可用于檢測單相或三相交流供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量檢測分析

PIC32微處理器的最大優(yōu)勢在于速度快、高性能、芯片集成度高和外圍接口豐富，并且目前 PIC32芯片的價(jià)格也只略高于單片機(jī)。在PIC32上可以移植無MMU的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，容易實(shí)現(xiàn)多任務(wù)調(diào)度，而且簡化了LCD顯示、硬盤存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)通訊等功能的開發(fā)，大大減少了產(chǎn)品的開發(fā)周期，同時(shí)系統(tǒng)更兼具了運(yùn)算能力強(qiáng)大的優(yōu)點(diǎn)。本方案不僅滿足設(shè)備具有較高處理速度和處理能力的要求，而且具備了實(shí)時(shí)處理能力，最后也考慮到了成本的問題。

三、系統(tǒng)硬件架構(gòu)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。它包括電壓電流信號(hào)調(diào)理模塊、PIC32處理器及外圍電路， LCD液晶顯示模塊，USB移動(dòng)存儲(chǔ)模塊，以太網(wǎng)接口通信模塊。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

通過微型電壓和電流互感器，將輸入的三相三路電壓信號(hào)和三路電流信號(hào)進(jìn)行信號(hào)調(diào)理，得到0~3V范圍的模擬信號(hào)，接入到PIC32內(nèi)置AD接口；因?yàn)閷?shí)際三相電的頻率與標(biāo)準(zhǔn)頻率會(huì)有一定誤差，所以需要對(duì)頻率進(jìn)行測量，鑒于六路信號(hào)是同頻率的，只需對(duì)其中一路信號(hào)頻率測量即可，設(shè)計(jì)中對(duì)Ua信號(hào)頻率進(jìn)行測量，通過一個(gè)施密特觸發(fā)器將正弦信號(hào)變換為矩形波，然后通過PIC32內(nèi)置的輸入捕捉功能進(jìn)行頻率測量。

連續(xù)每通道采集16個(gè)波形，共計(jì)128*16個(gè)點(diǎn)后，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理：周期計(jì)算、FFT變換，求取三相電的基波以及諧波幅值與頻率。然后用LCD顯示處理后的三相基波、諧波波形曲線。同時(shí)通以太網(wǎng)將采集到的數(shù)據(jù)傳送到PC機(jī)軟件進(jìn)行處理、分析、顯示、存儲(chǔ)。

3.1 電壓電流信號(hào)采集回路

模擬量的采集是對(duì)電網(wǎng)中電壓和電流的測量，經(jīng)互感器變換再經(jīng)調(diào)理后送給PIC32內(nèi)置A/D輸入端，電路圖如圖3(以電流輸入為例)所示，調(diào)整圖中反饋電阻R和r的值可得到所需要的電壓小信號(hào)輸出，R精度>1%。電容C1和r’是用來補(bǔ)償相移的。電容C2和C3是小電容，用來去耦合濾波；兩個(gè)反接的二極管是起保護(hù)運(yùn)放作用的。經(jīng)變換后的信號(hào)放大后再上拉就可以得到0～3V的單極性電壓(AD輸入范圍為：0～3.3V)，然后就可以送到芯片AD轉(zhuǎn)換器的輸入端進(jìn)行采樣。

圖3 電流信號(hào)調(diào)理電路

3.2 LCD液晶顯示模塊

設(shè)計(jì)中采用大屏幕液晶顯示屏，320×240 LCD帶背光，可以實(shí)時(shí)顯示電網(wǎng)的運(yùn)行電壓、電流、諧波、有功功率、無功功率、視在功率、通信信息等，用戶可以查看各種電參數(shù)和歷史記錄并可對(duì)儀器的某些參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

3.3 以太網(wǎng)接口模塊

以太網(wǎng)接口模塊使用PIC32內(nèi)置的帶MII和RMII接口的10/100Mbps以太網(wǎng)MAC。支持全雙工和半雙工工作，可連接同軸電纜和雙絞線，并可自動(dòng)檢測所連接的介質(zhì)，通過RJ45接口與以太網(wǎng)進(jìn)行通信。

3.4 USB移動(dòng)存儲(chǔ)模塊

USB移動(dòng)存儲(chǔ)控制器使用PIC32內(nèi)置的符合USB 2.0規(guī)范的全速設(shè)備和OTG (On-The-Go)控制器，主要用來存儲(chǔ)電網(wǎng)運(yùn)行參數(shù)記錄，用戶只需將U盤從USB口插入，選擇存儲(chǔ)功能即可。即插即用，操作簡單，使用方便，傳輸速率快，存儲(chǔ)容量不受限制。

四、系統(tǒng)軟件架構(gòu)

4.1 電參數(shù)測量

電參數(shù)測量首先要進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，本設(shè)計(jì)采用圖3所示的交流采樣，即將二次側(cè)的電壓電流經(jīng)高精度的電壓電流互感器變換成CPU可測量的交流小信號(hào)，然后再送入CPU進(jìn)行采樣處理。這種方法可對(duì)被測量的瞬時(shí)值進(jìn)行采樣、實(shí)時(shí)性好，相位失真小，解決了一般直流采樣中無法實(shí)時(shí)采樣，測量精度易受變送器的精度和穩(wěn)定性影響等缺點(diǎn)。

對(duì)電壓和電流諧波等電參量的測量采用FFT算法，其計(jì)算流程如圖4所示：

圖4 電參量計(jì)算流程

先對(duì)電壓和電流信號(hào)進(jìn)行采樣，得到16個(gè)周期的波形數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行FFT計(jì)算，得到基波和各次諧波的電壓值和電流值及其含量，然后計(jì)算諧波的總畸變率THD，然后計(jì)算出電壓和電流的有效值U、I及用功功率P、無功功率Q，再由P和Q計(jì)算視在功率S，進(jìn)而可得到線路的功率因數(shù)值以及其它參數(shù)值。

4.2 程序運(yùn)行流程

在電參量的運(yùn)算和系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)等問題解決之后，需要考慮程序運(yùn)行的總的結(jié)構(gòu)流程圖。程序在運(yùn)行之前首先要對(duì)硬件進(jìn)行初始化，并且要自檢以確保硬件部分無故障，為操作系統(tǒng)做好底層的準(zhǔn)備。然后是操作系統(tǒng)的初始化，創(chuàng)建任務(wù)主要是鍵盤檢測、按鍵處理、信號(hào)采樣數(shù)據(jù)處理及對(duì)這些任務(wù)的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行排序等。具體的流程見圖5所示.

圖5 程序運(yùn)行流程圖