成的裝置，在主要組成硬件價格對比，成本上每個可節省1 000多；而一般冰箱生產線的性能測試系統少則需要六七十個測試裝置，多則一百多個，由此推算，一個冰箱測試系統至少都能節省十多萬的成本，這樣很好的降低了成本。具體價格對比見表3 。

4 結論

本文針對如何研究開發一種集溫度采集、電氣參數采集和電源控制于一體的控制板卡，為如何實現溫度采集，電參數采集及電源控制提供了解決方案。提供了具體的實現原理，關鍵步驟實現方案，以及作了性能優勢及成本優勢的對比等。同時本方案設計也給家電檢測設備行業提供參考方法。

圖7 電源供電控制原理圖

表2 分立模塊與集成板卡性能對比表

表3 分立模塊與集成板卡成本對比表