三相多功能电能表的设计.docx

指导教师评定成绩附件C：译文（五级制）：指导教师签字：三相多功能电能表的设计摘要：本文通过对以往电能表产品的分析，提出了高精度三相多功能电能表的设 计方案，0.02 SB 1300电能表是根据已经批准的宽范围和多用途的标准电子式电能 表产品而设计的本文探讨了高精度多功能电能表的模拟通道设计，采样电路设 计，信号处理和控制电路设计，以及系统和结构设计的方法及特点，介绍了基于 ARM和DSP的三相多功能电能表的设计方案，并探讨了有关电能表关键部件设计 的问题关键词：三相电能表;模块化结构;DSP;电能表ARM;设计方案1引言随着电力行业改革的深化，工业三相多功能高精度电能表的需求迅速增加 在目前，国内市场上多功能电能表的品种有限，价格高，功能不完善，多是针对 特殊应用领域设计的，而不能普遍使用，且一些产品低于国家标准在本文中， 一个多用途的高精度标准电子式电能表的设计将解决这些问题如今，一些外国公司采取了国内市场的0.02 （及以上）宽范围和多用途标准 电能表鉴于实际需求，本文基于0.05标准电能表的设计而设计了一款新的0.02 SB 1300三相宽范围和多功能的标准电子式电能表本文设计的电能表应用了 DSP 和大范围测量技术，并使用了 ARM作为其核心处理器，测量误差0.02。

在结构上, 采用模块化结构设计，包括模块化通道板，信号采集板，测量计算板，核心控制 器板，并且采用先进的大型集成电路因此，新电能表具有许多优点：系统结构 简单，运行可靠，良好的人机交互界面，重量轻，体积小，可以长期应用于工作 领域以及实验室2设计原则2. 1工作原理三相宽范围和多用途标准电子式电能表的设计原理如图表所示：图1三相宽范围和多用途标准电子式电能表的设计原理模拟信道变化和测量信号的分离：测量电压由精度电压传感器采样，测量电 流由电流传感器采样并转换为电压信号模拟信道还执行通道的自动切换功能信号采集电路主要采用16位A/D转换器，能够同时获得6个测量信号的采样 结果，并对每个电压信号和电流信号进行转换，并最终通过串行方式发送到DSP测量计算电路主要采用DSP,能够高速的对采样信号进行处理并将结果发送 到ARM ISA总线ARM来对这些结果进行处理并实现人机交互和每一个测量功 能2. 2测量原理这里用到了面积取样法，同样插值法在采样点的正值与负值间得到了应用 通过逐次逼近方法，能够发现零点这零点和第一次的采样面积之间的时间已经 获得，测量信号的频率在一个周期的采样点的基础上可以计算。

应用傅里叶变换来衡量的活跃度和无功功率由于没有同步现场取样的使用 会导致额外的误差，，窗口功能可用于消除这种误差当波形失真时，波动幅度和谐波相位就能够测量，然后就可以绘制出频谱曲 线3模拟通道设计3.1模拟采样通道本文中，六个通道同时有电流输入，且六个通道电压和电流信号输入到模拟 通道输入电压通道采用电阻分压器电路，可调增益放大器用于实现当电压通道 发生变化时，电压能够始终满足A/D转换器采样输入的要求水平A/D转换器的 优点是，它可以在相当长的时间跨度里可靠地工作性区域，其缺点是线性区 域是有限的在本文中，在电流传感器采样中采用电子补偿及转换电路，还有非 线性补偿电路，它可以延长电流传感器的线性区域不像通常的设计那样单独使 用各自的端口，所有的SB 1300都便利的共享一个端口转换时要用到保护电路， 以避免输入端口空值和小的电流绕组损坏3. 2量程变换在高精度宽量程表的设计还有一个非常重要的量程衔接问题由于电流输入 范围为50mA到120mA,在宽量程标准表内的此量程范围都是由若干个量程衔接 起来的其工作范围是线性最佳量程的40%-120%,其误差变化曲线几乎是一条 直线，从而在所有的测量量程都能确保范围连接的紧密性并能提高准确度。

3. 3相位补偿由于每相电压、电流有不同的相位差，互感器各档的阻抗特性也有差异，因 此模拟通道各档位之间阻抗会有所变化，使其信号在传递过程中发生不同的相移, 其结果造成不同通道不同档位之间相位差异因此交流电能表需要进行相位修正, 实现功率因数匹配采用软件匹配相位方案，根据实际测得的相位选取补偿量 这种方案不能作到无级补偿，且电能功率准确度依赖于相位测量准确度在本文 中采用了硬件补偿方案，使补偿对所有的测量点更加准确有效，避免了软件补偿 方案的硬缺陷4采样电路A/D采样电路的设计是数字乘法器非常关键的一步，它直接影响模型测量的 稳定性，线性度，噪声水平，及每一个功能实现SB1300标准电能表采用数字 乘法器调整所有的电路，并确保产品的一致性4. 1 LF398采样和保持电路LF398是采样和保持电路，并引导模式外部电容HC (MF)在其运作当采 样开关SIH处在高输入水平时开关开启6个通道通过A/D转换器SB 1300的采样 方案同步采样以避免一些设计方案中缺陷引发的误差A/D转换 16位移位寄存器图2采样电路采样电路原理是显示在图2o模拟信号转换数字离散信号时转换器A/D会带 来量化误差。

转换器的数字越小，相邻量化类间的差异就会越大，因此量化误差 就越大为了使A/D采样电路对测量回路的影响减少，采用高的输入阻抗，在输 入和输出电路中采用转换器，而低输出阻抗不影响以后电路4. 2 AD677的（A/D）转换模块AD677是16位串行转换器，有lOOKsps的采样率并有16位高速芯片作为辅 助芯片A/D转换器采用非线性校正电路和开始脉冲信号需要从外部提供 SAMPLE是采样的启动信号，CP时钟信号由A/D转换器提供，CLA矫正开始信 号所有三个信号都需要从外部提供该电路分为两部分：模拟部分A和数字部分D选择A/D转换器是A/D电路 设计的关键，也是首要问题扰动主要来源是开关噪声，高频数字信号传输中产 生的高扰动也应该尽量减少目前集成A/D芯片大都带有片内基准，但片内基准 的温度稳定性较差，不适于高精度标准表瞬时功率信号通过数字乘法器采用电 压信号和电流信号相乘的方法得到为了避免出现并行硬件乘法器需要太大的硬 件资源，在这里采用一个顺序迭代乘数的方法为了得到较高的精度，应该采用合适的采样频率，一个周期内采样点的分布 应该是平均的产生的误差电压用于调节振荡频率并通过PLL电路执行A/D转换。

A/D转换的实质是比较模拟电压与基准电压的大小然后确定图像转换器AD677使用外部基准，其中具有恒温槽这种芯片具有较高的长期稳定性 和较好的温度特性至于数字信号噪声对A/D转换器的干扰问题，实际上是如何 处理好数字地与模拟地的连接问题，这也是标准电能表等级评价的一个重要依据4. 3相位补偿接地信号传输为确保数字地和模拟地的连接，即，高电压信号输入和内部电路之间的绝缘, 转换器AD677接地信号传输采用孤立地设计方案，如图3接地信号传输的应用 可降低对输入采样信号的干扰和杂波同时可以提高测量精度E2 EL4.4移位寄存器74HC16574HC165是8位的移位寄存器，可用于串行或并行输入D是转变控制器 当它处于较低水平，数据输入以并行输入的方式当在较高水平，数据转移CLK 为移位时钟脉冲，数据移动一位上升沿移动一个条目如果两片74HC165系列芯 片一起工作，一个16位的移位寄存器可以实现5非电路测量计算和控制电路设计5. 1测量计算电路设计DSP,数字信号处理器，是一种特殊的单芯片微控制器它具有很高的处理速 度特别适用于高速计算DSP采用多总线结构和流水线架构它使用几个加工单 位和硬件乘法器。

多用途电能表主要有两种设计方案:一个是电能计量芯片+MCU另一个是A/D 转换芯片+ DSP+ ARM的在后者，A/D芯片和DSP进行数据采样并完成其他复 杂的功能，实现电能测量功能，而ARM执行记忆，展示，交流等功能这种设计 方案难以实现，但它具有较强的可扩展性和较高的测量精度和可通过复杂的数据 执行许多功能处理所以，这篇设计采用这个方案为了能够绘制一张表，有必要采取A/D转换芯片+ DSP方案，其中DSP是多 功能电能表能源计算的核心部分DSP用于运行数据处理，因为A/D能收集到大 量的数据DSP可以完成快速数据校正和补偿处理，使系统非线性失真，产生标 准的能量脉冲输入信号，并执行32位的浮点运算5.2控制电路设计如今，每一个电能仪表公司都是在各种网络的基础上研究电能表的，如RS 485 总线抄表系统，电力线载波系统，以太网技术等等以太网技术采用以太网作为 传输介质的方式，具有速度快，可靠性好的优点TCP/IP在以太网的应用有助于 其结构简单，传输范围广，，通用性好，安全等优点本文提出了电能表采用以 太网作为传输介质，不仅能够完成用户的电能数据处理，也适用TCP/IP协议，通 过嵌入式操作系统管理整个系统的操作。

ARM 7系列广泛应用于多媒体和嵌入式设备，包括网络设备和现代设备，及 无线设备如移动因此，嵌入式ARM 7通过控制电路实现人和机器的交互， 以控制DSP的工作方案，以及与上位机的通讯，并执行系统维修等数据存储在 网络电能表特殊的数据安全存储区域，使用快闪记忆体来储存能量数据在比较 上，ARM的闪存具有更快的存储速度和读写能力ARM主板安装有CPU,内存, 集成键盘接口，显示设备接口，打印机接口，串行通信接口电路ARM和DSP 之间通过ISA总线进行数据交换为了节省微处理器110的接口资源和简化编程, ARM 7微处理器控制信号可以通过数据总线控制访问液晶显示模块的外部存储 器6界面设计接口部分是连接内部电能表电路和外部电路的唯一通道，其可靠性直接影响 电能表的性能在通信方面，多用途电电能表具有各种物理接口，如RS-485接口， RS-232接口，调制的红外接口，动人的光接口等RS - 485串口接口是鉴别的标 准并具有许多优点如传输距离远，抗干扰能力，快速，简便的安装和扩展功能， 和多传动系统在装载设备因此，多功能标准电能表在国内市场主要采用RS - 485 接口和调制红外接口它符合我省的多用途标准电能表的技术标准即多功能标准 电能表必须使用RS - 485接口和调制红外接口，且这两个必须是独立的、互不干 扰。

出于对今后的工作和管理需求的考虑，对重要用户，采集终端需要连接，两 根独立的RS - 485接口和调制的红外接口应适用本文在此提出标准电能表，采取了保护措施，如隔离电源，过流保护，过压 保护，与外界隔绝输出等为了进一步确保根据通信，应确定传输速度电能表的红外接口使用1200 bqs 的传输速度速度将改动如果接收到从主站的改造秩序否则，如果没有通信秩 序，已收到500毫秒，电能表恢复1200 bqs的传输速度监测许多公司提供的多功能标准能量表，我们省建立通信协议来测量系统单 独运行和同步操作界面和调制的红外遥感-485接口来衡量信息传输通道和信息 交换协议，以及测试的实现的功能项目测量有助于公司以改善其不合格零件， 确保这些仪表公司的通信协议符合技术法规7系统的结构与电源供应设计如今，高品位的标准电能表在长期稳定性和温度稳定性的方面有着严格标准 在制造业，A/D基础芯片的关键部件应具有良好的温度稳定性，并严格按照测量 标准和长期的高温度测量标准以便有效地解决温差带来的影响与此同时，其他 部分的设计，如电源系统，接地系统，温度平衡系统等，也是非常重要的由于 所有的功能模块共享一个电源供应器，一部分电流会通过模块间的信号线回流到 电源部分从而产生电压失真。

当使用小信号传输线时这种失真尤其明显应给予系统的地线设计特殊关注，因为它是非常重要的首先，安排的电线 必须是合适的，以便。