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

0　 引言
　　在配電系統(tǒng)領域，智能化和網(wǎng)絡化是一個主流的發(fā)展方向，但是在實際使用中，若每一個配電回路都安裝智能化的網(wǎng)絡監(jiān)測儀表，用戶的硬件投資成本是非常大的，鑒于此，集成化又將是一個發(fā)展的方向，即將多個配電回路的電參量測量由一個智能儀表來實現(xiàn)。因此，一種設計先進、可靠性高、測量精度高的多回路智能監(jiān)控單元的出現(xiàn)，能夠在保證實現(xiàn)用戶測量要求的同時，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）的設計方法，最多實現(xiàn)3個三相回路（或9個單相回路）的電參量測量；結合RS485總線技術及上位機軟件，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)及狀態(tài)信息遠傳，滿足低壓配電智能化、網(wǎng)絡化及集成化的發(fā)展需求。

圖1　裝置簡圖

1　 AMC多回路監(jiān)控單元技術特點

　　AMC多回路監(jiān)控單元主要應用于多個配出回路的電參數(shù)的監(jiān)測，它將回路中的母線電壓、多個配出回路的電流、功率、電能和各個回路的開關狀態(tài)集中測量、顯示、并具有通訊輸出，實現(xiàn)了對監(jiān)控要求較簡單的配電出線回路的集中測量和監(jiān)視。一個AMC多回路監(jiān)控單元就能完成實現(xiàn)上述多個回路的監(jiān)測功能，大大方便了系統(tǒng)的接線、安裝、調試；節(jié)約了用戶的投資，降低了系統(tǒng)成本。具體型號及產品功能見表1。

表1　產品型號及功能 　　

2　 系統(tǒng)結構
　　整體系統(tǒng)由中央處理單元、電源、交流采樣運算、人機界面、開關量控制、通訊接口模塊等構成，裝置硬件結構如圖2所示。

圖2　裝置硬件結構圖

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內核的高度節(jié)能性處理器。是第一款認可用于汽車市場的微控制器。可應用在家電、汽車、工業(yè)控制等高度集成的高性能器件。具有業(yè)內最佳的EMC性能。
　　CPU總線頻率最高可達20MHz，最高運行速率可達40MHz。豐富的片內資源： 32K Flash存儲器，內部時鐘發(fā)生器，帶有8個可編程通道的定時器，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展。并且支持BDM片上調試方式。
2.2 電源
　　采用的電源模塊為通用+5V開關電源模塊。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％，轉換效率≥75％。具有過壓、過流保護。該模塊經(jīng)實際現(xiàn)場使用，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 交流采樣及運算
　　交流采樣運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，電壓信號進入專用電能芯片的電壓通道。
　　多路負載的各路電流經(jīng)電流互感器、采樣電路、濾波電路后，電流信號進入高速信號切換開關的輸入通道。由高速信號切換開關的通斷來控制各路負載的電流信號進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量芯片ADE7758。該芯片的測量精度高，功能強大。帶有一個串行口，兩路脈沖輸出，集成了數(shù)字積分、參考基準電壓源、溫度敏感元件等，有可用于有功功率、復功率、視在功率、有效值的測量以及以數(shù)字方式校正系統(tǒng)誤差(增益、相位和失調等)所必須的信號處理電路。該芯片適用于各種三相電路（不論三線制或者四線制）中測量有功功率、復功率、視在功率。
2.4 人機界面
　　人機界面采用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。其默認顯示方式為循環(huán)顯示各個回路的電參量，用戶也可根據(jù)實際需要進行設置。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)碼管顯示采用動態(tài)掃描方式，其驅動電路使用一片74HC595加三極管構成。

圖4　儀表界面

2.5 開關量控制模塊
　　開關量控制模塊由開關量輸入和告警輸出組成，電路原理見圖5。開關量輸入經(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。開關量輸入共設有18路，分別監(jiān)測3個三相回路的分閘、合閘狀態(tài)。設有1路告警輸出，其告警條件可任意設置，只要滿足一個設定的條件就會輸出告警信號。

圖5　開關量模塊電路原理

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，能實現(xiàn)遙測、遙控、遙信等功能。

圖6　通訊模塊電路原理

3　 實現(xiàn)功能及原理
　　本設計的主要目的就是采用單個電能芯片來實現(xiàn)對多個回路負載的電流、電壓、功率、電能等參數(shù)的測量。考慮到成本和性能的要求，本設計采用的方案是1個電能芯片加多個電子開關，來實現(xiàn)對3個三相回路的各種電參量的測量和監(jiān)測。
　　該方案的實現(xiàn)方式為，將回路的母線電壓接入電能芯片ADE7758的電壓通道，多路負載的電流通過由電子開關在CPU的控制下進行順序分時切換，使ADE7758能夠分時按順序對各路負載進行電參量的測量及運算，并將所測得的數(shù)據(jù)由CPU進行各種處理。
　　監(jiān)控單元主機結構分為電源、主板和顯示板3大板塊。其中電源板主要是開關電源、通訊和開關量的元器件布置，主板主要是采樣運算電路、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。總體結構采用模塊化設計，可以根據(jù)客戶要求增加或減去各種附加功能。

4　 軟件設計方法
　　系統(tǒng)軟件設計包括以下四個部分：主程序、測量控制模塊、顯示模塊及通訊模塊。
　　主程序完成上電或復位初始化，復位看門狗，任務調度等功能，程序設計流程如圖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、各種定時器、時鐘的配置，RAM的初始化、各種配置信息的引導。
　　任務調度主要分為7個任務。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，6---故障判斷及輸出，7---電能累積處理。
　　任務由外部中斷來觸發(fā)。
　　事件標志主要有：編程設置、裝置校準、故障復位及其他信息配置。
　　中斷主要有：外部中斷1---數(shù)據(jù)采集，定時器中斷1---LED動態(tài)顯示，定時器中斷2---開關監(jiān)視、故障判斷，軟時鐘RTI---顯示事件標志，通訊中斷---數(shù)據(jù)接收和發(fā)送。
　　通訊收發(fā)處理、顯示和電參量的測量控制均以中斷方式實現(xiàn)，優(yōu)先級順序為：串口通訊中斷（最高）→顯示中斷→測量控制中斷（最低）。
　　系統(tǒng)通訊采用標準MODBUS-RTU規(guī)約，便于上位機管理軟件設計，與其他網(wǎng)絡儀表組網(wǎng)使用，實現(xiàn)對供配電系統(tǒng)的完整監(jiān)測。

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