耐高溫三相中頻電量采集模塊的制作方法

專利名稱：耐高溫三相中頻電量采集模塊的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種耐高溫三相中頻電量采集模塊，屬于中頻電網信息數 據采集技術領域。
背景技術：
耐高溫三相中頻電量采集模塊，主要用于中頻斷路器內電網各種參數 的采集，包括三相電壓、三相電流、頻率、相序、三相及總有功功率、 三相及總無功功率、三相及總視在功率、三相及總功率因數、有功電能、 無功電能、電壓和電流的不平衡度、三相電壓各次諧波及總畸變率、三相 電流各次諧波及總畸變率等。用戶通過總線接口對各種電網參進行監測， 以便實現相應的功能。
作為斷路器內部的一個模塊，硬件設計就要求體積結構上非常緊湊， 但實現的功能和產品可靠性方面也不能降低。同時中頻是工頻(50Hz)的 8倍，這也需要更準確的信號處理，因此這里采用一些簡潔高效的電路設 計。另外由于中頻斷路器內部溫度較高，經常處于100'C以上，這對于電 路板設計以及器件選擇上提出了更高的要求。這些本產品在硬件設計上的 重要特點。
另外由于中頻是工頻的8倍，所以在軟件設計上也需要更高的實時性 以確保計算參數的準確性，但同時又要盡量減少運算量，這樣也是為了減 少單片機的功耗，來減少自身發熱，以便于更好的在高溫環境下工作。
由于中頻的應用場合相對工頻要少很多，所以相關的產品也較少。中 國第二汽車制造廠申請過《中頻電源功率因數的快速測量裝置》的專利。 一種用于監測中頻電源的功率因數及有功功率的快速測量裝置，是將中頻 電源電流和電壓信號經模擬乘法器運算后，得到瞬時功率信號。該信號分
5別經低通濾波電路和兩倍選頻濾波電路得有功功率信號和視在功率信號。 兩路信號均通過模擬除法器運算后，輸出即為功率因數信號。該裝置結構 簡單合理，響應快，工作可靠，測量精度高，可適用于中頻及中頻以上的 電源系統及加熱感應系統。
由于該專利年代較早，所以是采用模擬器件實現的，同時所能測量的 參數也很少。

發明內容
本發明的目的在于提供一種耐高溫三相中頻電量采集模塊，該模塊可 以進行各種電網參數采集實時監測，并通過總線接口和上位機進行通信以 實現系統的網絡化。
為達到上述目的，本發明的技術方案是該模塊包括電壓互感器、 電壓信號處理電路、電流信號處理電路、主芯片電路、RS485通信電路、 電源電路。電流互感器體積較大，置于中頻斷路器的其他地方，只將其輸 出引至電路板。電壓電流信號進過電壓互感器以及信號處理后，進入主芯 片的AD轉換、頻率采集以及相序采集部分，然后主芯片計算出各種參數， 模塊再通過485接口可以和上位機進行各種數據傳輸，電源電路將外部的 24V轉換成各個電路需要的電源。
包本發明的有益效果電量采集模塊作為400Hz中頻斷路器的一個重 要組成部分，首先功能上彌補了當前這種產品的缺乏，為客戶的選擇帶來 方便。其次、測量的參數包括三相電壓、三相電流、頻率、三相及總有功 功率、三相及總無功功率、三相及總視在功率、三相及總功率因數、有功 電能、無功電能、電壓和電流的不平衡度、三相電壓各次諧波及總畸變率、 三相電流各次諧波及總畸變率等。同時這種產品因其功能的豐富多樣性， 也可應用于其它400Hz交流電量監測的場合。而且本模塊精度較高，產品 的成本低廉，為用戶提供一種優質的元件。
6以下結合附圖和實施例對本發明的技術方案作比較詳細地說明。


圖1為本發明的耐高溫三相中頻電量采集模塊原理框圖2為本發明的耐高溫三相中頻電量采集模塊電源線路原理框圖;
圖3為本發明的耐高溫三相中頻電量采集模塊主芯片電路原理框
圖4為本發明的耐高溫三相中頻電量采集模塊信號處理線路原理
圖5為本發明的耐高溫三相中頻電量采集模塊主程序流程圖； 圖6為本發明的耐高溫三相中頻電量采集模塊數據處理流程圖； 圖7為本發明的耐高溫三相中頻電量采集模塊通信處理流程圖； 圖8為本發明的耐高溫三相中頻電量采集模塊采樣定時中斷流程
圖9為本發明的耐高溫三相中頻電量采集模塊頻率采集中斷流程圖。
具體實施例方式
參照圖l，這是本發明的耐高溫三相中頻電量采集模塊原理框圖。 如圖所示，本模塊包括電壓互感器l、電壓信號處理電路2、電流 信號處理電路3、主芯片電路4、光耦5、 RS485通信電路6、電源電路 7、電流互感器8。
電流互感器8體積較大，置于中頻斷路器的其他地方，只將其輸出 引至電路板。電壓電流信號經過電壓互感器1以及信號處理后，進入主 芯片電路4的AD轉換、頻率采集以及相序采集部分，然后主芯片計算 出各種參數，再通過光耦5、 485接口 6,和上位機進行各種數據傳輸。 電源電路將外部的24V轉換成各個電路需要的電源。參照圖2,這是本發明的耐高溫三相中頻電量采集模塊電源線路原理圖。
如圖所示，本模塊數字電源3.3V是主電源，主要用于主芯片的工作。 由開關芯片LM25010及其外圍電路構成，通過其輸出端的R31和R28產 生的反饋電壓，可以獲得穩定的3.3V。使用開關芯片效率比較高，使電源 本身的發熱比較小，便于在高溫環境下運行，并且LM25010的工作溫度 可以達到125-C。 R30為TVS管用于防治過電壓，D2用于防止外部電源 反接，R29為PTC管，用于防止過流。
數字電源3.3V和地通過兩個電感產生模擬3.3V電源和地。模擬電源主要 用于運放、互感器以及主芯片中AD部分的供電。這樣可以確保模擬部分的供 電少受數字電路的影響，以確保信號處理的準確性。
隔離電源3.3￥通過一個隔離電源模塊產生，用于給通信電路供電，使電 路板和外部信號隔離，避免干擾。
參照圖3,這是本發明的耐高溫三相中頻電量采集模塊主芯片電路原 理如圖所示，本模塊主芯片電路以U3為主芯片，采用32位ARM芯片 ADuC7025，帶有12位AD轉換UART等常用的外設接口。同時內部自帶 E2PR0M可以用于保存掉電保留的數據。其工作溫度可以達到125°C。其 中JTAG 口用于燒寫程序。基準源2.5V由ADR121B通過模擬電源3.3V 轉換而得，用于提供給主芯片的AD部分的基準電源。ADR121B可以在 125'C工作，并且只有9ppm的溫漂，這樣使采樣計算參數時隨溫度的變化 而產生的誤差較小
參照圖4，這是本發明的耐高溫三相中頻電量釆集模塊信號處理線路 原理如圖所示，本模塊信號處理線路，由于三相電網的A、 B、 C相的信
8號采集電路是完全一樣的，所以這里只給出了 A相電壓和A相電流的處 理電路。
電壓采集通過電壓互感器T1，原邊利用R1將電壓變成0 2mA電流，副 邊再利用R17和C10將0~2mA電流轉換成小的交流電壓信號，然后再利用 C4通過偏置電壓1.25V將這個交流相電壓信號上移，以簡潔的方法消去了交 流信號的負極性，信號處理效果也較好，可以直接進入AD采樣。電流采集與 電壓采集類似，通過電流互感器T2,將外部0~400A電流轉換成0~20mA電 流，再利用R27和C20轉換成小的交流電壓信號，再利用C14上移信號來消 去交流信號的負極性，就可以直接進入AD采樣了。
頻率采集電路，用于測量頻率。通過運放設計一個比較器，將上移的信號 轉換成頻率相同的方波，并利用正反饋去除信號中毛刺對于頻率測量的影響， 再由主芯片通過外部中斷采集頻率。圖中將A相電壓通過互感器處理后得到 的偏置上移的交流信號通過AD8630轉變為一個周期和交流信號一樣的方波， R20為正反饋電阻。主芯片通過監測方波的頻率就知道電網的頻率了。
相序采集電路其實和頻率采集電路一樣，只不過輸入端的信號為B相電 壓通過互感器處理后得到的偏置上移的交流信號。由于A相和B相的相位不 同，主芯片通過頻率采集信號的上升沿時間點和相序采集信號的上升沿時間點 之間的差值就可以判斷當前的相序是正序還是負序。
偏置電壓1.25V通過帶輸出驅動的電壓跟隨電路實現。由于偏置電壓的穩 定性對于AD采樣的精度非常重要，所以不能簡單利用跟隨電路實現。這里先 將基準源2.5V通過兩個相等的高精度電阻分壓為1.25V,然后通過電壓跟隨 獲得一個穩定的1.25V電壓。為了增加偏置電壓的驅動能力，通過Ql和Q2 三極管增加其驅動能力，這樣當別的信號干擾到偏置電壓1.25V時也不會出現 明顯的毛刺和紋波。這樣對信號采集部分提供了高性能的信號偏置電壓。
電路中AD8630和互感器等主要器件的工作溫度都是125°C，這樣才能確
9保模塊在信號采集時穩定可靠的工作，同時也使得溫度變化不會造成明顯的采 樣誤差。
整個信號處理既保證了 400Hz信號采樣的完整性，同時又確保其在高溫 環境下的運行的可靠性。
參照圖5，這是本發明的耐高溫三相中頻電量采集模塊的主程序流程 框如圖所示，本模塊的主程序流程，所述的主程序流程，其步驟是，從 '開始，到'主芯片外設初始化，、'變量初始化，、 <數據處理'、 <通 信處理，、'EEPROOM'，然后返回 <數據處理，循環。
參照圖6，這是本發明的耐高溫三相中頻電量采集模塊的信息處理流 程框如圖所示，本模塊的其步驟是，從'開始'到'判斷是否采完32點' 進行判斷，如果否，便 <結束'；如果是，便進入'計算中頻電網各種單 相參數，、'軟件濾波及參數校準，、^判斷是否采完C相'進行判斷， 如果否，便'結束'；如果是，便進入H十算和三相有關的參數'直到 <結 束，。
參照圖7，這是本發明的耐高溫三相中頻電量采集模塊的通信處理流 程框如圖所示，本模塊的通信中斷程序，其步驟是，從'開始'到 <判斷 是否收完一幀，進行判斷，如果否，便'結束'；如果是，'校驗數據是 否有錯誤'進行判斷，如果是，便'結束'；如果否，'根據通信內容準 備發送數據，、'發送第一個字節，到 <結束，。
參照圖8，這是本發明的耐高溫三相中頻電量采集模塊的采樣定時中 斷流程框圖。
如圖所示，本模塊的采樣定時中斷流程，其步驟是，從'開始'到'一次AD采樣電流和電壓'，'是否采樣完一個周期'進行判斷，如果否， 便到'結束'；如果是，'標志采樣完一個周期'、^采樣偏置電壓(1.25V)' 到'結束'。
參照圖9，這是本發明的耐高溫三相中頻電量采集模塊的頻率采集中 斷流程框圖。
如圖所示，本模塊的頻率采集中斷程序，其步驟是，從A相中斷 <開 始，到'是否第一或最后一個中斷'進行判斷，如果否，便到'中斷數加 1'、'記錄判斷相序的時間標志，、 <結束，；如果是，分兩路第一 個到'先停止定時器，然后保存當前時間及校準時間，再恢復定時器'、 4己錄判斷相序的時間標志'、 <結束'；最后一個到H十算時間差得到 周期及頻率'、'計算更新定時采樣的時間間隔'、 <記錄判斷相序的時 間標志，、'結束，。
權利要求
1. 一種耐高溫三相中頻電量采集模塊，用于中頻斷路器內電網各種參數的采集，其特征在于所述的采集模塊其硬件包括電壓互感器(1)、電壓信號處理電路(2)、電流信號處理電路(3)、主芯片電路(4)、光耦(5)、RS485通信電路(6)、電流互感器(7)、電源電路(8)；其軟件包括主程序、數據處理程序、通信中斷程序、采樣定時中斷程序、頻率采樣中斷程序；電流互感器(7)體積較大，置于中頻斷路器的其他地方，只將其輸出引至電路板；電壓電流信號，經過電壓互感器(1)以及信號處理后，進入主芯片(4)的AD轉換、頻率采集以及相序采集部分，然后主芯片計算出各種參數，模塊再通過光耦(5)、RS485通信電路(6)的485接口，便和上位機進行各種數據傳輸；電源電路將外部的24V轉換成各個電路需要的電源；上述的硬件和軟件的有機結合，實現對電網各種參數的采集。
2、 根據權利要求1所述的耐高溫三相中頻電量采集模塊，其特征在 于所述的電源路(8)，包括數字電源3.3V是主電源，用于主芯片供電， 由開關芯片LM25010及其外圍電路構成，通過其輸出端的R31和R28產 生的反饋電壓，獲得穩定的3.3V電壓。
3、 根據權利要求1所述的耐高溫三相中頻電量采集模塊，其特征在 于所述的主芯片電路(4)，以U3為主芯片，采用32位ARM芯片 ADuC7025，帶有12位AD轉換UART常用的外設接口 ，內部自帶E2PR0M 用于保存掉電保留的數據。
4、 根據權利要求1所述的耐高溫三相中頻電量采集模塊，其特征在于所述的信號處理線路(2)，以A相電壓和A相電流的處理電路為例， 電壓采集通過電壓互感器Tl,原邊利用Rl將電壓變成0 2mA電流，副邊再 利用R17和C10將0~2mA電流轉換成小的交流電壓信號，然后利用C4通過 偏置電壓L25V將這個交流相電壓信號上移，消去了交流信號的負極性，直接 進入AD采樣；電流采集通過電流互感器T2,將外部0 400A電流轉換成 0 20mA電流，再利用R27和C20轉換成小的交流電壓信號，再利用C14上 移信號來消去交流信號的負極性，直接進入AD采樣。
5、 根據權利要求1或4所述的耐高溫三相中頻電量采集模塊，其特征在 于所述的信號處理線路(2)，頻率采集電路，通過運放比較器，將上移的信 號轉換成頻率相同的方波，并利用正反饋去除信號中毛刺對于頻率測量的影 響，再由主芯片通過外部中斷采集頻率，將A相電壓通過互感器處理后得到 的偏置上移的交流信號通過AD8630轉變為一個周期和交流信號一樣的方波， R20為正反饋電阻，主芯片通過監測方波的頻率就知道電網的頻率。
6、 根據權利要求1或4所述的耐高溫三相中頻電量采集模塊，其特征在 于所述的信號處理線路(2)，相序采集電路，輸入端的信號為B相電壓通 過互感器處理后得到的偏置上移的交流信號，由于A相和B相的相位不同， 主芯片通過頻率采集信號的上升沿時間點和相序采集信號的上升沿時間點之 間的差值就可以判斷當前的相序是正序還是負序。
7、 根據權利要求1所述的耐高溫三相中頻電量采集模塊，其特征在 于所述的主程序流程，其步驟是，從'開始，到'主芯片外設初始化'、'變量初始化'、'數據處理，、 <通信處理，、'EEPROOM'，然后返 回'數據處理'循環。
8、 根據權利要求1所述的耐高溫三相中頻電量采集模塊，其特征在 于所述的數據處理程序，其步驟是，從'開始'到'判斷是否采完32 點'進行判斷，如果否，便 <結束'；如果是，便迸入H十算中頻電網各種單相參數，、'軟件濾波及參數校準，、^判斷是否采完c相，進行判斷，如果否，便'結束，；如果是，便進入'計算和三相有關的參數'直 到'結束，。
9、 根據權利要求1所述的耐高溫三相中頻電量采集模塊，其特征在 于-所述的通信中斷程序，其步驟是，從 <開始，到《判斷是否收完一幀， 進行判斷，如果否，便 <結束，；如果是， <校驗數據是否有錯誤，進行 判斷，如果是，便 <結束'；如果否，<根據通信內容準備發送數據，、'發送第一個字節'到 <結束，。
10、 根據權利要求l所述的耐高溫三相中頻電量采集模塊，其特征在 于所述的頻率采集中斷程序，其步驟是，從A相中斷'開始'到'是否 第一或最后一個中斷'進行判斷，如果否，便到'中斷數加r 、'記錄 判斷相序的時間標志'、'結束'；如果是，分兩路第一個到 <先停止 定時器，然后保存當前時間及校準時間，再恢復定時器'、'記錄判斷相 序的時間標志'、'結束，， 最后一個到H十算時間差得到周期及頻率'、'計算更新定時釆樣的時間間隔，、^記錄判斷相序的時間標志，、'結 束，。
全文摘要
本發明涉及一種耐高溫三相中頻電量采集模塊，用于中頻斷路器內電網各種參數的采集，所述的采集模塊其硬件包括電壓互感器、電壓信號處理電路、電流信號處理電路、主芯片電路、光耦、通信電路、電流互感器、電源電路；其軟件包括主程序、數據處理程序、通信中斷程序、采樣定時中斷程序、頻率采樣中斷程序；電壓電流信號，經過電壓互感器以及信號處理后，進入主芯片的AD轉換、頻率采集以及相序采集部分，然后主芯片計算出各種參數，模塊再通過光耦、RS485通信電路的485接口，便和上位機進行各種數據傳輸；電源電路將外部的24V轉換成各個電路需要的電源；上述的硬件和軟件的有機結合，實現對電網各種參數的采集。
文檔編號G01R19/25GK101458275SQ20081020236
公開日2009年6月17日 申請日期2008年11月6日 優先權日2008年11月6日
發明者袁俊杰, 陳玲玲 申請人:上海電器科學研究所(集團)有限公司