專利名稱：數(shù)值電能表的采樣方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種儀器儀表技術(shù)領(lǐng)域的方法，具體是一種降低電能表的硬件成本的數(shù)值電能表的采樣方法。
背景技術(shù)：
與機械式感應(yīng)電能表相比，數(shù)字電能表具有精度高、使用方便、能夠工作在惡劣的環(huán)境中、能與計算機遠程通訊、便于管理等優(yōu)點，逐漸代替機械式感應(yīng)電能表。數(shù)字電能表以微處理器為核心，把電壓信號和電流信號離散化，計算有用功率。無論對于單相電路還是三相電路，在計算功率時都要求不能改變電壓信號與電流信號之間的相位關(guān)系，否則會造成功率計算的誤差。而現(xiàn)有的A/D轉(zhuǎn)換器和帶有A/D轉(zhuǎn)換的微處理器雖然有多個通道的A/D轉(zhuǎn)換，但是實質(zhì)上都只有一個A/D轉(zhuǎn)換，由軟件控制通過模擬開關(guān)在各個通道之間進行切換，分時轉(zhuǎn)換。如果不采取適當(dāng)?shù)拇胧珹/D的轉(zhuǎn)化時間(幾十微妙到幾百微妙)和轉(zhuǎn)換結(jié)果的讀取時間會造成電壓信號與電流信號之間的相位偏移。
為了保證電壓信號與電流信號的同步性，從現(xiàn)有的專利資料和文獻看，主要通過硬件來解決這個問題。
經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)的文獻檢索發(fā)現(xiàn)，中國專利申請?zhí)枮?7100552.4的專利，該專利采用采樣保持器LF398保證電流信號與電壓信號的同步，由微處理器的I/O口(輸入/輸出口)控制LF398保持電流信號和電壓信號在同一個時刻的值，用一個A/D轉(zhuǎn)換器分時對保持的信號進行采樣。這種方法能夠保證電壓和電流信號的完全同步，但是采樣保持芯片LF398的成本相當(dāng)高，對于低成本的電能表是不現(xiàn)實的，尤其對于實現(xiàn)多通道的數(shù)字電能表。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種降低數(shù)字電能表成本的數(shù)值電能表的采樣方法，使其不需要采用背景技術(shù)中所提及的保證電壓信號與電流信號之間相位關(guān)系所需要的硬件，而保證電壓信號與電流信號的相位關(guān)系基本不變，以確保有用功率計算的精度。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的，本發(fā)明采用具有8個通道A/D轉(zhuǎn)換的微處理器，電壓互感器和電流互感器拾取的信號為交流電信號，交流電信號經(jīng)過運算放大電路轉(zhuǎn)化成0-5V的直流信號直接送往微處理器的A/D轉(zhuǎn)換接口，其中，采用微處理器A/D轉(zhuǎn)換器的直接存儲器存取采樣模式對電壓信號和電流信號進行采樣。
為了保證電壓信號與電流信號之間的相位關(guān)系，采用微處理器的DMA采樣模式。微處理器的DMA采樣模式在啟動采樣后不受CPU的控制，微處理器的A/D采樣模塊自動完成事前設(shè)定通道的采樣，A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果自動保存到外部數(shù)據(jù)存儲器空間，不需要CPU花時間讀取采樣結(jié)果，從而可以消除由于讀取采樣結(jié)果產(chǎn)生的電壓信號與電流信號之間的相位偏移。微處理器DMA采樣模式的A/D轉(zhuǎn)換率為420K，也就是A/D轉(zhuǎn)換時間為2.38us。對于50Hz的工頻電，A/D轉(zhuǎn)換時間造成電壓信號與電流信號的相位偏移極小，僅為2.57分，由于該方法消除了讀取采樣結(jié)果所花費的時間，所以此相位偏移值即為總的相位偏移值。
本發(fā)明的方法不需要更多的硬件資源，通過直接存儲器存取采樣方法和合理的采樣順序來保證電流和電壓信號的同步。在保證電能測量精度的情況下，降低了數(shù)字電能表的成本，尤其是對于多通道的數(shù)字電能表。


圖1 DMA模式下外部數(shù)據(jù)存儲器的初始化。
圖2單相兩線硬件框圖，圖中，1---電壓互感器，2---電流互感器。
圖3三相三線硬件框圖，圖中，3---電壓互感器，4---電流互感器。
圖4單相兩線采樣示意圖，圖中，5，5a---電壓信號；6，6a---電流信號。
圖5三相三線采樣示意圖，圖中，7，7a----線A、線B之間的線電壓信號uAB；8，8a---線A電流信號iA；9，9a----線C、線B之間的線電壓信號uCB；10，10a---線C電流信號iC。
具體實施例方式
下面以單相兩線電路和三相三線電路為例，介紹本發(fā)明的具體實施過程。
目前，數(shù)字功率表計算功率，主要通過以下兩個公式。
對于單相兩線電路，有用功率的計算公式如下
P=1NΣi=1Nui*ii]]>式中ui----電壓信號瞬時值ii----電流信號瞬時值N----一個周期內(nèi)的采樣點數(shù)對于三相三線電路，當(dāng)采用兩瓦法測量功率時，有用計算功率如下P=P1+P2=1NΣi=1NuABiiAi+1NΣi=1NuCBiiCi]]>式中uABi----線A、線B之間的線電壓uCBi----線C、線B之間的線電壓iAi----流過線A的電流iCi----流過線C的電流從以上有用功率計算公式看，對于單相兩線電路，要求電壓信號與電流信號為同一時刻的瞬時值。對于三相三線電路，只需要求uABi和iAi、uCBi和iCi為同一時刻的瞬時值即可，不需四個電信號為同一時刻。
對于三相三線電路，只要求uABi和iAi、uCBi和iCi為同一時刻的瞬時值即可，所以在設(shè)定直接存儲器存取采樣順序時，采樣順序為uABi、iAi、uCBi、iCi。這樣誤差只來源于uABi和iAi、uCBi和iCi之間的相位偏移。
在啟動DMA采樣前，必須要先對外部數(shù)據(jù)存儲器進行初始化，裝載電壓信號和電流信號所在的A/D轉(zhuǎn)換通道到外部數(shù)據(jù)存儲器。圖1(a)和圖1(b)分別表示單相兩線電路和三相三線電路時外部數(shù)據(jù)存儲器的初始化。外部數(shù)據(jù)存儲器奇數(shù)地址的高四位初始化為電壓信號和電流信號所在的A/D轉(zhuǎn)換通道。同時初始化DMA模式地址指針指向外部數(shù)據(jù)存儲器空間。啟動A/D轉(zhuǎn)換后，轉(zhuǎn)換的結(jié)果自動存放到外部數(shù)據(jù)存儲器偶數(shù)地址和奇數(shù)地址的低四位。
如圖2為單相兩線的硬件框圖，電壓和電流信號分別經(jīng)過電壓互感器1和電流互感器2拾取后，送到由運算放大器組成的電壓信號處理電路和電流信號處理電路，把交流信號變換成0-5V的直流信號。該直流信號不需采樣保持電路，直接送到微處理器的A/D轉(zhuǎn)換器。遠程網(wǎng)絡(luò)接口是電能表通過Internet和外界交換信息的接口電路。
圖3為三相三線的硬件框圖，采用兩瓦法計算三相三線的有用功率。所以通過電壓互感器3和電流互感器4分別拾取線A與線B之間電壓信號uAB、線A與線B之間uCB、線A電流信號iA和線C電流信號iC，同樣把轉(zhuǎn)化后0-5V的直流信號直接送到微處理器的A/D轉(zhuǎn)換器。
圖4為硬件電路處理后單相兩線電路的電壓信號和電流信號，圖4(b)為圖4(a)中第一周波的放大。以電壓信號5為基準，在電壓信號5的第一個周波采樣電壓信號5和電流信號6的瞬時值，并保存采樣的瞬時值到外部SRAM空間。在電壓信號5的第二個周波到第N個周波之間根據(jù)采樣的瞬時值計算有用功率并處理電能表與遠程的通訊。整個的采樣處理過程如下(1)初始化外部中斷，硬件電路在電壓信號過零(從負到正)時刻觸發(fā)微處理器的外部中斷，計數(shù)周波數(shù)；初始化微處理器的定時器，定時時間為圖3中的ΔT時間，為自動重裝載模式，定時到產(chǎn)生定時器中斷；初始化微處理器的A/D轉(zhuǎn)換，設(shè)定A/D轉(zhuǎn)換為DMA模式，DMA模式下轉(zhuǎn)換的順序為電壓信號5和電流信號6對應(yīng)的A/D通道。
(2)當(dāng)判斷為第一個周波時，啟動微處理器的定時器。定時時間到產(chǎn)生中斷，定時器中斷程序中啟動DMA采樣，對電壓信號和電流信號進行采樣，并自動保存采樣值到外部SRAM空間。定時器重裝載模式在第一個周波重復(fù)啟動定時器，從而連續(xù)對電壓和電流進行采樣。
(3)當(dāng)判斷不是第一個周波時，根據(jù)采樣的電壓信號和電流信號瞬時值計算有用功率。
(4)重復(fù)上面的步驟(2)、(3)，循環(huán)計算有用功率，刷新有用功率顯示。
圖5為硬件處理后三相三線電路的電壓信號和電流信號，圖5(b)為圖5(a)中第一周波的放大。與圖4中的單相兩線相比，由于三相三線采樣兩瓦法計算功率，所以多采樣兩個信號線C和線B之間電壓信號9、線C電流信號10。以線A和線B之間電壓信號7為基準計算周波數(shù)。在設(shè)定A/D的DMA采樣時，采樣的順序為線A和線B之間電壓信號7、線A電流信號8、線C和線B之間電壓信號9、線C電流信號10。
以上所述的微處理器，可以采用微處理器ADuC841，是美國Analog Device公司生產(chǎn)的8051內(nèi)核的單片機，和普通的具有8051內(nèi)核的微處理器相比，其具有以下特點單周期指令，提高數(shù)據(jù)處理的速度；8路A/D轉(zhuǎn)換具有DMA(直接存儲器存取)采樣模式。
所述的運算放大電路，可以采用TLC2274芯片，該芯片TI公司生產(chǎn)的四路高性能軌對軌運算放大器，具有低噪聲、高輸入阻抗，尤其適合處理電壓互感器和電流互感器輸出的小信號。
權(quán)利要求
1.一種數(shù)值電能表的采樣方法，其特征在于采用具有8個通道A/D轉(zhuǎn)換的微處理器，電壓互感器和電流互感器拾取的信號為交流電信號，交流電信號經(jīng)過運算放大電路轉(zhuǎn)化成0-5V的直流信號直接送往微處理器的A/D轉(zhuǎn)換接口，其中，采用微處理器A/D轉(zhuǎn)換器的直接存儲器存取采樣模式對電壓信號和電流信號進行采樣。
2.如權(quán)利要求1所述的數(shù)值電能表的采樣方法，其特征是所述的微處理器A/D轉(zhuǎn)換器的直接存儲器存取采樣模式中，A/D采樣模塊自動完成事前設(shè)定通道的采樣，A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果自動保存到外部數(shù)據(jù)存儲器空間，微處理器DMA采樣模式的A/D轉(zhuǎn)換率為420K。
3.如權(quán)利要求1或者2所述的數(shù)值電能表的采樣方法，其特征是當(dāng)采樣三相三線電流時，直接存儲器存取模式采樣的順序為線A和線B之間的電壓、線A的電流、線C和線B之間的電壓、線C的電流。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種儀器儀表技術(shù)領(lǐng)域的數(shù)值電能表的采樣方法，采用具有8個通道A/D轉(zhuǎn)換的微處理器，電壓互感器和電流互感器拾取的信號為交流電信號，交流電信號經(jīng)過運算放大電路轉(zhuǎn)化成0－5V的直流信號直接送往微處理器的A/D轉(zhuǎn)換接口，其中，采用微處理器A/D轉(zhuǎn)換器的直接存儲器存取采樣模式對電壓信號和電流信號進行采樣。本發(fā)明由于A/D轉(zhuǎn)換造成的電壓信號和電流信號之間的相位偏移極小，僅為2.57分，能夠保證有用功率具有較高的精度。當(dāng)采樣三相三線電路時，DMA模式采樣的順序為u
文檔編號G01R22/06GK1888917SQ200610029680
公開日2007年1月3日 申請日期2006年8月3日 優(yōu)先權(quán)日2006年8月3日
發(fā)明者丁漢, 張波, 陶波, 丁燁, 石田耕一 申請人:上海交通大學(xué), 大金工業(yè)株式會社