多路電能表脈沖數(shù)據(jù)采集裝置的設(shè)計

張廣順　李有明

摘 要：智能電表在計量精度上的要求越來越高，對測試計量輸出設(shè)備的準確性要求也更加嚴格。針對當(dāng)前測試設(shè)備一方面無法同時采集脈沖個數(shù)和檢測脈沖寬度，另一方面不支持多個計量通道同時采集脈沖數(shù)據(jù)。本文設(shè)計了一種應(yīng)用于計量電能表的多路脈沖數(shù)據(jù)采集裝置，該裝置能高精度計量電能表脈沖輸出個數(shù)和脈沖寬度。測試結(jié)果表明，本文設(shè)計的采集器可同時得到四路脈沖數(shù)據(jù)的精確采集，適用于脈沖常數(shù)不同的各類國內(nèi)以及海外表型的脈沖數(shù)據(jù)采集，為電能表計量輸出脈沖檢測提供應(yīng)用規(guī)范。

關(guān)鍵詞：脈沖個數(shù);脈沖寬度;四路采集;脈沖常數(shù)

0 引言

智能電表的普及應(yīng)用，對計量的精度有了更高的要求。電表計量檢測需要對脈沖輸出與計量電量的一致性進行衡量，對脈沖輸出的精度和輸出脈寬也有相應(yīng)檢測規(guī)范[1]。為了檢測電能表脈沖輸出的準確性和脈沖寬度的合理性，需要合適的工具計量脈沖個數(shù)和查看輸出脈沖寬度。電能表脈沖輸出通常有以下常見問題：無脈沖和誤差顯示，低頻脈沖輸出不觸發(fā)誤差計算器，只有高頻脈沖，脈沖無法輸出[2]。為了檢測脈沖輸出的準確性，當(dāng)前通用的單路測試系統(tǒng)中脈沖個數(shù)采集方法有中斷檢測法和電平檢測法[3]。中斷檢測法對抗電磁干擾要求高但實現(xiàn)方法簡單，電平檢測法抗干擾能力強但軟件實現(xiàn)復(fù)雜。電量測試中，脈沖寬度檢測必不可少，需要測量電表的當(dāng)前脈寬，查看電能計量產(chǎn)生的脈沖寬度是否達到技術(shù)要求，通常測試需要用示波器檢測脈沖寬度，增加了測試脈沖輸出的復(fù)雜度。電表一般需要檢測有功和無功2路計量輸出，需要對兩種計量脈沖輸出進行檢驗。脈沖檢測端子一般有電脈沖和光脈沖的區(qū)分，部分電表僅有光脈沖，無電脈沖，而且光脈沖和電脈沖輸出會有上升沿和下降沿輸出差別，文獻[4]提出的電平檢測方法對脈沖精確性采集上有很大提高，但脈沖處理上僅可檢測上升沿脈沖，下降沿脈沖未做區(qū)分，也無法檢測脈沖寬度。一路采集無法滿足同時采集光脈沖和電脈沖的區(qū)分，需要多個通道對光電脈沖分別處理，也可同時測量有功無功通道。

為了解決上述存在的問題，結(jié)合電能表測試要求，本文設(shè)計了一種高精度計量電能表輸出的脈沖個數(shù)和脈沖寬度，多路同時采集脈沖數(shù)據(jù)的采集裝置。在脈沖判斷上選用電平檢測法來保證脈沖個數(shù)判斷準確，在檢測脈寬上采用中斷檢測法能快速計算有效脈寬;電路設(shè)計四路采集輸入，可同時采集光脈沖和電脈沖解決多余工裝問題和測試效率低的問題;電源電路選用電表開關(guān)電源電路來更好適應(yīng)采集裝置連接電表隨臺測試;增加警報模塊，滿足一定采集個數(shù)會觸發(fā)聲警報，測試人員可根據(jù)采集需求設(shè)置警報閾值;同時添加紅外和485通信功能，使用智能電表通信協(xié)議，為后續(xù)采集裝置軟件升級和設(shè)置參數(shù)提供支撐。測試結(jié)果表明本文設(shè)計脈沖采集裝置適用電表產(chǎn)品類型廣泛，脈沖采集精確性和測試效率提升明顯。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

本文是基于銳能微RN8213MCU芯片設(shè)計的脈沖采集裝置，其硬件連接模塊如圖1所示。

首先四路采集模塊采集脈沖和脈寬數(shù)據(jù)，經(jīng)MCU處理后將數(shù)據(jù)存儲到EEROM中，MCU也可從EEROM中提取當(dāng)前四路脈沖數(shù)據(jù)。然后將MCU處理脈沖數(shù)據(jù)顯示到液晶上，就可查詢相應(yīng)的脈寬和脈沖個數(shù)，當(dāng)采集脈沖達到警報閥值會出發(fā)聲警報，提醒用戶查看所需脈沖數(shù)據(jù)。利用通信功能設(shè)置顯示內(nèi)容和輪顯時間，設(shè)置警報閾值和采集脈寬范圍。

結(jié)合已有電能表脈沖輸出情況，電能表脈沖輸出最高每秒60個脈沖，也需要多個脈沖檢測端口。RN8213B計量芯片是一款低功耗、高性能、高集成度、高可靠的單相SOC 芯片，能夠滿足脈沖采集裝置目前及將來持續(xù)增長的功能、性能要求。多個I/O口可為多路脈沖采集提供高速的數(shù)據(jù)交互;內(nèi)嵌32 位ARM Cortex-M0核為采集脈沖數(shù)據(jù)處理提供完善的集成開發(fā)軟硬件環(huán)境;且該芯片具有一定的濾波處理能力，對提高脈沖采集精度有很大改善。

為了實現(xiàn)四路脈沖采集功能。脈沖采集部分電路利用光耦實現(xiàn)信號的傳輸，并對電路進行隔離保護。此部分電路的原理：當(dāng)光耦輸入端無電脈沖信號輸入時，光耦輸出端不導(dǎo)通，光耦輸出端光電三極管的發(fā)射極電壓為0 V;當(dāng)光耦輸入端有電脈沖信號輸入時，光耦輸出端光電三極管處于飽和導(dǎo)通狀態(tài)（V_ce≈0.4 V），此時光耦輸出端光電三極管發(fā)射極電壓約為2.9 V;基于此，通過MCU對光耦輸出信號的上升沿或下降沿進行計數(shù)和計算相應(yīng)脈沖寬度，則可得到電能表的脈沖個數(shù)和輸出脈寬。

光耦選用LTV-816S-TA1-D3能很好滿足當(dāng)前通訊波特率需求，響應(yīng)時間4 us，能快速傳輸采集脈沖信號，達到脈沖信號傳輸要求。通過R7/C3濾除噪聲誤差，濾除高頻雜波干擾，避免雜波信號干擾誤判。VD3用來保護光耦，防止輸入端加入過高電壓擊穿光耦。輸入脈沖從引腳通過輸入緩沖進入內(nèi)部總線，此時CPU自動使MUX向下，并向P0口寫’1’，讀引腳脈沖數(shù)據(jù)有效，然后打開緩沖器，將脈沖數(shù)據(jù)讀入總線，從而精確的將脈沖數(shù)據(jù)傳入CPU中處理。四路采集電路中電脈沖與光脈沖電路輸入端的差異：電脈沖采集電路需要添加上拉電壓;光脈沖采集電路不需添加上拉電壓（脈沖燈輸出已有上拉電壓）。四路脈沖采集電路見圖2所示。

為了提升采集工具的電源適用范圍，在開關(guān)電源方案設(shè)計中選用智能電表開關(guān)電源的設(shè)計方案。該方案兩路輸出，一路給通訊電路供電，帶載能力280 mA，18 V;一路給主板供電，帶載能力100 mA，18 V 。電源模塊給脈沖采集裝置和各個功能模塊和芯片提供穩(wěn)定的電源。電源方案該方案具有電壓工作范圍寬50 V～300 V，輸出電流大，轉(zhuǎn)換效率高的優(yōu)點，可適應(yīng)不同電表的隨臺測試。

為了實現(xiàn)警報功能，電路使用低成本的無源蜂鳴器。在蜂鳴器引腳兩端反向并聯(lián)一個二極管，防止突然斷電時產(chǎn)生的高壓反向電動勢擊穿其他元器件，防止蜂鳴器使用壽命縮短。警報功能用于提醒測試人員已采集所需脈沖數(shù)據(jù)，方便測試人員收集脈沖測試數(shù)據(jù)。

為了實現(xiàn)測試電表參數(shù)的配置功能，支持近紅外和485通訊功能。近紅外通信遵循IEC62056-21光學(xué)通信物理接口標準，信號波長：900 nm～1 000 nm（紅外光）。用戶可通過PC/HHU軟件對采集裝置進行數(shù)據(jù)抄讀和參數(shù)設(shè)置。初始波特率為300 bps（工廠狀態(tài)下9 600 bps）、7位數(shù)據(jù)位、1位偶檢驗位、1位停止位;握手成功后以預(yù)先設(shè)定好波特率（9 600 bps）、8位數(shù)據(jù)位、0位偶檢驗位、1位停止位的波特率通信。RS485通信符合DLMS標準（IEC 62056-46），波特率為9 600 bps、8位數(shù)據(jù)位、0位偶檢驗位、1位停止位。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包含主程序、脈沖數(shù)據(jù)采集和處理部分、顯示部分以及通訊部分。主程序完成單片機的初始化，調(diào)用脈沖采集數(shù)據(jù)和顯示相關(guān)內(nèi)容。主流程圖見圖3所示。

主程序一直作標志檢測、通訊、顯示、警報檢測、送復(fù)位脈沖等循環(huán)。脈沖采集裝置主要注重的是脈沖數(shù)據(jù)的處理過程，本文軟件部分主要講述處理脈沖的過程。采集裝置分四路采集，采集端口互不干擾，只做硬件區(qū)分，軟件分塊處理，軟件處理流程基本一致。流程描述如下：

輸入信息：脈沖信號。

輸出信息：當(dāng)前脈沖總個數(shù)count，當(dāng)前脈沖寬度plase和檢測端口電平flag。

初始化采集端口狀態(tài)標志位默認為0。

1）將當(dāng)前脈沖信號輸入y（t） ，并檢測信號電平變化，定時器掃描中斷處理，同時掃描四個中斷口數(shù)據(jù);

2）檢測端口發(fā)生電平變化后，和基準電平比較，如果檢測到高電平，當(dāng)前狀態(tài)flag為1，進入步驟3，如果檢測到低電平，當(dāng)前狀態(tài)flag為0，進入步驟4;

3）程序判斷01，確認脈沖信號為上升沿傳輸;

4）程序判斷00，確認脈沖信號為下降沿傳輸;

5）確認輸入信號的高低電平后，接下來檢測脈沖個數(shù)和脈沖寬度 。首先判斷當(dāng)前脈沖個數(shù)是否有效，如果count+<0xffff，那么這個脈沖個數(shù)count=count，否則count=0重新計算;

6）然后處理脈沖寬度。若檢測到的脈沖寬度1 ms<plase

<1 000 ms，該脈沖為有效脈沖;

7）調(diào)用脈沖個數(shù)和脈沖寬度檢測函數(shù);

8）輸出當(dāng)前脈沖個數(shù)，脈沖寬度和當(dāng)前脈沖狀態(tài)。

確認信號上升沿和下降沿輸出能增加脈沖檢測裝置的適用性，為接下來脈寬判斷提供依據(jù)。確認脈沖信號上升沿還是下降沿后觸發(fā)相應(yīng)的脈寬檢測中斷，脈沖寬度處理采用500 us定時器中斷判斷。以下降沿信號為例，下降沿脈沖邊沿判斷方法見圖4，脈沖寬度及個數(shù)計算流程見圖5。當(dāng)脈沖確認信號為下降沿信號會觸發(fā)中斷，每500 us檢測一次，為防止抖動誤差，連續(xù)2次檢測為低電平點亮對應(yīng)通道的脈沖燈，相應(yīng)的脈沖寬度加1，當(dāng)檢測到高電平時，如果1 ms

<脈沖寬度<1 000 ms該脈沖為有用脈沖，當(dāng)前脈沖寬度更新，對應(yīng)通道的脈沖個數(shù)+1。否則該脈沖為無用脈沖，繼續(xù)下一次脈沖檢測。脈沖燈起指示作用，代表當(dāng)前檢測通道有脈沖輸入。脈沖指示燈由30 ms寄存器控制，檢測為有效脈沖后點亮，延時30 ms后熄滅。 上升沿信號檢測到高電平信號觸發(fā)脈沖個數(shù)和脈沖寬度計算，檢測流程同下降沿信號。

常用的脈沖檢測方法可選用表決法[5]、中斷方式或電平查詢方式采集[6]。本文采用的是中斷和查詢結(jié)合方式對脈沖計數(shù)，提高脈沖計數(shù)的精確性。采集裝置采用的是直接接入電表的方式，然后經(jīng)過硬件電路濾波處理得到規(guī)整的信號波形，軟件方面采用先判斷脈沖寬度在計算脈沖有效性，很好規(guī)避其余脈沖噪聲干擾。而且，計算脈沖采用先判斷輸出高低電平，確認脈沖方向后，再進行脈沖寬度和脈沖個數(shù)計算，這種方式能確保采集脈寬為有效脈寬，避免占空比較大時對脈沖誤判的情況。部分采集裝置僅就電平變化判斷脈沖個數(shù)[7]，僅判斷采集脈沖個數(shù)，無法確認脈沖輸出電平情況，也無法采集對應(yīng)的脈沖寬度，本文方法可規(guī)避這種情況。

3 測試結(jié)果分析

為了驗證所設(shè)計脈沖采集裝置的性能，本節(jié)進行了測試驗證及本產(chǎn)品性能分析。測試驗證不同規(guī)格的脈沖常數(shù)的電表輸出的脈寬和脈沖個數(shù)精確度。選取不同規(guī)格脈沖常數(shù)的表型8種。測試電壓和電流分別加1.3Un、1.2Imax輸出，上電約2個小時，計算輸出脈沖個數(shù)和脈沖寬度與脈沖采集裝置采集的數(shù)據(jù)做比對試驗，測試結(jié)果見下表1：

查看表1所示結(jié)果，本文設(shè)計采集裝置單位時間輸出脈沖小于60個/秒脈沖采集器均能正常采集，相比原有采集裝置單位時間輸出高于30個/秒會出現(xiàn)漏記，高于50個/秒不會記錄，本文方法始終將誤差控制在1個誤差范圍內(nèi)，測量脈沖寬度精度在1 ms范圍內(nèi)均可精確計算。電表實際要求計量脈沖輸出誤差在萬分之1，脈沖寬度只要求查看整數(shù)值，本文設(shè)計很好滿足電能表輸出脈沖測試要求。采集裝置能很好測量不同脈沖常數(shù)的各類規(guī)格電能表，說明本文方法適用于各類規(guī)格表型的脈沖個數(shù)和脈沖寬度采集。

4 結(jié)論

本文依據(jù)智能電表脈沖對脈沖精度和輸出脈沖檢測要求，設(shè)計出一款支持多路脈沖數(shù)據(jù)采集的脈沖檢測裝置。與其他的脈沖檢測裝置相比，本文設(shè)計支持脈沖個數(shù)和脈沖寬度的雙重檢測，適用各種規(guī)格電表的計量輸出脈沖性能測試，支持多路采集提高測試效率，而且適用電表的隨臺測試。測試結(jié)果表明，本文設(shè)計采集裝置為電能表計量輸出脈沖檢測提供應(yīng)用規(guī)范。當(dāng)前本文設(shè)計采集器已替代原有采集器用于各類電表測試中，數(shù)據(jù)記錄精確，運行穩(wěn)定。

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