基于ADE7758+MC9S08AW32方案的多回路監(jiān)控單元的設(shè)計(jì)

0　 引言
　　在配電系統(tǒng)領(lǐng)域，智能化和網(wǎng)絡(luò)化是一個(gè)主流的發(fā)展方向，但是在實(shí)際使用中，若每一個(gè)配電回路都安裝智能化的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)儀表，用戶的硬件投資成本是非常大的，鑒于此，集成化又將是一個(gè)發(fā)展的方向，即將多個(gè)配電回路的電參量測(cè)量由一個(gè)智能儀表來實(shí)現(xiàn)。因此，一種設(shè)計(jì)先進(jìn)、可靠性高、測(cè)量精度高的多回路智能監(jiān)控單元的出現(xiàn)，能夠在保證實(shí)現(xiàn)用戶測(cè)量要求的同時(shí)，大大降低用戶的硬件投資成本和使用成本。
　　本文介紹一種AMC系列多回路智能監(jiān)控單元（見圖1）的設(shè)計(jì)方法，最多實(shí)現(xiàn)3個(gè)三相回路（或9個(gè)單相回路）的電參量測(cè)量；結(jié)合RS485總線技術(shù)及上位機(jī)軟件，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)及狀態(tài)信息遠(yuǎn)傳，滿足低壓配電智能化、網(wǎng)絡(luò)化及集成化的發(fā)展需求。

圖1　裝置簡(jiǎn)圖

1　 AMC多回路監(jiān)控單元技術(shù)特點(diǎn)

　　AMC多回路監(jiān)控單元主要應(yīng)用于多個(gè)配出回路的電參數(shù)的監(jiān)測(cè)，它將回路中的母線電壓、多個(gè)配出回路的電流、功率、電能和各個(gè)回路的開關(guān)狀態(tài)集中測(cè)量、顯示、并具有通訊輸出，實(shí)現(xiàn)了對(duì)監(jiān)控要求較簡(jiǎn)單的配電出線回路的集中測(cè)量和監(jiān)視。一個(gè)AMC多回路監(jiān)控單元就能完成實(shí)現(xiàn)上述多個(gè)回路的監(jiān)測(cè)功能，大大方便了系統(tǒng)的接線、安裝、調(diào)試；節(jié)約了用戶的投資，降低了系統(tǒng)成本。具體型號(hào)及產(chǎn)品功能見表1。

表1　產(chǎn)品型號(hào)及功能 　　

2　 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
　　整體系統(tǒng)由中央處理單元、電源、交流采樣運(yùn)算、人機(jī)界面、開關(guān)量控制、通訊接口模塊等構(gòu)成，裝置硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　裝置硬件結(jié)構(gòu)圖

2.1 中央處理單元專用電能芯片
　　中央處理器采用Freescale公司的高性能處理器MC9S08AW32。MC9S08AW32是Freescale公司一款基于S08內(nèi)核的高度節(jié)能性處理器。是第一款認(rèn)可用于汽車市場(chǎng)的微控制器。可應(yīng)用在家電、汽車、工業(yè)控制等高度集成的高性能器件。具有業(yè)內(nèi)最佳的EMC性能。
　　CPU總線頻率最高可達(dá)20MHz，最高運(yùn)行速率可達(dá)40MHz。豐富的片內(nèi)資源： 32K Flash存儲(chǔ)器，內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器，帶有8個(gè)可編程通道的定時(shí)器，10位、16通道ADC，雙SCI口、豐富的I/O口、SPI、I2C等接口，極大地方便了硬件的擴(kuò)展。并且支持BDM片上調(diào)試方式。
2.2 電源
　　采用的電源模塊為通用+5V開關(guān)電源模塊。電路原理見圖3。該電源模塊輸入電壓為AC85V～265V或DC100V～350V，輸入頻率45Hz～60Hz，輸出電壓穩(wěn)定、故障率小，輸出紋波 <1％，轉(zhuǎn)換效率≥75％。具有過壓、過流保護(hù)。該模塊經(jīng)實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)使用，具有很高的穩(wěn)定性、可靠性和抗干擾能力。

圖3　電源電路原理

2.3 交流采樣及運(yùn)算
　　交流采樣運(yùn)算單元包括交流采樣和專用電能芯片。
　　系統(tǒng)的母線電壓經(jīng)電壓互感器、采樣電路、濾波電路后，電壓信號(hào)進(jìn)入專用電能芯片的電壓通道。
　　多路負(fù)載的各路電流經(jīng)電流互感器、采樣電路、濾波電路后，電流信號(hào)進(jìn)入高速信號(hào)切換開關(guān)的輸入通道。由高速信號(hào)切換開關(guān)的通斷來控制各路負(fù)載的電流信號(hào)進(jìn)入電能芯片的電流通道。
　　專用電能芯片采用美國ADI公司的高精確度三相電能測(cè)量芯片ADE7758。該芯片的測(cè)量精度高，功能強(qiáng)大。帶有一個(gè)串行口，兩路脈沖輸出，集成了數(shù)字積分、參考基準(zhǔn)電壓源、溫度敏感元件等，有可用于有功功率、復(fù)功率、視在功率、有效值的測(cè)量以及以數(shù)字方式校正系統(tǒng)誤差(增益、相位和失調(diào)等)所必須的信號(hào)處理電路。該芯片適用于各種三相電路（不論三線制或者四線制）中測(cè)量有功功率、復(fù)功率、視在功率。
2.4 人機(jī)界面
　　人機(jī)界面采用LED數(shù)碼顯示。系統(tǒng)采用2排四位LED數(shù)碼管加1排6位數(shù)碼管顯示各個(gè)回路的電參量，其顯示的數(shù)據(jù)含義由紅色LED發(fā)光二極管指示。其默認(rèn)顯示方式為循環(huán)顯示各個(gè)回路的電參量，用戶也可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行設(shè)置。電參量的顯示范圍0～9999，并在編程狀態(tài)下顯示菜單及參數(shù)，見圖4儀表界面。數(shù)碼管顯示采用動(dòng)態(tài)掃描方式，其驅(qū)動(dòng)電路使用一片74HC595加三極管構(gòu)成。

圖4　儀表界面

2.5 開關(guān)量控制模塊
　　開關(guān)量控制模塊由開關(guān)量輸入和告警輸出組成，電路原理見圖5。開關(guān)量輸入經(jīng)光電耦合器連接到CPU。告警輸出由GPIO口經(jīng)光電耦合器連接到輸出繼電器。開關(guān)量輸入共設(shè)有18路，分別監(jiān)測(cè)3個(gè)三相回路的分閘、合閘狀態(tài)。設(shè)有1路告警輸出，其告警條件可任意設(shè)置，只要滿足一個(gè)設(shè)定的條件就會(huì)輸出告警信號(hào)。

圖5　開關(guān)量模塊電路原理

2.6 通訊接口模塊
　　通訊接口模塊采用通用的RS-485、Modbus RTU通訊規(guī)約，電路原理見圖6，能實(shí)現(xiàn)遙測(cè)、遙控、遙信等功能。

圖6　通訊模塊電路原理

3　 實(shí)現(xiàn)功能及原理
　　本設(shè)計(jì)的主要目的就是采用單個(gè)電能芯片來實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)回路負(fù)載的電流、電壓、功率、電能等參數(shù)的測(cè)量。考慮到成本和性能的要求，本設(shè)計(jì)采用的方案是1個(gè)電能芯片加多個(gè)電子開關(guān)，來實(shí)現(xiàn)對(duì)3個(gè)三相回路的各種電參量的測(cè)量和監(jiān)測(cè)。
　　該方案的實(shí)現(xiàn)方式為，將回路的母線電壓接入電能芯片ADE7758的電壓通道，多路負(fù)載的電流通過由電子開關(guān)在CPU的控制下進(jìn)行順序分時(shí)切換，使ADE7758能夠分時(shí)按順序?qū)Ω髀坟?fù)載進(jìn)行電參量的測(cè)量及運(yùn)算，并將所測(cè)得的數(shù)據(jù)由CPU進(jìn)行各種處理。
　　監(jiān)控單元主機(jī)結(jié)構(gòu)分為電源、主板和顯示板3大板塊。其中電源板主要是開關(guān)電源、通訊和開關(guān)量的元器件布置，主板主要是采樣運(yùn)算電路、CPU及外圍電路等元器件的布置，顯示板主要是顯示電路元器件的布置。總體結(jié)構(gòu)采用模塊化設(shè)計(jì)，可以根據(jù)客戶要求增加或減去各種附加功能。

4　 軟件設(shè)計(jì)方法
　　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括以下四個(gè)部分：主程序、測(cè)量控制模塊、顯示模塊及通訊模塊。
　　主程序完成上電或復(fù)位初始化，復(fù)位看門狗，任務(wù)調(diào)度等功能，程序設(shè)計(jì)流程如圖7所示。

圖7　主程序流程圖

　　程序初始化包括CPU的 I/O口初始狀態(tài)，SPI、I2C、各種定時(shí)器、時(shí)鐘的配置，RAM的初始化、各種配置信息的引導(dǎo)。
　　任務(wù)調(diào)度主要分為7個(gè)任務(wù)。1～3---回路1～3的數(shù)據(jù)采集， 4---電量信息顯示，5---通訊任務(wù)，6---故障判斷及輸出，7---電能累積處理。
　　任務(wù)由外部中斷來觸發(fā)。
　　事件標(biāo)志主要有：編程設(shè)置、裝置校準(zhǔn)、故障復(fù)位及其他信息配置。
　　中斷主要有：外部中斷1---數(shù)據(jù)采集，定時(shí)器中斷1---LED動(dòng)態(tài)顯示，定時(shí)器中斷2---開關(guān)監(jiān)視、故障判斷，軟時(shí)鐘RTI---顯示事件標(biāo)志，通訊中斷---數(shù)據(jù)接收和發(fā)送。
　　通訊收發(fā)處理、顯示和電參量的測(cè)量控制均以中斷方式實(shí)現(xiàn)，優(yōu)先級(jí)順序?yàn)椋捍谕ㄓ嵵袛啵ㄗ罡撸@示中斷→測(cè)量控制中斷（最低）。
　　系統(tǒng)通訊采用標(biāo)準(zhǔn)MODBUS-RTU規(guī)約，便于上位機(jī)管理軟件設(shè)計(jì)，與其他網(wǎng)絡(luò)儀表組網(wǎng)使用，實(shí)現(xiàn)對(duì)供配電系統(tǒng)的完整監(jiān)測(cè)。

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