一種高精度集成型電參數(shù)測量儀的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種高精度集成型的電參數(shù)測量儀，包括采樣單元、計量單元、微處理器單元及外設(shè)單元；外設(shè)單元包括鍵盤、顯示器、存儲器、時鐘電路以及外設(shè)端口；各單元之間采用總線連接；計量單元包括CS5460A芯片以及相位補(bǔ)償模塊；采樣單元包括電流互感器與電阻分壓網(wǎng)絡(luò)；微處理器采用ATMEGAl62型處理器；相位補(bǔ)償模塊包括復(fù)合相位補(bǔ)償電路；電流互感器采用高精度差分式。本實用新型可以選擇對不同設(shè)備進(jìn)行電參數(shù)的檢測與分析，對三相電參數(shù)進(jìn)行在線檢測，并預(yù)留與計算機(jī)的顯示和通信接口，便于對設(shè)備用電情況進(jìn)行深度分析，智能化程度更高，達(dá)到高精集成的效果，值得廣泛推廣與使用。
【專利說明】一種高精度集成型電參數(shù)測量儀
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及電氣設(shè)備電參數(shù)測量裝置【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種高精度集成型電參數(shù)測量儀。
【背景技術(shù)】
[0002]三相電壓、三相電流、有功功率、功率因數(shù)等電參數(shù)的測量是電機(jī)出廠測試中最基本的項目。目前市場上已出現(xiàn)了多種電參數(shù)檢測儀，其檢測方式大多數(shù)為電壓、電流和功率的分離檢測，從實際使用效果來看，存在著功能單一、自動化程度低等缺點，與當(dāng)前大批量的自動化工業(yè)測試不相適應(yīng)，同時，這些產(chǎn)品也不能完全滿足諸多電力設(shè)備對用電情況的檢測需求。目前，數(shù)字式電參數(shù)檢測儀主要有兩種設(shè)計方案:第一種是采用A / D芯片和DSP芯片相結(jié)合的方式，A / D芯片采樣電流、電壓值并數(shù)字化，然后通過DSP內(nèi)部運算得出各參數(shù)值，其主要原理是通過FFT變換還原基波；第二種是采用專用電能計量芯片，CPU直接從專用電能計量芯片的內(nèi)部寄存器中讀出參數(shù)值并進(jìn)行簡單的處理。
[0003]申請?zhí)枮?00610049637.5的發(fā)明專利提供了一種多功能交流電參數(shù)測量儀及其測量方法，該測量儀包括單片機(jī)、串行口、存儲器、顯示器和鍵盤，其特征在于還設(shè)置有采樣模塊、測量模塊，測量模塊設(shè)置有CS5460A芯片。與現(xiàn)有技術(shù)相比，在傳統(tǒng)方式的基礎(chǔ)上增加了相位判斷功能，可以顯示交流電壓、電流、功率和功率因數(shù)，同時可以自動判斷負(fù)載的性質(zhì)。該發(fā)明的創(chuàng)新點在于CS5460A電能芯片的應(yīng)用，然而，不足之處在于，一方面沒有優(yōu)選出與CS5460A最相匹配的附件類型，如單片機(jī)等，另一方面為更好實現(xiàn)高精度的需求，整體的電路結(jié)構(gòu)也需做出進(jìn)一步的完善。
實用新型內(nèi)容
[0004]為解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，本實用新型提供一種高精度集成型的電參數(shù)測量儀，可以選擇對不同設(shè)備進(jìn)行電參數(shù)的檢測與分析，對三相電參數(shù)進(jìn)行在線檢測，并預(yù)留與計算機(jī)的顯示和通信接口，便于對設(shè)備用電情況進(jìn)行深度分析。
[0005]為實現(xiàn)本實用新型的目的所采用的技術(shù)方案是:一種高精度集成型的電參數(shù)測量儀，包括采樣單元、計量單元、微處理器單元及外設(shè)單元，所述計量單元包括CS5460A芯片，所述外設(shè)單元包括鍵盤、顯示器、存儲器、時鐘電路以及外設(shè)端口，所述各單元之間采用總線連接，所述計量單元還包括與CS5460A芯片相連接的相位補(bǔ)償模塊，所述采樣單元包括電流互感器與電阻分壓網(wǎng)絡(luò)，所述微處理器采用與CS5460A芯片相匹配的ATMEGA162處理器。
[0006]所述相位補(bǔ)償模塊包括復(fù)合相位補(bǔ)償電路。
[0007]所述電流互感器采用高精度差分式。
[0008]所述總線采用SPI通信方式。
[0009]所述鍵盤包括專用芯片CH452。
[0010]所述顯示器為128X64點陣的液晶矩陣式。[0011]所述時鐘芯片包括專用芯片DS3231。
[0012]所述外設(shè)端口包括MAX485總線轉(zhuǎn)換器。
[0013]雖然CS5460A是一款高性能的單相電參數(shù)計量芯片，精度高、線性度好，在電能計量方面已經(jīng)有很多成功的應(yīng)用，改變了傳統(tǒng)電參數(shù)測量的概念，但為了實現(xiàn)更高精度的集成化測量，便需要對可能引起誤差的環(huán)節(jié)進(jìn)行補(bǔ)償。
[0014]誤差源一方面來自于電流互感器的測量誤差，可以通過設(shè)計高精度的互感器來解決；另一方面，調(diào)理電路中的采樣電阻以及計量芯片本身的性能誤差，會造成脈沖輸出的不準(zhǔn)確，這通過功率的增益校準(zhǔn)來提高脈沖輸出的精度；還有一種比較嚴(yán)重的誤差，來源于電壓輸入和電流輸入通道電氣性能的不一致，這樣會產(chǎn)生相位差，再加上電流互感器的角差，就會使得每一相電路中的電壓和電流信號，在經(jīng)過互感器和信號調(diào)理電路之后都產(chǎn)生綜合的相位差，消除這個相位差對于精度的提高有著至關(guān)重要的作用。
[0015]CS5460A芯片內(nèi)部雖然集成了相位補(bǔ)償環(huán)節(jié)，但是其補(bǔ)償度和可調(diào)性受硬件的限制比較大，從效果看，并不如本方案中，與芯片相連接的外接相位補(bǔ)償模塊，尤其是復(fù)合相位補(bǔ)償電路的應(yīng)用，把傳統(tǒng)的滯后相位補(bǔ)償電路作為固定移相單元，并加入可調(diào)移相單元，使補(bǔ)償?shù)木雀咔铱煽亍?br> [0016]微處理器ATMEGA162與CS5460A芯片的配合使用，可以使設(shè)計人員在功耗和執(zhí)行速度之間取得平衡，也可以在設(shè)計成本與測量精度之間取得平衡。外設(shè)單元新增實時時間/日歷信息，使查詢更加方便；外設(shè)端口的擴(kuò)展，更方便與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，智能化程度更聞，達(dá)到聞精集成的效果。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]下面結(jié)合附圖和實施例對本實用新型進(jìn)一步說明。
[0018]圖1是本實用新型的系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖。
[0019]圖2是本實用新型的電壓采樣設(shè)計原理圖。
[0020]圖3是本實用新型的電流采樣設(shè)計原理圖。
[0021]圖4是本實用新型的相位補(bǔ)償模塊設(shè)計原理圖。
[0022]圖5是本實用新型的CS5460A外圍電路設(shè)計。
[0023]圖6本實用新型的上位機(jī)電參數(shù)采集單元程序流程圖。
【具體實施方式】
[0024]實施例
[0025]如圖1至圖6所示，一種高精度集成型的電參數(shù)測量儀，包括采樣單元、計量單元
4、微處理器單元及外設(shè)單元，所述計量單元4包括CS5460A芯片，所述外設(shè)單元包括鍵盤5、顯示器6、存儲器7、時鐘電路8以及外設(shè)端口 9，所述各單元之間采用總線連接，所述計量單元還包括與CS5460A芯片相連接的相位補(bǔ)償模塊3，所述采樣單元包括電流互感器2與電阻分壓網(wǎng)絡(luò)1，所述微處理器采用與CS5460A芯片相匹配的ATMEGA162處理器10。
[0026]該實施例中，由于CS5460A的輸入通道只能接受小于250 mV的小電壓信號，大的電壓和電流要先經(jīng)過調(diào)理才能與CS5460A的輸入通道相連接。電壓和電流輸入如圖2和圖3所示，分別采用電阻分壓網(wǎng)絡(luò)和電流互感器的信號調(diào)理方式，將需要檢測的電流和電壓信號變?yōu)?50 mV之內(nèi)的小信號，滿足CS5460A的測量范圍。同時，互感器還起到與電力線隔離的目的，從而減小了電力線上交流信號竄入CS5460A輸入通道的各種干擾信號。
[0027]為了達(dá)到高精度要求，電流互感器(即圖3中的CT)采用高精度差分式，例如TLI4970型電流互感器，它利用差分測量原則，可抑制外部磁場帶來的干擾，因此測量偏差極低，僅為25mA;同時，這種電流互感器采用了獨立的測量溫度和機(jī)械應(yīng)力的結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)長期測量的穩(wěn)定性與高精度的要求。
[0028]計量單元中的CS5460A芯片，根據(jù)采樣的電流和電壓計算出各相的參數(shù)值，然后將電流、電壓和功率等參數(shù)值通過SPI總線傳送給微控制器ATMEGA162，微控制器負(fù)責(zé)完成數(shù)據(jù)的處理、顯示、存儲及傳送.因為CS5460A是單相的電能計量芯片，所以如果采用三相三線制，則需要兩片CS5460A，三相四線制則需要三片CS5460A.本實施例設(shè)計為同時兼容這兩種方式，所以采用了三片CS5460A。
[0029]電能計量芯片CS5460A，一方面連接外部的相位補(bǔ)償電路，補(bǔ)償電路如圖4所示，作為優(yōu)選實施例，正/負(fù)電壓幅值均取5V，Cl取0.01uF，C2取0.1uF, Rl取10ΚΩ，VR程滿量程取50ΚΩ。整個補(bǔ)償電路的前級為滯后補(bǔ)償環(huán)節(jié)，可以用來固定補(bǔ)償角度，后接包含可變電阻的移相環(huán)節(jié)，可以使整個移相角度在要求的移相范圍內(nèi)可調(diào)，通?？梢匀∏凹壱葡嚯娐返墓ぷ鼽c角度為90度左右，此時補(bǔ)償性能最好，靈敏度最大，然后通過后級可調(diào)移相環(huán)節(jié)選擇對頻率影響最小的插入點，經(jīng)實施例的反復(fù)試驗及可變電阻的反復(fù)調(diào)整，后級移相環(huán)節(jié)的工作點宜選擇在4度左右。
[0030]另一方面，電能計量芯片CS5460A通過內(nèi)部的功率增益校準(zhǔn)來提高脈沖輸出的精度，校準(zhǔn)可按照以下步驟進(jìn)行:
[0031]1、在指定電壓范圍內(nèi)輸入交流信號到芯片的VIN土、IIN土腳。例如:電壓/電流通道最大輸入電壓為±250!1^，為適應(yīng)更大的電壓范圍，系數(shù)取0.6，即輸入交流信號為150mV，在實施例中優(yōu)選取IlOmV ;2、停止計算，中止A/D轉(zhuǎn)換，在串口上發(fā)OxaO命令；
[0032]3、執(zhí)行電壓通道AC增益校準(zhǔn)命令，在串口上發(fā)0xd6命令；4、在串口上發(fā)Oxle命令，讀狀態(tài)寄存器內(nèi)的DRDY位。如果讀取結(jié)果為1，則表示校準(zhǔn)已完成，不為I則等待完成。5、Vrms寄存器值近似等于0.6，在串口上發(fā)0x08命令，去讀電壓通道AC增益寄存器值并把存到存儲器中，校準(zhǔn)完成。
[0033]芯片CS5460A與微處理器ATMEGA162通過SPI接口來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，ATMEGA162順次讀取每片CS5460A的電流、電壓有效值以及電能寄存器中的數(shù)據(jù)，并對讀出的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，電流、電壓的有效值寄存器是無符號位的24位寄存器，其值在O到I之間，表示當(dāng)前測量值與滿量程的比值；對電流、電壓有效值寄存器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時，只需要將寄存器的值乘以滿量程值，即可得到需要的電流和電壓有效值；有功功率是從上一周期的電能轉(zhuǎn)換寄存器得到的，其方法為將最近5次的電能值累加起來，每次200 ms，從而可得到有功功率值。以單片的CS5460A的引腳為例，其接口電路如圖5所示，給出A相的電路原理圖，其余兩相與A相相同。 [0034]下位機(jī)電參數(shù)采集單元程序流程圖如圖6所示.系統(tǒng)中三片CS5460A的脈沖輸出引腳分別與ATMEGA162的三個外部中斷引腳相連，當(dāng)有外部中斷時，首先判斷EDIR輸出，如果EDIR為低則表明電能方向為負(fù)，此時就要從總能量中減去一個脈沖代表的電能，為高則加上一個脈沖代表的電能.[0035]在外設(shè)單元中，采用時鐘芯片DS3231作為系統(tǒng)時鐘源.該芯片包含了實時時鐘/日歷和31字節(jié)的靜態(tài)RAM，它經(jīng)過一個簡單的串行接口與微控制器通信，實時提供當(dāng)前時鐘/日歷等信息；同時，系統(tǒng)使用存儲器AT24C16來保存系統(tǒng)校準(zhǔn)參數(shù)和能量值.AT24C16是AT24C系列中的一種典型EEPROM芯片，容量為2048x8位，每個字節(jié)允許擦寫10萬次；外設(shè)中的鍵盤為20個按鍵輸入，包括數(shù)字鍵O— 9、以及互感器的測量、變比、校驗、存儲、總線、清除、確認(rèn)、選擇、瀏覽以及復(fù)位鍵等.鍵盤的實現(xiàn)采用了鍵盤專用芯片CH452，從而簡化了鍵盤電路的設(shè)計；外設(shè)顯示采用了 128X64點陣的矩陣式液晶顯示器IXD12864，用于在線顯示系統(tǒng)各種工作狀態(tài)，并實時監(jiān)控與上位機(jī)的連接狀態(tài).液晶與微控制器問采用了并口方式，從而加快了數(shù)據(jù)的傳輸速率.此外，為了方便與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，擴(kuò)展了 485總線接口，選用的是MAX頂公司的MAX485型總線轉(zhuǎn)換器。
[0036]以上所述，僅是本實用新型的較佳實施例而已，并非對本實用新型作任何形式上的限制。凡是依據(jù)本實用新型的技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本實用新型技術(shù)方案的范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種高精度集成型的電參數(shù)測量儀，包括采樣單元、計量單元、微處理器單元及外設(shè)單元，所述計量單元包括CS5460A芯片，所述外設(shè)單元包括鍵盤、顯示器、存儲器、時鐘電路以及外設(shè)端口，所述各單元之間采用總線連接，其特征在于:所述計量單元還包括與CS5460A芯片相連接的相位補(bǔ)償模塊，所述采樣單元包括電流互感器與電阻分壓網(wǎng)絡(luò)，所述微處理器采用與CS5460A芯片相匹配的ATMEGA162處理器。
2.如權(quán)利要求1所述的高精度集成型的電參數(shù)測量儀，其特征在于:所述相位補(bǔ)償模塊包括復(fù)合相位補(bǔ)償電路。
3.如權(quán)利要求1所述的高精度集成型的電參數(shù)測量儀，其特征在于:所述電流互感器采用高精度差分式。
4.如權(quán)利要求1所述的高精度集成型的電參數(shù)測量儀，其特征在于:所述總線采用SPI通信方式。
5.如權(quán)利要求1所述的高精度集成型的電參數(shù)測量儀，其特征在于:所述鍵盤包括專用芯片CH452。
6.如權(quán)利要求1所述的高精度集成型的電參數(shù)測量儀，其特征在于:所述顯示器為128X64點陣的液晶矩陣式。
7.如權(quán)利要求1所述的高精度集成型的電參數(shù)測量儀，其特征在于:所述時鐘芯片包括專用芯片DS3231。
8.如權(quán)利要求1所述的高精度集成型的電參數(shù)測量儀，其特征在于:所述外設(shè)端口包括MAX485總線轉(zhuǎn)換器。
【文檔編號】G01R15/12GK203825066SQ201420153204
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2014年3月31日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月31日
【發(fā)明者】王文濤, 劉啟民, 林森, 曹建莊, 王思帆 申請人:國家電網(wǎng)公司, 國網(wǎng)河南省電力公司周口供電公司