摘要:介绍了运用Atmage32控制器实现的电子式电参数测量仪。该测量仪可以将传感器测得的电压电流,经过调理电路、AD装换输入控制器,通过软件算法实现对电压、电流、有功功率、功率因数、电量、频率等电参数的实时测量和显示。各测量参数精度符合实际需要,并且具有大负载断电报警等人性化功能。

关键词:单片机;电参数;信号采样;Atmage32

1背景简介

目前比较常见的电子式电参数测量仪有两种结构:一种是专用电力测量芯片DSP+MCU+AD;还有一种是普通型MCU+AD。

一种是采用专用的电力测量芯片DSP+MCU+AD结构。目前比较常见的有ADI公司和ATmel公司提供的成套方案,这种结构的最大特点了是简化了系统的软件设计,提高了电参数的计算精度。同时,系统的体积,功耗和可靠性的得到了明显的提高。可以通过电路和辅助软件设计来扩展系统功能。但该方案整体价格较贵,不适用于对精度要求不是很高但对造价要求严格控制的产品。

另一种是采用普通型MCU+AD结构。相对与第一个方案,该方案的硬件结构上简单了,但增加了软件的任务量,对软件的设计提出了更为严格的要求。但是该方案应用具有较长的时间,拥有比较成熟的技术如:信号调理,信号采样,参数计算的算法等。这种结构还具有的另一个优点是造价不高,适合作为一般精度产品开发的首选方案。

当系统对电参数精度要求不是很高时,采用第二种完全可以满足要求,且在价格上具有一定的优势。本文将描述基于单片机加AD传感器的设计与实现。

2系统总体设计及分析

本系统是针对传统型电参数仪设计的,带有控制面板和显示面板。控制器采用了ATmel公司推出的基于RISC结构的AVR系列单片机Atmag32,负责数据的采集和处理还有人机交互的管理。电压信号传感器选用美国贝尔技术有限公司生产的NV600。电流信号传感器选用的是该公司的NC1系列的高精度霍尔电流传感器。人机交互硬件是以周立功公司的ZLG7289为中心,配以操作按钮和数码管显示电路。报警电路是由LED和蜂鸣器组成。主要完成的功能是:电压信号,电流信号的采集;进行有功功率,功率因素和电量的计算;实现电参数值的实时显示;大负载断电报警功能以及打印功能。系统结构框图如图1.1所示。

图1系统结构框图

本系统采用的是非同步采样法。非同步采样电路相对简单,计算公式与硬件同步采样相同,从原理上讲精度不如硬件同步采样。但是非同步采样实现的限制因数更少,实际情况更接近理论精度,硬件同步采样的精度优势相对下降。

3系统硬件设计

系统硬件从输入到输出可分为五大模块:信号采集模块、信号调理模块,AD采样与控制模块,外设(按键及显示)模块,电源模块。

3.1信号采集模块

电压传感器选用的是NV-600型号的电压互感器,可精确测量交流电压,并提供了被测电压与输出信号的电气隔离。。电流传感器选用的是NC1系列的霍尔电流传感器,该传感器可精确测量交流电,线性度可以达到0.1%,并提供输如电流和输出信号的电气隔离。

3.2信号调理模块

在信号经过传感器测量获得后,所得到的电压、电流信号是无法被控制器直接识别的模拟量。并且这种模拟量存在诸多缺点,比如含有一些噪声信号量(比如告高次谐波等)、测量误差量,数值过小导致AD转换时不能有效利用AD转换器的满量程,数值过大超过AD转换器的转换量等等。针对上述问题,在电子式电参数测量仪的设计过程中,加入适当的调理电路和AD转换器就显得十分重要。

3.3AD输入与控制模块

系统采用了MAX1322作为AD转换器,Atmega32作为控制器。MAX1324是MAXIM公司生产14位,2通道,同步采样ADC转换器。可提供±5V或0至+5V模拟出入范围,可提供±16.5V的过压保护,具有优异的动态特性和直流精度。Atmega32是Atmel公司推出的AVR系列单片机,具有高达16MIPS的处理能力,同时具有2K的片内SRAM,和1K的EEPROM,此外丰富的外设也是它的一个特点。

3.4外设(按键及显示)模块

由于单片机IO口资源有限,外设模块占用CPU资源。本系统采用了周立功公司设计的ZLG7290I2C接口键盘及LED驱动器。该芯片采用串行总线接口,与控制器提供的TWI接口兼容,方便实现外设的控制。可驱动8位的共阴数码管和64个按键,满足系统的控制与显示要求。

3.5电源模块

为了不影响系统的检测结果,系统电源没有从电压传感器部分接入,而是选择了外部自制电源。电源模块由变压器、整流桥、滤波电路及稳压芯片组成,提供了+5V给控制器,-15V给运算放大器,+15V给运算放大器及传感器电压电源。

4系统软件设计

鉴于系统的实时性以及任务的数量不多,软件采用了常用的前/后台程序设计方案。软件的主要功能主要分为三个部分:信号采样,数据处理及电参数计算,按键处理及显示。其中信号采样是以一定频率进行的,故在后台运行。按键处理及显示任务执行频率较低采用中断方式运行。数据处理及电参数计算放入主循环。

4.1系统的主程序

主程序里主要完成系统的初始化,包括显示设备,AD,控制器等,主循环中是数据处理及电参数的计算。流程图见2。

4.2信号采集

电压及电流信号的采集是等时间间隔进行的,所以在定时中断中触发信号采集,在外部中断中完成数据读取。为了提高系统的采样精度,单周期内的采样点数是根据测得的频率值确定的。频率测量是通过ATmage32的捕获功能实现。为了保证中断不冲突,采用了信号量方法。流程图见3。

图2主程序流程图

图3信号采集流程图

4.3按键处理及显示

系统除了具有测量电参数的功能外,还具有报警电流设置和打印电参数功,所以在系统中添加了按键处理及显示模块。因为按键功能及显示功能使用频率相对较低(在设定时才会触发),所以采用了外部中断实现。流程图见图4。

图4按键处理及显示流程图

4.4数值计算与数字滤波

软件设计部分除了常规的功能函数设计,还考虑到系统需计算大量的数据,并涉及到浮点运算。由于控制器不支持浮点运算,在进行浮点计算时会占用相当多的系统资源,所以在电参数计算过程中,我们使用了定点计算的方法,即利用数值移位的功能,来实现高精度高效率的计算方法。采用定点算法完全可以满足系统的计算方法。数字滤波部分采用的是限幅滤波,有效的去除了系统的随机误差,提高了电参数计算的精度。

5总结

本文描述了单相多功能电参数测试仪的设计。完成了电参数测试仪的硬件设计及软件设计,实现了电压、电流、功率、电量等电参数的测量,并提供了良好的人机交互界面(数码管显示和按键控制)。本文在系统设计满足精度的情况下,对如何提高系统精度,减小测量误差方面做了进一步的研究。

本文设计的电参数测试仪除了完成传统的电参数测试功能,还可以设置报警电流,并且报警电流值掉电后重启不需重新设定,充分利用控制器内部的EEPROM资源。此外还提供了打印功能,可以打印测得的电参数值。为了方便系统功能的扩展和升级,系统外部留有了串口接口可与PC机通信实现更多的辅助功能,同时利用控制器的在线可编程(ISP)功能,实现软件的同步更新。

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