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[導(dǎo)讀]介紹了一種基于ADE7755的帶CAN總線的工業(yè)用電量計量方案。為了實現(xiàn)能夠適應(yīng)運行環(huán)境惡劣的工業(yè)場合應(yīng)用的目的,結(jié)合ADE7755本身的抗干擾性,搭建了ADE7755的外圍電路和相應(yīng)的濾波電路。通過搭建P87C591外圍電路和CAN總線收發(fā)電路,實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、電量運算和利用CAN總線實現(xiàn)機間通信的功能。通過電源部分電路的搭建,實現(xiàn)了給系統(tǒng)提供+5V和+2.5V基準(zhǔn)電源。除提供了上述各部分的硬件電路外,還給出了CAN總線的初始化程序。在經(jīng)過了實驗室試驗后,利用本方案制成的電度表正在電力機車上進行進一步的試驗。

引言

隨著計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、專用集成芯片技術(shù)和現(xiàn)場總線技術(shù)的不斷發(fā)展,對工業(yè)用電度表的計量精度和電量數(shù)據(jù)傳輸實時性的要求在不斷提高。我國目前電力機車上裝備的電度表基本上都是傳統(tǒng)的機械式電度表,雖然機械式電度表存在抗干擾和抗震動性好的優(yōu)點,但是其精度差,電量數(shù)據(jù)需要人為讀數(shù)不能實時傳輸?shù)缺锥恕榱烁倪M現(xiàn)有機車上使用的電度表,根據(jù)美國AD公司推出的電量計量專用芯片ADE7755,提出了一種新型的電量計量方案。根據(jù)本方案設(shè)計的電度表除具有精度高、抗干擾和電量數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r傳輸?shù)墓δ芡?,還具有可以修改電度表初值的優(yōu)點。

硬件電路設(shè)計

目前廣泛使用機械式、電磁型和機電型等電度表普遍存在一個不能實時傳輸電量數(shù)據(jù)的缺陷,且各自又有或精度差或抗干擾能力差等弱點。作者結(jié)合當(dāng)前普遍流行的現(xiàn)場總線技術(shù)和AD公司的ADE7755電量計量專用芯片以及飛利普公司的P87C591單片機,提出了一種能實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時傳輸且具有抗干擾能力的電量計量方案??傮w電路框圖如圖1所示:


圖1 總體電路框圖
  
圖1中,由PT和CT在電網(wǎng)中測得相應(yīng)的電壓和電流信號,送到ADE7755中進行電量計算,算出來的功率值分兩種,一種是低頻的平均功率值,送往機電式電度表用于顯示;另一種是高頻瞬時功率值,送入帶CAN總線控制器的P87C591單片機,根據(jù)上位機的要求算出目前使用的電量值,并通過CAN總線,與上位機之間實現(xiàn)通信。

其中電壓輸入通道(V2N,V2P)輸入電壓信號是PT測得的電壓信號在經(jīng)過預(yù)防電磁干擾作用的鐵氧體和衰減網(wǎng)絡(luò)后進入的。

在電流和電壓信號的輸入端,進行了相應(yīng)的濾波處理,以增強抗干擾能力。

ADE7755工作原理
若電壓U(t)和電流I(t)均為正弦波,且:

則瞬時功率P(t)為

平均功率P為:

ADE7755是一種采用電壓和電流直接相乘的方法得到瞬時有功功率,再由瞬時有功功率求出平均有功功率。如圖2所示,由電壓傳感器和電流傳感器得到電壓和電流信號分別經(jīng)兩路A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送入電壓通道V2N、V2P和電流通道V1N、V1P。電流通道中的高通濾波器是用來濾除電流分量中的直流電流,以便減小電流直流分量對瞬時有功功率計算的影響。經(jīng)濾波后的電壓和電流信號經(jīng)乘法器相乘后,所得的信號經(jīng)低通濾波器后濾掉交流分量后,得到的直流分量就是瞬時有功功率。此信號經(jīng)過數(shù)頻轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成與平均有功功率成正比的低頻信號經(jīng)過F1、F2端口輸出,同時從高頻口CF輸出與瞬時有功功率成正比的脈沖信號。低頻端口F1和F2的輸出脈沖頻率freq與高頻端口CF輸出脈沖頻率fCF可由下式確定:

其中系數(shù)Gin為輸入增益,F(xiàn) 1-4為可由主時鐘CLKIN獲得的分頻,Uref為基準(zhǔn)電壓,K為比例系數(shù)。

ADE7755的外圍電路中,通過輸出頻率設(shè)置電路實現(xiàn)對CF口輸出頻率的設(shè)置,即電表常數(shù)的設(shè)置。本電表的電表常數(shù)設(shè)定為3200imp/kwh,即計錄一千瓦的功率,要求ADE7755在CF口輸出3200個脈沖。


圖2 ADE7755的內(nèi)部框圖
  
ADE7755是一種高精度的電量計量芯片,在工頻情況下,在500:1的動態(tài)范圍內(nèi),精度達到0.1%。技術(shù)指標(biāo)超過了IEC1036標(biāo)準(zhǔn)的要求。

唯一的模擬電路是模數(shù)轉(zhuǎn)換電路,其他電路都是采用數(shù)字電路,這保證了該芯片具有足夠的抗干擾的能力。通過F1和F2實時輸出功率信息,能直接驅(qū)動電度表計數(shù)器或直接和單片機連接。

電源電路的設(shè)計
ADE7755所用的+2.5V基準(zhǔn)電壓是用AD780實現(xiàn)的,其接口電路簡單。5V的基準(zhǔn)電源電路如圖3所示:


圖3 5V基準(zhǔn)電源電路
  
經(jīng)過此電路可以在電源模塊MC7805的3端得到+5V的基準(zhǔn)電源。其中R25為壓敏變阻器。

P87C591外圍電路和CAN總線部分設(shè)計
通過P87C591電路可以實現(xiàn)指定時間內(nèi)用電量的計算、數(shù)據(jù)存儲、修改電度表數(shù)值和通過圖4所示的CAN總線收發(fā)電路實現(xiàn)與上位機的通信。
  
有關(guān)P87C591外圍電路設(shè)計,可以參見其他單片機的外圍電路設(shè)計,這里不再贅述。


圖4 CAN總線收發(fā)電路
  
連接P87C591和單片機之間的芯片是P82C250。圖4這部分電路的原理可以參考有關(guān)CAN總線設(shè)計方面的資料,這里也不再闡述。

軟件部分設(shè)計

本方案的軟件部分主要由主程序和中斷服務(wù)子程序組成。其中主程序完成的功能有芯片和CAN總線的初始化、進行電量的計算和存儲。

中斷服務(wù)子程序完成的功能是利用CAN總線實現(xiàn)和主機之間的通信和電表初值的設(shè)定。其中電表初值設(shè)置由上位機完成,這樣可以節(jié)省單片機的外圍電路并且可以防止現(xiàn)場人為惡意的更改電量值。其中CAN總線的初始化程序如下:

voidinit_can_controller()
{
//進入CAN控制器復(fù)位模式
CANMOD=0x01; //將CAN控制器設(shè)置為復(fù)位模式以啟動初始化
//TXDCPort(P1.1)配置
//管腳TXDC設(shè)置為推挽模式
P1M2=P1M2|0x02;//P1M2.1=’1’,P1M1.1=’0’(默認(rèn))
CANADR=BTR0; //BTR0和BTR1編程為125kbit/s@12MHz
CANDAT=0x45;
CANADR=BTR1;//TSEG1=12,TSEG2=3,SJW=2
CANDAT=0x2B;//Sample=1->sample point~81%
//驗收濾波器的配置-- Bank1的濾波器1配置為接收ID=010.0000.0xxx
CANADR=ACR10;//將地址設(shè)置到驗收代碼寄存器0(Bank1)
CANDAT=0x50;//驗收代碼0用于濾波
CANDAT=0xE0;
CANADR=AMR10;//將地址設(shè)置到驗收屏蔽寄存器0(Bank1)
CANDAT=0x00;//bank1:驗收屏蔽0
CANDAT=0x0F;//bank1:驗收屏蔽1只與高四位有關(guān)
CANDAT=0xFF;//bank1:驗收屏蔽2無關(guān)
CANDAT=0xFF;//bank1:驗收屏蔽3無關(guān)
CANADR=ACFMOD;//將地址設(shè)置到ACF模式寄存器
CANDAT=0x55;//單驗收濾波器使用11位ID(SFF)
CANADR=ACFPRIO;//將地址設(shè)置到ACF優(yōu)先級寄存器
CANDAT=0xFF;//所有濾波器都為高優(yōu)先級

結(jié)束語

綜上所述,由于ADE7755是專用電量計量芯片,且具有抗干擾的優(yōu)點,而P87C591及其外圍電路也是當(dāng)前成熟的技術(shù),其可靠性和抗干擾性都得到了實際驗證,所以本方案簡單易行。

本方案雖是針對改進電力機車電度表而設(shè)計的。但由于電力機車工作于諧波污染嚴(yán)重工況,所以可以根據(jù)本方案針對實際情況作相應(yīng)改動以適用于不同的工業(yè)場合。

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