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    基于MSP430F147的智能三相電力計(jì)量?jī)x表的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

    2015-12-31 00:00:00劉翠玲1李珊2
    基層建設(shè) 2015年35期

    劉翠玲1 李珊2

    1福建福清核電有限公司 350318;2福建奔馳汽車工業(yè)有限公司

    摘要:在本文中,將就基于MSP430F147的智能三相電力計(jì)量?jī)x表的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)進(jìn)行一定的研究,在對(duì)三相電參數(shù)計(jì)算、測(cè)量方式進(jìn)行探入探討的基礎(chǔ)上在儀表中增加現(xiàn)場(chǎng)編程以及組網(wǎng)能力。

    關(guān)鍵詞:MSP430F147;智能三相電力計(jì)量?jī)x表;設(shè)計(jì);實(shí)現(xiàn)

    1 引言

    電力計(jì)量?jī)x表是電力工作開展中的重要設(shè)備類型。在本設(shè)計(jì)中,在以MSP430F147為核心的基礎(chǔ)上,對(duì)三相電信號(hào)進(jìn)行了采集、處理、分析以及顯示,并在對(duì)通信擴(kuò)展功能進(jìn)行實(shí)現(xiàn)的同時(shí)對(duì)儀表的組網(wǎng)管理進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)。

    2 儀表功能設(shè)計(jì)

    2.1 輸入信號(hào)調(diào)理電路

    對(duì)于信號(hào)調(diào)理電路而言,其主要通過電路以及互感器的應(yīng)用將三相電流信號(hào)以及電壓信號(hào)調(diào)理成轉(zhuǎn)換器能夠接收的電壓信號(hào)。如何能夠使信號(hào)具有最小的失真特點(diǎn),則成為了具體功能實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵內(nèi)容。在本系統(tǒng)中,其調(diào)理部分原理如下圖所示:

    圖1

    信號(hào)輸入范圍方面,其為0至500V,A/D所使用的為25V基準(zhǔn)。這就說明,在系統(tǒng)模擬轉(zhuǎn)換的過程中,其最高電壓需要在控制在25V以下:

    2.1.1 電壓部分

    以UA為例,對(duì)電壓調(diào)理部分進(jìn)行分析。在結(jié)構(gòu)中,采樣電阻為R17,由于電路處理交流信號(hào),我們?cè)趯17對(duì)下端接地進(jìn)行設(shè)置后,在交流半軸大于UN,并使A__IN3一端的值在0V以上。單片機(jī)方面,其A/D方面僅僅能夠以單端的方式進(jìn)行測(cè)量,且需要抬高信號(hào)。根據(jù)此種要求,我們則將A/D基準(zhǔn)輸入在分壓之后將其同R17下端進(jìn)行相接,并將被測(cè)量信號(hào)在抬高1/2個(gè)基準(zhǔn)電平之后抬到零電平上,以此使其能夠被正常測(cè)量。同時(shí),在1mA線性以內(nèi),電壓互感器具有著較好的線性度,以輸入最大值500V進(jìn)行計(jì)算,在AD工作范圍內(nèi)在進(jìn)行濾波后對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣。

    2.1.2 電流部分

    以I_IN1為例對(duì)電流的處理轉(zhuǎn)換進(jìn)行分析,在電流方面,其偏置電路同上述我們分析的電壓部分十分相似,同樣使用A/D輸出信號(hào)對(duì)基準(zhǔn)電平進(jìn)行抬高,以此使A/D能夠?qū)ο嚓P(guān)信號(hào)進(jìn)行正常測(cè)量。其中,采樣電阻為R1,其前端輸入最大電流為5A,流經(jīng)采樣電阻的電流值最大為2.5mA。在取R1為330Ω的情況下,其電壓有效值最大為0.825V,在低濾波之后能夠被采樣。

    2.2 數(shù)據(jù)采集

    2.2.1 數(shù)據(jù)采樣技術(shù)

    對(duì)于單片機(jī)而言,其在2kHz速度的情況下對(duì)三相交流電的電流以及電壓進(jìn)行采樣,并對(duì)瞬時(shí)的三相電流以及電壓進(jìn)行獲得。在對(duì)上部分?jǐn)?shù)據(jù)獲得之后,則可以通過硬件乘法器的應(yīng)用對(duì)瞬時(shí)功率進(jìn)行計(jì)算,通過軟件方式的應(yīng)用對(duì)正弦波過零點(diǎn)進(jìn)行判斷,之后通過定時(shí)器的應(yīng)用對(duì)其內(nèi)部信號(hào)頻率進(jìn)行測(cè)量,在對(duì)后續(xù)處理工作的開展提供狀態(tài)標(biāo)識(shí)的同時(shí)能夠?qū)?shù)據(jù)計(jì)算處理進(jìn)行觸發(fā)。在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,使用的是多通道定時(shí)器觸發(fā)的連續(xù)采樣模式,即通過定時(shí)器的應(yīng)用對(duì)ADC12進(jìn)行觸發(fā),以此能夠在較短的時(shí)間內(nèi)對(duì)多個(gè)通道的瞬時(shí)電參數(shù)進(jìn)行獲取,以此使被測(cè)電參數(shù)值具有更高的準(zhǔn)確性。之后,單片機(jī)則會(huì)將本次獲取的數(shù)據(jù)同之前獲得的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,對(duì)信號(hào)是否過零點(diǎn)進(jìn)行判斷,并對(duì)數(shù)據(jù)處理函數(shù)采樣進(jìn)行觸發(fā)。

    2.2.2 顯示通信設(shè)計(jì)

    在本設(shè)計(jì)中,共使用了三排數(shù)碼管對(duì)三相電參數(shù)進(jìn)行顯示,具有著較好的可靠性以及穩(wěn)定性。同時(shí),相關(guān)儀表能夠嚴(yán)格按照參數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示,并能夠由用戶根據(jù)自身需求選擇手動(dòng)切換或者定時(shí)自動(dòng)顯示。

    在此基礎(chǔ)上,為了能夠使儀表具有更強(qiáng)的應(yīng)用以及綜合處理能力,在本設(shè)計(jì)中,共具有兩路繼電器開關(guān)量以及模擬量輸出,且具有基于ModBus協(xié)議的通信接口。在上述各個(gè)分路中,每路上輸出都能夠?qū)ζ渌淼奈锢砹啃畔⑦M(jìn)行選擇,如電流、無功功率、交流電頻率、三相電壓以及有功功率等。繼電器輸出方面,其主要功能是根據(jù)所測(cè)得的信號(hào)信息選擇報(bào)警,在本研究中,其也具有著較強(qiáng)的獨(dú)立性,即根據(jù)實(shí)際需求對(duì)適合的參數(shù)進(jìn)行選擇,并能夠?qū)?bào)警的上下限進(jìn)行設(shè)定,其范圍為代表信號(hào)的120%以內(nèi)。同時(shí),也可以對(duì)繼電器延遲輸出時(shí)間進(jìn)行設(shè)定,以此使系統(tǒng)能夠具有更強(qiáng)的抗干擾能力,在同ModBus實(shí)現(xiàn)配合的同時(shí)對(duì)更為復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)控制進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。模擬量輸入方面,則根據(jù)相應(yīng)的指示燈進(jìn)行顯示,能夠以更為直觀、便捷的方式對(duì)所獲得的信號(hào)以及不同通路的連接情況進(jìn)行顯示,以此幫助我們更好的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的故障檢測(cè)以及現(xiàn)場(chǎng)控制工作。此外,在通信方式上,我們選擇了以ModBus為基礎(chǔ)的通信方式,以此使儀表能夠在遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)控制以及訪問工作。對(duì)于該協(xié)議而言,其在運(yùn)行中將儀表視為一個(gè)虛擬存儲(chǔ)器空間,并能夠?qū)⑾嚓P(guān)數(shù)據(jù)放在指定的存儲(chǔ)器位置當(dāng)中。之后,上位機(jī)軟件則能夠根據(jù)0x03命令對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取,并在讀取完成后選擇對(duì)其處理或者顯示。而在控制信息方面,則將其放置在存儲(chǔ)器空間當(dāng)中,在實(shí)際運(yùn)行中,這部分信息將直接由儀表進(jìn)行控制,以此對(duì)程序的運(yùn)行情況實(shí)現(xiàn)控制,且上位機(jī)也能夠在0x06命令的發(fā)出后修改控制寄存器,以此對(duì)遠(yuǎn)程控制儀表功能進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。可以說,通過ModBus在該設(shè)計(jì)的應(yīng)用,則能夠使系統(tǒng)的儀表系統(tǒng)同之前相比具有了更為智能化的特征,在對(duì)儀表設(shè)備組網(wǎng)能力進(jìn)行提升的同時(shí)有效實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)控制功能。

    3 軟件程序設(shè)計(jì)

    在該系統(tǒng)的軟件部分,則將儀表工作分為兩大部分。對(duì)于具有較高實(shí)時(shí)性要求的任務(wù),會(huì)將其放置在具有較高優(yōu)先級(jí)的事件處理進(jìn)程中,而如果其對(duì)于實(shí)時(shí)性沒有較高的要求、或者該任務(wù)的處理時(shí)間較長(zhǎng),則需要將其放置在背景進(jìn)程當(dāng)中。同時(shí),該程序通過定時(shí)器的應(yīng)用作為系統(tǒng)運(yùn)行中的協(xié)調(diào)信號(hào),并通過背景進(jìn)程以及標(biāo)志的應(yīng)用對(duì)控制信號(hào)以及狀態(tài)信息進(jìn)行傳遞。

    4 結(jié)論

    在工業(yè)電力工作中,電力計(jì)量?jī)x表可以說是非常重要的一項(xiàng)設(shè)備類型,對(duì)于電力工作的開展具有十分積極意義。在上文中,我們對(duì)基于MSP430F147的智能三相電力計(jì)量?jī)x表的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了一定的研究。在該設(shè)計(jì)中,我們?cè)贛SP430F147的基礎(chǔ)上對(duì)三相電參數(shù)的處理、采樣以及顯示等功能進(jìn)行了實(shí)現(xiàn),且對(duì)基于ModBus的遠(yuǎn)程通信進(jìn)行了實(shí)現(xiàn),能

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