基于A(yíng)DuC812的三相電能設計

關(guān)鍵詞：數據采集系統芯片；三相電能測量

引言
數據采集系統芯片ADuC812(以下簡(jiǎn)稱(chēng)ADuC812)是美國Analog Devices公司投入市場(chǎng)一款性能優(yōu)越微轉換器產(chǎn)品，芯片內集成了一個(gè)完全可編程的、自校準、高精度的模擬數據采集系統。對于A(yíng)DuC812的ADC模塊采用硬件校正：出廠(chǎng)時(shí)對失調和增益誤差調整到最佳的性能，并把校準結果儲存在閃速存儲器中，由任何上電復位事件自動(dòng)加載以便初始化ADC校正寄存器。這種在線(xiàn)校正特性能夠消除各種與系統和基準相關(guān)的誤差(無(wú)論是內部基準或外部基準)。體積小、成本低、精度高和速度快是ADuC812顯著(zhù)特點(diǎn)，這些特點(diǎn)使之在測量中的應用前景非?？春?。我們研制的以ADuC812為CPU的三相電能測量系統，可以完成數據采集和三相電壓、電流、功率和電能的實(shí)時(shí)精確測量。

硬件電路
采用ADuC812構成三相電能測量系統的硬件總體結構如圖1所示。
因ADuC812內部A/D轉換器接受的模擬電壓的輸入范圍為0~+VREF，故需設計6路電平和幅度調節電路。將信號輸入鎖相倍頻電路，精確倍頻4倍的信號送入23引腳(CONVST)，用來(lái)啟動(dòng)ADC。利用ADuC812內部模擬開(kāi)關(guān)切換，使內部12位A/D分時(shí)復用地分別對電壓、電流進(jìn)行采樣。將三相U、I乘積累加，計算出電能，并將其乘系數K，每當電能值達到0.1千瓦時(shí)，就通過(guò)一I/O口P3.4送出一個(gè)低頻脈沖。人機輸入的按鍵可方便地選擇數碼管顯示的量。為在系統研制階段方便地進(jìn)行程序在線(xiàn)下載、在線(xiàn)調試及與PC機通訊，配有RS232接口。擴展32K字節外部數據區RAM(IS61C256)可保存大量的原始A/D采樣數據。圖2給出了幅度與電平調整的電路。

圖1 ADmC812電能測量系統與結構框圖

圖2 幅度與電平調整電路

圖3 主程序流程圖

軟件設計
系統軟件設計的主要任務(wù)是完成六路信號的數據采集、三相電壓、電流、有功功率、無(wú)功功率、功率因數以及電能的實(shí)時(shí)計算，檢測按鍵并把計算結果送數碼管顯示。
軟件算法處理
在研制的新型三相電能測量系統中，采用ADuC812作CPU，對電網(wǎng)信號精確倍頻4倍，以確保每周波采樣4點(diǎn)，并實(shí)時(shí)計算每周波內各相電壓有效值U、電流有效值I、有功功率值P、無(wú)功功率Q、功率因數cosj和電能W，將其值送數碼管進(jìn)行顯示，實(shí)時(shí)計算三相電壓、電流乘積累加和，每到0.1千瓦時(shí)通過(guò)一I/O口送出一個(gè)脈沖，同時(shí)也送數碼管顯示總的電能值。其各項計算公式見(jiàn)式(1)、(2)、(3)、(4)、(5)和(6)。式中N為每周波的采樣點(diǎn)數，u、i為A/D采集的電壓、電流的瞬時(shí)值，∞表示一直在計算電能。其次，為了保證計算的精度，各項指標的計算采用滑動(dòng)濾波。

主程序設計
首先進(jìn)行初始化，包括關(guān)中斷、定義變量和常數、對各變量置初始值、設置外部中斷1和外部管腳啟動(dòng)ADC模式。完成初始化工作后，開(kāi)中斷。每采完5周波，將電壓、電流乘積的累加和與前面10個(gè)周波采集的數累加和進(jìn)行滑動(dòng)濾波，濾波后的電能值乘以系數K，當電能值為0.1千瓦時(shí)的整數倍時(shí)，在I/O口送出一低脈沖；根據公式(1)、(2)、(3)、 (4)、(5)，分別計算出電壓、電流有效值、有功功率、無(wú)功功率以及功率因數，并根據按鍵，選擇送數碼管顯示的量。主程序流程如圖3所示。

軟硬件混合啟動(dòng)A/D轉換設計
設計任務(wù)書(shū)是在保證精度大于1％的前提下，能夠實(shí)時(shí)采集和計算完六路信號各項指標。ADuC812是高集成度低價(jià)格芯片，性?xún)r(jià)比高，通過(guò)內部的模擬開(kāi)關(guān)切換，盡管只有一片A/D轉換器，利用分時(shí)復用可實(shí)現對6路信號的數據采集。傳統測量中多采用硬件啟動(dòng)A/D轉換，若本測量系統也全部采用硬件啟動(dòng)，則硬件電路開(kāi)銷(xiāo)大。為了使硬件電路簡(jiǎn)單，同時(shí)也要降低成本，從設計優(yōu)化方面考慮，提出了采用軟硬件結合在一起混合啟動(dòng)A/D進(jìn)行轉換的設計思想。首先，第一路信號由外部管腳啟動(dòng)ADC；其次，隨后的五路信號用軟件控制，由ADuC812內部定時(shí)器2的溢出位用作A/D轉換起始觸發(fā)脈沖輸入。
由于A(yíng)DuC812的指令周期在微秒級，且計算指標多，故在滿(mǎn)足精度要求的前提下，根據取樣定理fS≥2fi(max)，選用一周波對第一路信號4倍頻。一旦第一路信號由外部管腳啟動(dòng)ADC轉換完后，緊接著(zhù)在A(yíng)/D中斷服務(wù)程序內啟動(dòng)ADuC812內部定時(shí)器2，讓定時(shí)器2的溢出位用作A/D轉換起始觸發(fā)脈沖輸入，啟動(dòng)隨后的5路信號。此時(shí)，后5路信號要高采樣頻率，但A/D中斷服務(wù)程序要消耗時(shí)間，限制了其采樣頻率提高?？紤]到測量的電網(wǎng)信號頻率單一，且在40Hz~60Hz范圍內，采用ADCI服務(wù)程序消耗的時(shí)間加A/D轉換的時(shí)間為軟件啟動(dòng)的采樣周期100ms(即10kHz)，這樣信號間的延時(shí)在實(shí)際情況下達到最小，以此計算出同相電壓、電流的相對延時(shí)約為0.5％。
在A(yíng)DCI中斷服務(wù)程序完成如下工作：首先關(guān)中斷，讀取A/D轉換值存入內部數據區，判斷是否對6路信號各采完一個(gè)點(diǎn)，已完成則送出6個(gè)數據點(diǎn)到外部數據區供主程序計算用；然后進(jìn)入通道選擇完成模擬開(kāi)關(guān)的切換；最后開(kāi)中斷并返回。

結語(yǔ)
通過(guò)多次測試，我們發(fā)現這一基于A(yíng)DuC812技術(shù)的新型電能測量系統能達到預定的實(shí)時(shí)采樣要求：能對每周波精確倍頻采樣，并能實(shí)時(shí)處理。采用JWD-2型便攜式數控交流穩壓電源作為輸入信號源，通過(guò)與EWH102M標準功率電能表 0.1級三相功率標準電能表進(jìn)行比對,發(fā)現這一基于A(yíng)DuC812技術(shù)的新型電能測量系統能達到千分之五的精度，但儀器成本極低。因此，其市場(chǎng)前景非常廣闊。
參考文獻
1 MicroConverter,Multichannel 12-Bit ADC With Embedded Flash MUC ADuC812(2001)(Analog Devices)
2 劉書(shū)明、馮小平，數據采集第統芯片ADuC812原理與應用，西安電子科技大學(xué)出版社.2000.12
3 何立民，MCS-51系列 單片機應用系統設計 系統配置與接口技術(shù)，北京航空航天大學(xué)出版社.1990.1
4 楊傳譜、孫敏、楊澤富，電路理論—時(shí)域與頻域分析，華中理工大學(xué)出版社.1998年12月