关键字 |
| 包括电流互感器(CT)， KEIL和FLASH软件，单片机，光电耦合器，PCC(公共耦合点)，肖特基二极管，SPI(串行外围接口)通信，分压器。 |
介绍 |
| 最精确测量电力和能源的基本仪器是数字电表。它们使用电压和电流样本的数字乘法，从一个具有多路输入的A/D转换器接收，或者对每个输入信号使用单独的A/D转换器。这种仪器的优点是显而易见的:精度高，短期和长期的稳定性，复杂的净参数测量，远程自动化数据处理的可能性，自动校准，安全等许多其他功能，由此产生的基于微处理器的数字系统的可能性。随着数字信号处理器计算能力的提高，电网信号的无功功率、视在功率、相移、功率因数和频谱的测量也变得简单。电表的一个重要特性是其准确性。它取决于模拟输入电路的准确性，采样过程本身的准确性，A/D转换的准确性和数字计算的准确性。在数字采样电能表中，通过数字信号处理可以简单地消除测量误差。在这种情况下，主要问题是这些处理测量信号的部件参数的稳定性。模拟输入电路必须使用高度稳定的元件。数字电表有多种误差校正方法。 Most of these methods use software correction based on calibration process. Digital electricity meters have different measurement and communication possibilities and different prices. The accuracy of the best instruments is of the order 0.01 %. |
| 该仪器能够测量所有基本的三相净参数(电压和电流的有效值、有功功率、无功功率和视在功率因数、频率和传递到负载的能量)。它可以利用FFT计算频谱。所设计的功率能量测量仪器框图如图1所示。模拟部分包含用于感知和调节净电压和电流的电路。MAXQ3183的DSP部分以数字形式进行必要的计算和信号处理。它还包含通过D/ a转换器块输出的三相信号生成软件和与测量功率成比例的频率输出。 |
测量系统 |
| 提出了一种基于单片机的电能表，该电能表能够实现电力公司对空间分布用户的电力供应进行监控。它有一个主设备，可以隔离或恢复对任何客户的电力供应，并具有远程计费功能。该仪表作为检查仪表，以检测仪表篡改。此外，计量系统可以收集和处理数据，并可以检测到异常的负载分布表明窃电。 |
参考设计 |
| MAXQ3180有三个电压通道，四个电流通道和一个内部温度测量通道。MAXQ3180参考设计使用电阻分压器进行电压感知，使用电流互感器进行电流感知。 |
| 电压电流传感连接图如图2所示。引脚电压如图3所示。MAXQ3183不得超过如下所示: |
| 绝对最大额定 |
| DVDD上的电压范围相对于DGND .........-0.3V到+4.0V |
| AVDD上的电压范围相对于AGND..........-0.3V到+4.0V |
| AGND上的电压范围相对于DGND .........-0.3V到+0.3V |
| AVDD上的电压范围相对于DVDD ..........-0.3V到+0.3V |
| 任何引脚上的电压范围相对于 |
| DGND除了VxP IxN别针 ..............................- 0.3 v至+ 4.0 v |
变量描述 |
| VFS电压传感器值，单位为伏特。交流电压输入幅值在MAXQ3180的电压输入管脚上产生VREF/2 (~1.024V)伏特。该MAXQ3180参考设计采用了由545kΩ (8 × 68 + 1)和1kΩ组成的分压器，其VFS = 545/1 × (2.048/2) = 558.08 ~ 558 (V)。 |
| IFS电流传感器比安培。交流电流输入幅值会在MAXQ3180的电流输入管脚上产生VREF/2 (~1.02V)伏特。本参考设计使用一次/二次比= 2500的电流互感器，负载电阻值为660Ω。因此itÃⅰÂ ' Â ' s IFS = 1.024 × 2500/660 = 3.857。~ 4 (a)。 |
| VLSB虚拟电压寄存器的LSB为nV。VLSB = 1表示虚拟电压寄存器中的值为1，因此(V.X, X = a, B, C)表示1nV。 |
| ILSBnA中虚拟电流寄存器的LSB为VLSB = 1表示虚拟电流寄存器中的值为1，因此(I.X, X = a, B, C)表示1nA。 |
| PLSBLSB用于nW中的虚拟功率寄存器，VLSB = 1表示虚拟功率寄存器中的值为1，因此(PWRP. LSB = 1)。X, PWRQ。X, pwr。X, PWRPF。X, PWRQF。X, PWRSF。X, X = A, B, C)表示1nW |
SPI通信 |
| 串行外围接口总线或SPI总线是一种以全双工模式运行的同步串行数据链路标准。设备以主/从模式通信，主设备发起数据帧。允许多个从设备使用单独的从选择(芯片选择)线路。有时SPI被称为“四线”串行总线，与三线、两线和一线串行总线形成对比。 |
操作 |
| SPI总线可以与单个主设备和一个或多个从设备一起操作。如果使用单个从设备，如果从设备允许，SS引脚可以固定到逻辑低。由于我们的硬件中使用的是单从，所以我们把它的逻辑降低了。要开始通信，主机首先配置时钟，使用一个小于或等于从设备支持的最大频率的频率。这些频率通常在1 - 70mhz范围内，为了正常的通信操作，主控机使用的SPI时钟频率必须小于或等于MAXQ3183â '  ' s时钟频率除以4。例如，当MAXQ3183运行在8MHz时，SPI时钟频率必须为2MHz或更低。如果MAXQ3183在LOWPM模式下运行(或者晶体仍在升温)，SPI时钟频率必须保持在250 kHz或更低，才能进行正确的通信操作。然后主控制器将从控制器拉低到所需的芯片。如果需要等待一段时间(例如模拟到数字转换)，则主服务器必须至少等待该段时间才能开始发出时钟周期。在每一个SPI时钟周期中，发生全双工数据传输:主机在MOSI线上发送一个比特; the slave reads it from that same line the slave sends a bit on the MISO line; the master reads it from that same line |
| 并非所有的传输都需要这四种操作都有意义，但它们确实会发生。传输通常包含两个给定字大小的移位寄存器，例如8位，一个在主寄存器，一个在从寄存器;它们连接成一个环。数据通常先将最高有效位移出，同时将新的最低有效位移入同一寄存器。在该寄存器移出之后，主服务器和从服务器交换了寄存器值。然后每个设备获取该值并对其进行处理，例如将其写入内存。如果有更多的数据要交换，则移位寄存器加载新数据，并重复此过程。 |
| 在主模式下，当用户代码写入SPIDAT寄存器时，SCLOCK引脚始终是一个输出，并生成八个时钟的突发。SCLOCK比特率由SPICON中的SPR0和SPR1决定。还要注意，SS引脚不在主模式下使用。如果部件需要在外部从设备上断言SS引脚，则应该使用端口数字输出引脚。在主模式下，字节传输或接收由对SPIDAT的写操作启动。八个时钟周期通过SCLOCK引脚生成，SPIDAT字节通过MOSI传输。 |
| 对于每个SCLOCK周期，还通过MISO对数据位进行采样。8个时钟后，传输的字节将完全传输，而输入字节将在输入移位寄存器中等待。ISPI标志将被自动设置，如果启用，将会发生中断。移位寄存器中的值将锁存到SPIDAT中 |
时钟极性和相位 |
| 除了设置时钟频率外，主机还必须配置有关数据的时钟极性和相位。对于CPHA=0，数据在时钟的上升沿(低→高跃迁)捕获，数据在下降沿(高→低时钟跃迁)传播。对于CPHA=1，数据在时钟的下降沿上捕获，数据在上升沿上传播。当CPHA=0时，时钟的基值为1 (CPOL=0的反转)，数据在时钟的下降沿捕获，数据在上升沿传播。对于CPHA=1，数据在时钟的上升沿上捕获，数据在下降沿上传播。也就是说，CPHA=0表示前(第一个)时钟边缘上的样本，而CPHA=1表示后(第二个)时钟边缘上的样本，无论该时钟边缘是上升还是下降。注意，当CPHA=0时，数据必须在第一个时钟周期之前的半个周期内保持稳定。对于所有的CPOL和CPHA模式，在芯片选择线激活之前，初始时钟值必须稳定。 |
读写过程 |
| MAXQ3183上定义的每个寄存器都有一个12位地址(从0到4095)。当为读或写操作寻址寄存器时，使用此地址。地址0到1023 (000h到3FFh)用于寻址RAM寄存器。地址从1024到4095 (400h到FFFh)的寄存器用于虚拟寄存器和特殊命令寄存器。每个命令由读/写命令代码、数据长度(1、2、4或8字节)、12位寄存器地址和指定的数据字节数组成，后面可选地跟着循环冗余检查(CRC)。由于SPI是一个全双工接口，在命令执行过程中，主服务器和从服务器都必须传输相同数量的字节。当读或写一个多字节寄存器(2/4/8字节长度)时，命令中最不重要的字节先读或写。每个事务都从主机发送2个字节开始，其中包含命令(读或写)、要访问的地址和要传输的字节数。每个SPI外设必须为它接收的每个字节返回一个字节。如果主机从MAXQ3183读取1个或更多字节，它必须在接收对请求的多字节响应的周期内发送虚拟字节，以满足“发送字节以获取字节”的要求。 But the MAXQ3183 could require time to calculate the result, and thus might not have it ready when the master sends the dummy byte. For this reason, the MAXQ3183 always sends zero or more bytes of a NAK character (0x4E or ASCII „NâÂÂ) followed by an ACK character (0x41, or ASCII „AâÂÂ) before sending the data. If the master is writing 1 or more bytes, it sends the data to be written immediately after sending the command. The MAXQ3183 returns ACK (0x41) for each data byte. It then returns NAK (0x4E) until the write cycle is complete, after which it returns a final ACK. |
寄存器 |
| SPCR (SPI控制寄存器)/SPCTL值:SPCTL=0x51 |
| SPCFG SPI配置寄存器地址:0xAAh值:0x00h |
| SPDAT SPI数据寄存器地址:0x86h |
| 当SPDAT寄存器得到一些值时，单片机将产生8个脉冲的SPI时钟。有关这些寄存器的详细信息可以在P89V51RD2 Microcontroller datasheet[1]中找到。 |
串行通信 |
| 串行通信是指数据可以使用单路径在单路径上传输。这是用来将数据从一个站传送到另一个站的。300波特率用于数据传输，并按以下方式连接。以下寄存器用于设置波特率和制作发送和接收数据的代码: |
| ïÂ‑·SCON: Address: 0x98H Value: 0x50H |
| ïÂ‑·TMOD值:0x20H |
| 关于这些寄存器的详细信息可以在P89V51RD2 datasheet[1]中看到。 |
部件选型和系统设计 |
| 前面讨论的基本系统使用了以下组件:- |
| (1)单片机(P89V51RD2) |
| (2) Maxq3183 |
| 传感器(电流互感器CT1052) |
| (4) Opt耦合器(6N137) |
| (5)滤波器(RC无源低通滤波器) |
| (6)分压器 |
| (7)肖特基二极管 |
| (8)液晶 |
| (9) RS232驱动 |
| 电流传感器比(ITR) = CT_N/ (2 × R) = 2000/ (2 × 10) =100 (A/V)， IFS = 102.4A |
| 电压传感器比(VTR) = (R1 + R2)/R2 = 545, VFS = 558.1V。 |
| 16x2 LCD，即16个字一行，2行可显示数据，用于显示单片机从MAXQ3183接收的数据。Pot(可变电阻)用于设置0.180V dc附近的对比电压，单片机的0号端口用于单片机到LCD的数据传输，2号端口用作控制引脚。采用RS-232驱动电路将调制解调器与主机microcontrollerÃⅱÂ′Â′s串口连接。串口用+15V表示二进制“1”，用-15V表示二进制“0”。RS-232驱动电路将这些电压转换为+5V和0V二进制表示，适用于调制解调器的其余部分。该电路基于专用IC, MAXIM RS-232CPE线路驱动IC |
结果 |
| 在KEIL软件中成功开发了单片机与能源计量芯片MAXQ3183的SPI通信代码，并制作了其十六进制文件。这个十六进制文件进一步燃烧到微控制器使用Flash程序员。这使得电能表可以知道电源的各种参数。通过在共联轴器与负载端连接点或发电点与PCC连接点进行参数比较，成功地估计了漏电率。硬件能够测量电压、电流、功率等各种参数，通过串行通信将数据从负载端发送到耦合端，并比较其功率，判断窃电发生的相位。将Maxq3183读数与FLUKE功率分析仪进行比较，估计误差如下图所示。 |
结论 |
| 单片机与Maxim芯片接口形成仪表。仪器的模拟部分由三个电压和电流通道的信号传感和调节电路组成。数字部分包括与键盘相连的微控制器板、液晶显示器、到计算机的串行接口、用于必要计算的板以及用于每个电压和电流信号的单独电压和电流通道。采用Maxim MAXQ3183设计了一套功能强大的测量系统。简要介绍了误差来源和误差修正。为克服测量误差，进行了简单的电流和电压校准。将简化计算的结果误差与功率分析仪的实际读数进行比较，并显示精度为十分之一。 |
确认 |
| 该设置由L M Saini博士在NIT kurukshetra设置的MHRD实验室创建。作者要感谢K S Sandhu博士，HOD, EED, NIT kurukshetra为建立这个设置提供了安排。 |
表格一览 |
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数字一览 |
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参考文献 |
- MAXQ3183, P89v51rd2, CT1052, 6N137数据表。
- 由kenneth Tang设计的使用MAXQ3180/MAXQ3183 AFE的电能表参考设计。应用说明4663。
- 如何在MAXQ3180单片机上使用SPI。本·史密斯著。应用说明:4246。
- 从MAXQ3180开始:配置寄存器。本·史密斯著。应用说明:4642。
- 肖特基二极管的应用说明。
- 书名为“8051微控制器和嵌入式系统”由穆罕默德·阿里·马兹迪。第二版2008-2009年。
- 电力线信道特性及其对通信系统设计的影响，发表在国际期刊《高级工程与应用》上，ArchanaAggarwal, R Singh, NelooferAfzal。发表在国际先进工程与应用杂志上。135-137页，2011年1月
- 三相电路容量2 EE，模块5，第20课，和IIT Kharagpur的功率测量。
- F. Leens，“I2C和SPI协议介绍”，IEEE仪器与测量杂志，第8-13页，2009年2月
- 彭志伟，杨晓明，基于微处理器的数据采集系统的设计与实现，电子工程学报，2012,29 (4):366 - 366
- Md. MejbaulHaque, Md. Kamal Hossain, Md. Mortuza Ali, Md. Rafiqul Islam Sheikh，基于单片机的单相数字预付费电能表的改进计量和计费系统，国际电力电子与驱动系统杂志(IJPEDS)第1卷，第2期，2011年12月，139~147页
- Gaetano Pasini, Lorenzo Perreto, Elisa Pivello, Roberto Tinarelle，多功能能量计量IC在正弦和非正弦条件下的性能评估。电能质量与利用，《电力科学》2007年第1期。
- 王志强，王志强，基于AVR微控制器的预付费电能表，中国机械工程，Vol. 1, Issue 4, pp.1879-1884
- Saptarshi De, Rahul Anand, A Naveen和SiratMoinuddin，“用于检查能源盗窃的电子计量解决方案，简化印度的税收”，学生成员，IEEE, 2003年。
- Ashok Kumar Rajput，基于Labview的两种瓦特计方法的三相有功、无功和视在功率的仿真测量，印度工程杂志，第3卷，no。2013年5月7日。
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