CN101458275A - 耐高温三相中频电量采集模块 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种耐高温三相中频电量采集模块，用于中频断路器内电网各种参数的采集，所述的采集模块其硬件包括电压互感器、电压信号处理电路、电流信号处理电路、主芯片电路、光耦、通信电路、电流互感器、电源电路；其软件包括主程序、数据处理程序、通信中断程序、采样定时中断程序、频率采样中断程序；电压电流信号，经过电压互感器以及信号处理后，进入主芯片的AD转换、频率采集以及相序采集部分，然后主芯片计算出各种参数，模块再通过光耦、RS485通信电路的485接口，便和上位机进行各种数据传输；电源电路将外部的24V转换成各个电路需要的电源；上述的硬件和软件的有机结合，实现对电网各种参数的采集。

Description

耐高温三相中频电量采集模块

技术领域

本发明涉及一种耐高温三相中频电量采集模块，属于中频电网信息数据采集技术领域。

背景技术

耐高温三相中频电量采集模块，主要用于中频断路器内电网各种参数的采集，包括：三相电压、三相电流、频率、相序、三相及总有功功率、三相及总无功功率、三相及总视在功率、三相及总功率因数、有功电能、无功电能、电压和电流的不平衡度、三相电压各次谐波及总畸变率、三相电流各次谐波及总畸变率等。用户通过总线接口对各种电网参进行监测，以便实现相应的功能。

作为断路器内部的一个模块，硬件设计就要求体积结构上非常紧凑，但实现的功能和产品可靠性方面也不能降低。同时中频是工频(50Hz)的8倍，这也需要更准确的信号处理，因此这里采用一些简洁高效的电路设计。另外由于中频断路器内部温度较高，经常处于100℃以上，这对于电路板设计以及器件选择上提出了更高的要求。这些本产品在硬件设计上的重要特点。

另外由于中频是工频的8倍，所以在软件设计上也需要更高的实时性以确保计算参数的准确性，但同时又要尽量减少运算量，这样也是为了减少单片机的功耗，来减少自身发热，以便于更好的在高温环境下工作。

由于中频的应用场合相对工频要少很多，所以相关的产品也较少。中国第二汽车制造厂申请过《中频电源功率因数的快速测量装置》的专利。一种用于监测中频电源的功率因数及有功功率的快速测量装置，是将中频电源电流和电压信号经模拟乘法器运算后，得到瞬时功率信号。该信号分别经低通滤波电路和两倍选频滤波电路得有功功率信号和视在功率信号。两路信号均通过模拟除法器运算后，输出即为功率因数信号。该装置结构简单合理，响应快，工作可靠，测量精度高，可适用于中频及中频以上的电源系统及加热感应系统。

由于该专利年代较早，所以是采用模拟器件实现的，同时所能测量的参数也很少。

发明内容

本发明的目的在于提供一种耐高温三相中频电量采集模块，该模块可以进行各种电网参数采集实时监测，并通过总线接口和上位机进行通信以实现系统的网络化。

为达到上述目的，本发明的技术方案是：该模块包括电压互感器、电压信号处理电路、电流信号处理电路、主芯片电路、RS485通信电路、电源电路。电流互感器体积较大，置于中频断路器的其他地方，只将其输出引至电路板。电压电流信号进过电压互感器以及信号处理后，进入主芯片的AD转换、频率采集以及相序采集部分，然后主芯片计算出各种参数，模块再通过485接口可以和上位机进行各种数据传输，电源电路将外部的24V转换成各个电路需要的电源。

包本发明的有益效果：电量采集模块作为400Hz中频断路器的一个重要组成部分，首先功能上弥补了当前这种产品的缺乏，为客户的选择带来方便。其次、测量的参数包括三相电压、三相电流、频率、三相及总有功功率、三相及总无功功率、三相及总视在功率、三相及总功率因数、有功电能、无功电能、电压和电流的不平衡度、三相电压各次谐波及总畸变率、三相电流各次谐波及总畸变率等。同时这种产品因其功能的丰富多样性，也可应用于其它400Hz交流电量监测的场合。而且本模块精度较高，产品的成本低廉，为用户提供一种优质的元件。

以下结合附图和实施例对本发明的技术方案作比较详细地说明。

附图说明

图1为本发明的耐高温三相中频电量采集模块原理框图；

图2为本发明的耐高温三相中频电量采集模块电源线路原理框图；

图3为本发明的耐高温三相中频电量采集模块主芯片电路原理框图；

图4为本发明的耐高温三相中频电量采集模块信号处理线路原理图；

图5为本发明的耐高温三相中频电量采集模块主程序流程图；

图6为本发明的耐高温三相中频电量采集模块数据处理流程图；

图7为本发明的耐高温三相中频电量采集模块通信处理流程图；

图8为本发明的耐高温三相中频电量采集模块采样定时中断流程图；

图9为本发明的耐高温三相中频电量采集模块频率采集中断流程图。

具体实施方式

参照图1，这是本发明的耐高温三相中频电量采集模块原理框图。

如图所示，本模块包括电压互感器1、电压信号处理电路2、电流信号处理电路3、主芯片电路4、光耦5、RS485通信电路6、电源电路7、电流互感器8。

电流互感器8体积较大，置于中频断路器的其他地方，只将其输出引至电路板。电压电流信号经过电压互感器1以及信号处理后，进入主芯片电路4的AD转换、频率采集以及相序采集部分，然后主芯片计算出各种参数，再通过光耦5、485接口6，和上位机进行各种数据传输。电源电路将外部的24V转换成各个电路需要的电源。

参照图2，这是本发明的耐高温三相中频电量采集模块电源线路原理图。

如图所示，本模块数字电源3.3V是主电源，主要用于主芯片的工作。由开关芯片LM25010及其外围电路构成，通过其输出端的R31和R28产生的反馈电压，可以获得稳定的3.3V。使用开关芯片效率比较高，使电源本身的发热比较小，便于在高温环境下运行，并且LM25010的工作温度可以达到125℃。R30为TVS管用于防治过电压，D2用于防止外部电源反接，R29为PTC管，用于防止过流。

数字电源3.3V和地通过两个电感产生模拟3.3V电源和地。模拟电源主要用于运放、互感器以及主芯片中AD部分的供电。这样可以确保模拟部分的供电少受数字电路的影响，以确保信号处理的准确性。

隔离电源3.3V通过一个隔离电源模块产生，用于给通信电路供电，使电路板和外部信号隔离，避免干扰。

参照图3，这是本发明的耐高温三相中频电量采集模块主芯片电路原理图；

如图所示，本模块主芯片电路以U3为主芯片，采用32位ARM芯片ADuC7025，带有12位AD转换UART等常用的外设接口。同时内部自带E2PROM可以用于保存掉电保留的数据。其工作温度可以达到125℃。其中JTAG口用于烧写程序。基准源2.5V由ADR121B通过模拟电源3.3V转换而得，用于提供给主芯片的AD部分的基准电源。ADR121B可以在125℃工作，并且只有9ppm的温漂，这样使采样计算参数时随温度的变化而产生的误差较小

参照图4，这是本发明的耐高温三相中频电量采集模块信号处理线路原理图；

如图所示，本模块信号处理线路，由于三相电网的A、B、C相的信号采集电路是完全一样的，所以这里只给出了A相电压和A相电流的处理电路。

电压采集通过电压互感器T1，原边利用R1将电压变成0～2mA电流，副边再利用R17和C10将0～2mA电流转换成小的交流电压信号，然后再利用C4通过偏置电压1.25V将这个交流相电压信号上移，以简洁的方法消去了交流信号的负极性，信号处理效果也较好，可以直接进入AD采样。电流采集与电压采集类似，通过电流互感器T2，将外部0～400A电流转换成0～20mA电流，再利用R27和C20转换成小的交流电压信号，再利用C14上移信号来消去交流信号的负极性，就可以直接进入AD采样了。

频率采集电路，用于测量频率。通过运放设计一个比较器，将上移的信号转换成频率相同的方波，并利用正反馈去除信号中毛刺对于频率测量的影响，再由主芯片通过外部中断采集频率。图中将A相电压通过互感器处理后得到的偏置上移的交流信号通过AD8630转变为一个周期和交流信号一样的方波，R20为正反馈电阻。主芯片通过监测方波的频率就知道电网的频率了。

相序采集电路其实和频率采集电路一样，只不过输入端的信号为B相电压通过互感器处理后得到的偏置上移的交流信号。由于A相和B相的相位不同，主芯片通过频率采集信号的上升沿时间点和相序采集信号的上升沿时间点之间的差值就可以判断当前的相序是正序还是负序。

偏置电压1.25V通过带输出驱动的电压跟随电路实现。由于偏置电压的稳定性对于AD采样的精度非常重要，所以不能简单利用跟随电路实现。这里先将基准源2.5V通过两个相等的高精度电阻分压为1.25V，然后通过电压跟随获得一个稳定的1.25V电压。为了增加偏置电压的驱动能力，通过Q1和Q2三极管增加其驱动能力，这样当别的信号干扰到偏置电压1.25V时也不会出现明显的毛刺和纹波。这样对信号采集部分提供了高性能的信号偏置电压。

电路中AD8630和互感器等主要器件的工作温度都是125℃，这样才能确保模块在信号采集时稳定可靠的工作，同时也使得温度变化不会造成明显的采样误差。

整个信号处理既保证了400Hz信号采样的完整性，同时又确保其在高温环境下的运行的可靠性。

参照图5，这是本发明的耐高温三相中频电量采集模块的主程序流程框图；

如图所示，本模块的主程序流程，所述的主程序流程，其步骤是，从‘开始’到‘主芯片外设初始化’、‘变量初始化’、‘数据处理’、‘通信处理’、‘EEPROOM′，然后返回‘数据处理’循环。

参照图6，这是本发明的耐高温三相中频电量采集模块的信息处理流程框图；

如图所示，本模块的其步骤是，从‘开始’到‘判断是否采完32点’进行判断，如果否，便‘结束’；如果是，便进入‘计算中频电网各种单相参数’、‘软件滤波及参数校准’、‘判断是否采完C相’进行判断，如果否，便‘结束’；如果是，便进入‘计算和三相有关的参数’直到‘结束’。

参照图7，这是本发明的耐高温三相中频电量采集模块的通信处理流程框图；

如图所示，本模块的通信中断程序，其步骤是，从‘开始’到‘判断是否收完一帧’进行判断，如果否，便‘结束’；如果是，‘校验数据是否有错误’进行判断，如果是，便‘结束’；如果否，‘根据通信内容准备发送数据’、‘发送第一个字节’到‘结束’。

参照图8，这是本发明的耐高温三相中频电量采集模块的采样定时中断流程框图。

如图所示，本模块的采样定时中断流程，其步骤是，从‘开始’到‘一次AD采样电流和电压’，‘是否采样完一个周期’进行判断，如果否，便到‘结束’；如果是，‘标志采样完一个周期’、‘采样偏置电压(1.25V)’到‘结束’。

参照图9，这是本发明的耐高温三相中频电量采集模块的频率采集中断流程框图。

如图所示，本模块的频率采集中断程序，其步骤是，从A相中断‘开始’到‘是否第一或最后一个中断’进行判断，如果否，便到‘中断数加1’、‘记录判断相序的时间标志’、‘结束’；如果是，分两路：第一个到‘先停止定时器，然后保存当前时间及校准时间，再恢复定时器’、‘记录判断相序的时间标志’、‘结束’；最后一个到‘计算时间差得到周期及频率’、‘计算更新定时采样的时间间隔’、‘记录判断相序的时间标志’、‘结束’。

Claims (10)

1.一种耐高温三相中频电量采集模块，用于中频断路器内电网各种参数的采集，其特征在于：所述的采集模块其硬件包括电压互感器(1)、电压信号处理电路(2)、电流信号处理电路(3)、主芯片电路(4)、光耦(5)、RS485通信电路(6)、电流互感器(7)、电源电路(8)；其软件包括主程序、数据处理程序、通信中断程序、采样定时中断程序、频率采样中断程序；

电流互感器(7)体积较大，置于中频断路器的其他地方，只将其输出引至电路板；

电压电流信号，经过电压互感器(1)以及信号处理后，进入主芯片(4)的AD转换、频率采集以及相序采集部分，然后主芯片计算出各种参数，模块再通过光耦(5)、RS485通信电路(6)的485接口，便和上位机进行各种数据传输；电源电路将外部的24V转换成各个电路需要的电源；

上述的硬件和软件的有机结合，实现对电网各种参数的采集。

2、根据权利要求1所述的耐高温三相中频电量采集模块，其特征在于：所述的电源路(8)，包括数字电源3.3V是主电源，用于主芯片供电，由开关芯片LM25010及其外围电路构成，通过其输出端的R31和R28产生的反馈电压，获得稳定的3.3V电压。

3、根据权利要求1所述的耐高温三相中频电量采集模块，其特征在于：所述的主芯片电路(4)，以U3为主芯片，采用32位ARM芯片ADuC7025，带有12位AD转换UART常用的外设接口，内部自带E2PROM用于保存掉电保留的数据。

4、根据权利要求1所述的耐高温三相中频电量采集模块，其特征在于：所述的信号处理线路(2)，以A相电压和A相电流的处理电路为例，电压采集通过电压互感器T1，原边利用R1将电压变成0～2mA电流，副边再利用R17和C10将0～2mA电流转换成小的交流电压信号，然后利用C4通过偏置电压1.25V将这个交流相电压信号上移，消去了交流信号的负极性，直接进入AD采样；电流采集通过电流互感器T2，将外部0～400A电流转换成0～20mA电流，再利用R27和C20转换成小的交流电压信号，再利用C14上移信号来消去交流信号的负极性，直接进入AD采样。

5、根据权利要求1或4所述的耐高温三相中频电量采集模块，其特征在于：所述的信号处理线路(2)，频率采集电路，通过运放比较器，将上移的信号转换成频率相同的方波，并利用正反馈去除信号中毛刺对于频率测量的影响，再由主芯片通过外部中断采集频率，将A相电压通过互感器处理后得到的偏置上移的交流信号通过AD8630转变为一个周期和交流信号一样的方波，R20为正反馈电阻，主芯片通过监测方波的频率就知道电网的频率。

6、根据权利要求1或4所述的耐高温三相中频电量采集模块，其特征在于：所述的信号处理线路(2)，相序采集电路，输入端的信号为B相电压通过互感器处理后得到的偏置上移的交流信号，由于A相和B相的相位不同，主芯片通过频率采集信号的上升沿时间点和相序采集信号的上升沿时间点之间的差值就可以判断当前的相序是正序还是负序。

7、根据权利要求1所述的耐高温三相中频电量采集模块，其特征在于：所述的主程序流程，其步骤是，从‘开始’到‘主芯片外设初始化’、‘变量初始化’、‘数据处理’、‘通信处理’、‘EEPROOM′，然后返回‘数据处理’循环。

8、根据权利要求1所述的耐高温三相中频电量采集模块，其特征在于：所述的数据处理程序，其步骤是，从‘开始’到‘判断是否采完32点’进行判断，如果否，便‘结束’；如果是，便进入‘计算中频电网各种单相参数’、‘软件滤波及参数校准’、‘判断是否采完C相’进行判断，如果否，便‘结束’；如果是，便进入‘计算和三相有关的参数’直到‘结束’。

9、根据权利要求1所述的耐高温三相中频电量采集模块，其特征在于：所述的通信中断程序，其步骤是，从‘开始’到‘判断是否收完一帧’进行判断，如果否，便‘结束’；如果是，‘校验数据是否有错误’进行判断，如果是，便‘结束’；如果否，‘根据通信内容准备发送数据’、‘发送第一个字节’到‘结束’。

10、根据权利要求1所述的耐高温三相中频电量采集模块，其特征在于：所述的频率采集中断程序，其步骤是，从A相中断‘开始’到‘是否第一或最后一个中断’进行判断，如果否，便到‘中断数加1’、‘记录判断相序的时间标志’、‘结束’；如果是，分两路：第一个到‘先停止定时器，然后保存当前时间及校准时间，再恢复定时器’、‘记录判断相序的时间标志’、‘结束’；最后一个到‘计算时间差得到周期及频率’、‘计算更新定时采样的时间间隔’、‘记录判断相序的时间标志’、‘结束’。

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