CN103675441A - Dc600v列车供电装置用电度表 - Google Patents

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樊世君
李壮
刘永虎
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Abstract

本发明公开了一种DC600V列车供电装置用电度表，包括CPU控制电路、电源电路、电能测量电路、LED显示电路和通信电路，CPU控制电路分别与电能测量电路、LED显示电路和通信电路连接，电源电路分别与CPU控制电路、电能测量电路、LED显示电路和通信电路连接，通信电路与供电装置网卡连接。所述的电能测量电路包括电流互感器输入电路、电压互感器输入电路、信号取样电路、滤波电路和电能测量集成芯片。本发明通过电能测量集成芯片完成对供电装置输出电能的计算、存储和数据读取，自动完成电能的计量，可靠性更高，计量更加准确，免去了人工抄表的繁琐管理。本发明采用了ARM芯片技术，实现了电度表的数据运算和自动显示。

Description

DC600V列车供电装置用电度表
技术领域
本发明涉及一种DC600V列车供电装置用电度表，属于电能计量领域。
背景技术
DC600V列车供电装置将在电力机车上获得的交流输入电压变换直流输出电压，为列车上的电气设备提供电源。现有机车用电管理一般采用对机械式电表的人工抄表来完成，存在机械磨损、人员管理和用电计量准确度的问题。
发明内容
为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种可自动完成电能的计量、可靠性更高、计量更加准确的DC600V列车供电装置用电度表。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种DC600V列车供电装置用电度表，包括CPU控制电路、电源电路、电能测量电路、LED显示电路和通信电路，所述的CPU控制电路分别与电能测量电路、LED显示电路和通信电路连接，所述的电源电路分别与CPU控制电路、电能测量电路、LED显示电路和通信电路连接，所述的通信电路与供电装置网卡连接；
所述的CPU控制电路实现CPU的正常工作、程序下载、信息存储及复位功能，完成电度表的计算、通信、存储和显示任务；CPU控制电路包括ARM芯片、电压监测电路、复位电路、晶振电路、JTAG口读写电路以及RAM存储器接口电路；
所述的电源电路完成输入电源DC110V到隔离输出5V的DC-DC转换、5V到5V的隔离输出和5V到3.3V的输出；电源电路提供+5V、+5V_ISO、3.3V_1和3.3V_2几种类型的电源输出；
所述的电能测量电路包括电流互感器输入电路、电压互感器输入电路、信号取样电路、滤波电路和电能测量集成芯片；所述的电能测量电路完成输入交流电压和电流的采样，其电能测量集成芯片产生频率量信号通过隔离后，提供给CPU控制电路的捕捉接口，从而完成电能的计量；
所述的LED显示电路完成输入电压、输入电流和电量信息的显示，包括8位LED数码管显示器和串行接口的LED显示驱动器；
所述的通信电路分别完成与供电装置网卡、与上位机和USB设备的通信功能；与供电装置网卡的通信采用光耦隔离的RS-485或者CAN接口进行；与上位机通过光耦隔离的RS-232接口进行参数修改和读取；通过USB口直接进行数据的读取。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、由于本发明采用了电流和电压互感器隔离技术，实现了采集信号与微机信号的隔离。
2、由于本发明采用了电能测量集成芯片，实现了电能自动采集计算的目的。
3、由于本发明采用了ARM芯片技术，实现了电度表的数据运算和自动显示的目的。
4、由于本发明采用了光耦隔离技术，实现通信信号的隔离。
5、本发明通过电能测量集成芯片完成对供电装置输出电能的计算、存储和数据读取，自动完成电能的计量，可靠性更高，计量更加准确，免去了人工抄表的繁琐管理。
附图说明
本发明共有附图6张，其中：
图1本发明的结构框图。
图2本发明的CPU控制电路原理图。
图3本发明的电源电路简图。
图4本发明的电能测量电路原理图。
图5本发明的LED显示电路原理图。
图6本发明的通信电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步地描述。本发明的结构如图1所示，本发明的特性指标及参数如下：
输入电压：AC220V±5%
输入电流：AC5A±5%
额定工作电源电压：DC110V±5%
额定工作电源功率：10W
通信方式：RS485，CAN，USB，RS232
测量回路：2路电压、电流
显示方式：8位LED
环境温度：-40-80℃。
本发明各电路的结构如下：
1、CPU控制电路
CPU控制电路原理图如图2。
采用NXP公司的ARMCortex-M3内核的LPC1768微处理器作为主处理器，ARMCortex-M3CPU具有3级流水线和哈佛结构，操作频率可达100MHz。
本发明需要的功能可以通过LPC1768的外设组件实现：
4个UART、带小数波特率发生功能、内部FIFO、DMA支持和RS-485，用以实现RS-485和RS-232通信；
2个通道的CAN控制器，用以实现CAN通信；
USB2.0全速从机/主机/OTG控制器，用以实现USB通信；
8个捕获输入，用以实现电能数据的输入；
SPI控制器，用以实现和LED驱动芯片的连接；
3个增强型的I2C总线接口，用以实现与FRAM的连接；
带有独立电池供电的超低功耗RTC，用以实现RTC功能。
ARM芯片的晶振由40M晶振提供；内置的RTC需要外接32.768kHz晶振使用；MAX823芯片完成LPC1768的复位和电源监测，也可以通过手动按钮方式复位，另外还有软件看门狗输入，增加了软件的可靠性；JATG接口电路完成程序和数据下载的功能；存储单元的设计采用I2C总线的FM24V10，是一个1M位铁电存储器，可存储128K个字节（8位），该存储器没有写延迟，数据保存期限为10年。
2、电源电路
电源电路简图如图3。
电源电路为本发明提供多种电源，首先将DC110V输入电压隔离转换DC5V，再将DC5V转换为隔离的5V_ISO，3.3V，分别为采样、通信和CPU芯片提供电源。
电源电路可以将输入电压范围扩大到66Ｖ～160V，前端的滤波及EMI部分完成输入电压的滤波、过压保护和浪涌电流的吸收，EMI部分可以有效地去除共模电磁干扰，然后将去除干扰的电压信号送入DC-DC输入端，DC-DC隔离转换模块完成110电压变换。
DC-DC模块采用P-DUKE生产的PM-10MD063模块，该模块精度高，可靠性好，温度特性突出，专为铁路产品定制，工作性能稳定，可以充分满足本发明的电源要求。
5V_ISO电源电压是通过TI公司的DCH010505模块实现，5V电压通过该模块产生隔离电压5V_ISO，为通信芯片和采样电路提供与控制芯片隔离的电源，降低干扰，保证系统正常工作。
3.3V电源电压采用intersil公司的ISL78214芯片实现，5V电压通过该芯片产生3.5V电压，再通过二极管取出3.3V_1和3.3V_2电压分别给ARM芯片和通信隔离芯片提供3.3V电源电压。
3、电能测量电路
电能测量电路原理图如图4。
电能测量的核心采用了美国AD公司的高精度电能测量集成芯片ADE7757，该芯片内置了一个精确的振荡器电路来给芯片提供时钟，内部电路除了ADC和参考电路是模拟电路外，其余均为数字电路，因此芯片在长时间与极端工作条件下具有卓越的稳定性与精度。
ADE7757测量功率的原理是对回路电流和负载电压取样，通过其内部的模数转换器转换为2路数字信号，然后经过乘法器、滤波和数频变换之后，输出与有功功率成正比的脉冲。
通道V1是电流采样接口，输入电流经过电流互感器和滤波处理后进入该通道；通道V2是电压采样接口，输入电压经过电压互感器、电阻配置和滤波处理后进入该通道；V1和V2都是全微分电压输入通道，差分电压峰峰值小于±165mV。
U1的CF输出通过光耦U2的隔离后，进入LPC1768的CAP通道进行计数，从而实现有功功率的计算。
4、LED显示电路
LED显示电路原理图如图5。
LED显示电路采用MAXIM公司的紧凑型共阴极显示驱动器MAX6951来驱动8位7段LED数码显示管，通过SPI兼容的串口与ARM处理器相连。MAX6951工作电压可以低至2.7V，与LPC1768信号电平兼容，内置16进制字符译码器(0～9，A～F)、复用扫描电路、段码和位驱动器，以及存储每一位数据的静态RAM。可以为每一个显示位选择16进制译码方式，或非译码方式，驱动任何7段码组合。LED段电流由内部数字亮度控制电路设定，段驱动器为限斜率输出，以降低EMI。
5、通信电路
通信电路原理图如图6。
通信电路包括带光耦隔离的RS-485接口、CAN接口、RS-232接口和USB接口，由于LPC1768的外设功能丰富，通信电路连接相应的收发器即可进行通信，为了防止通信过程产生的干扰，RS-485和CAN总线增加了光耦隔离电路，确保系统在通信过程中稳定工作。

Claims (1)

1.一种DC600V列车供电装置用电度表，其特征在于：包括CPU控制电路、电源电路、电能测量电路、LED显示电路和通信电路，所述的CPU控制电路分别与电能测量电路、LED显示电路和通信电路连接，所述的电源电路分别与CPU控制电路、电能测量电路、LED显示电路和通信电路连接，所述的通信电路与供电装置网卡连接；
所述的CPU控制电路实现CPU的正常工作、程序下载、信息存储及复位功能，完成电度表的计算、通信、存储和显示任务；CPU控制电路包括ARM芯片、电压监测电路、复位电路、晶振电路、JTAG口读写电路以及RAM存储器接口电路；
所述的电源电路完成输入电源DC110V到隔离输出5V的DC-DC转换、5V到5V的隔离输出和5V到3.3V的输出；电源电路提供+5V、+5V_ISO、3.3V_1和3.3V_2几种类型的电源输出；
所述的电能测量电路包括电流互感器输入电路、电压互感器输入电路、信号取样电路、滤波电路和电能测量集成芯片；所述的电能测量电路完成输入交流电压和电流的采样，其电能测量集成芯片产生频率量信号通过隔离后，提供给CPU控制电路的捕捉接口，从而完成电能的计量；
所述的LED显示电路完成输入电压、输入电流和电量信息的显示，包括8位LED数码管显示器和串行接口的LED显示驱动器；
所述的通信电路分别完成与供电装置网卡、与上位机和USB设备的通信功能；与供电装置网卡的通信采用光耦隔离的RS-485或者CAN接口进行；与上位机通过光耦隔离的RS-232接口进行参数修改和读取；通过USB口直接进行数据的读取。
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