基于ADuC812的三相電能設(shè)計

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)芯片；三相電能測量

引言
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)芯片ADuC812(以下簡稱ADuC812)是美國Analog Devices公司投入市場一款性能優(yōu)越微轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品，芯片內(nèi)集成了一個完全可編程的、自校準、高精度的模擬數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。對于ADuC812的ADC模塊采用硬件校正：出廠時對失調(diào)和增益誤差調(diào)整到最佳的性能，并把校準結(jié)果儲存在閃速存儲器中，由任何上電復(fù)位事件自動加載以便初始化ADC校正寄存器。這種在線校正特性能夠消除各種與系統(tǒng)和基準相關(guān)的誤差(無論是內(nèi)部基準或外部基準)。體積小、成本低、精度高和速度快是ADuC812顯著特點，這些特點使之在測量中的應(yīng)用前景非?？春?。我們研制的以ADuC812為CPU的三相電能測量系統(tǒng)，可以完成數(shù)據(jù)采集和三相電壓、電流、功率和電能的實時精確測量。

硬件電路
采用ADuC812構(gòu)成三相電能測量系統(tǒng)的硬件總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。
因ADuC812內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器接受的模擬電壓的輸入范圍為0~+VREF，故需設(shè)計6路電平和幅度調(diào)節(jié)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)，用來啟動ADC。利用ADuC812內(nèi)部模擬開關(guān)切換，使內(nèi)部12位A/D分時復(fù)用地分別對電壓、電流進行采樣。將三相U、I乘積累加，計算出電能，并將其乘系數(shù)K，每當(dāng)電能值達到0.1千瓦時，就通過一I/O口P3.4送出一個低頻脈沖。人機輸入的按鍵可方便地選擇數(shù)碼管顯示的量。為在系統(tǒng)研制階段方便地進行程序在線下載、在線調(diào)試及與PC機通訊，配有RS232接口。擴展32K字節(jié)外部數(shù)據(jù)區(qū)RAM(IS61C256)可保存大量的原始A/D采樣數(shù)據(jù)。圖2給出了幅度與電平調(diào)整的電路。

圖1 ADmC812電能測量系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)框圖

圖2 幅度與電平調(diào)整電路

圖3 主程序流程圖

軟件設(shè)計
系統(tǒng)軟件設(shè)計的主要任務(wù)是完成六路信號的數(shù)據(jù)采集、三相電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數(shù)以及電能的實時計算，檢測按鍵并把計算結(jié)果送數(shù)碼管顯示。
軟件算法處理
在研制的新型三相電能測量系統(tǒng)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，并實時計算每周波內(nèi)各相電壓有效值U、電流有效值I、有功功率值P、無功功率Q、功率因數(shù)cosj和電能W，將其值送數(shù)碼管進行顯示，實時計算三相電壓、電流乘積累加和，每到0.1千瓦時通過一I/O口送出一個脈沖，同時也送數(shù)碼管顯示總的電能值。其各項計算公式見式(1)、(2)、(3)、(4)、(5)和(6)。式中N為每周波的采樣點數(shù)，u、i為A/D采集的電壓、電流的瞬時值，∞表示一直在計算電能。其次，為了保證計算的精度，各項指標(biāo)的計算采用滑動濾波。

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

軟硬件混合啟動A/D轉(zhuǎn)換設(shè)計
設(shè)計任務(wù)書是在保證精度大于1％的前提下，能夠?qū)崟r采集和計算完六路信號各項指標(biāo)。ADuC812是高集成度低價格芯片，性價比高，通過內(nèi)部的模擬開關(guān)切換，盡管只有一片A/D轉(zhuǎn)換器，利用分時復(fù)用可實現(xiàn)對6路信號的數(shù)據(jù)采集。傳統(tǒng)測量中多采用硬件啟動A/D轉(zhuǎn)換，若本測量系統(tǒng)也全部采用硬件啟動，則硬件電路開銷大。為了使硬件電路簡單，同時也要降低成本，從設(shè)計優(yōu)化方面考慮，提出了采用軟硬件結(jié)合在一起混合啟動A/D進行轉(zhuǎn)換的設(shè)計思想。首先，第一路信號由外部管腳啟動ADC；其次，隨后的五路信號用軟件控制，由ADuC812內(nèi)部定時器2的溢出位用作A/D轉(zhuǎn)換起始觸發(fā)脈沖輸入。
由于ADuC812的指令周期在微秒級，且計算指標(biāo)多，故在滿足精度要求的前提下，根據(jù)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ADC轉(zhuǎn)換完后，緊接著在A/D中斷服務(wù)程序內(nèi)啟動ADuC812內(nèi)部定時器2，讓定時器2的溢出位用作A/D轉(zhuǎn)換起始觸發(fā)脈沖輸入，啟動隨后的5路信號。此時，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(nèi)，采用ADCI服務(wù)程序消耗的時間加A/D轉(zhuǎn)換的時間為軟件啟動的采樣周期100ms(即10kHz)，這樣信號間的延時在實際情況下達到最小，以此計算出同相電壓、電流的相對延時約為0.5％。
在ADCI中斷服務(wù)程序完成如下工作：首先關(guān)中斷，讀取A/D轉(zhuǎn)換值存入內(nèi)部數(shù)據(jù)區(qū)，判斷是否對6路信號各采完一個點，已完成則送出6個數(shù)據(jù)點到外部數(shù)據(jù)區(qū)供主程序計算用；然后進入通道選擇完成模擬開關(guān)的切換；最后開中斷并返回。

結(jié)語
通過多次測試，我們發(fā)現(xiàn)這一基于ADuC812技術(shù)的新型電能測量系統(tǒng)能達到預(yù)定的實時采樣要求：能對每周波精確倍頻采樣，并能實時處理。采用JWD-2型便攜式數(shù)控交流穩(wěn)壓電源作為輸入信號源，通過與EWH102M標(biāo)準功率電能表 0.1級三相功率標(biāo)準電能表進行比對,發(fā)現(xiàn)這一基于ADuC812技術(shù)的新型電能測量系統(tǒng)能達到千分之五的精度，但儀器成本極低。因此，其市場前景非常廣闊。
參考文獻
1 MicroConverter,Multichannel 12-Bit ADC With Embedded Flash MUC ADuC812(2001)(Analog Devices)
2 劉書明、馮小平，數(shù)據(jù)采集第統(tǒng)芯片ADuC812原理與應(yīng)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(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計 系統(tǒng)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—時域與頻域分析，華中理工大學(xué)出版社.1998年12月