基于PIC單片機的電能表時鐘誤差分析儀的研究

1引 言

隨著社會的發(fā)展，用電量增大，為提高用電效率，改善用電量不均衡的現(xiàn)象，國內(nèi)各省市的電力部門己開始全面推出了復(fù)費率電能表，計量單位對復(fù)費率電能表檢定的任務(wù)越來越繁重［1-2］。時鐘的準確性是分時計量最重要的一部分。目前的計量單位對復(fù)費率電能表時鐘檢定的方法已經(jīng)逐漸不能滿足需要。為了解決目前復(fù)費率電能表時鐘檢定存在的問題，本文設(shè)計了一種基于PIC單片機的復(fù)費率電能表時鐘誤差分析儀的系統(tǒng)。該系統(tǒng)是一種便攜式時鐘誤差檢定裝置，集計時檢定，數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)傳送等功能于一體，具有快捷、準確、有效的特點。

l頻率測量原理[3-4]

系統(tǒng)測量頻率采用的是多周期同步測量方法，這種方法是在直接測頻的基礎(chǔ)上發(fā)展測量方法，在目前的測頻系統(tǒng)中得到越來越廣泛的應(yīng)用。多周期同步法測頻技術(shù)的閘門時間不是固定的值，而是被測信號的整周期倍、即與被測信號同步，因此消除了對被測信號計數(shù)產(chǎn)生的±1個字誤差，測量精度大大提高，而且達到了在整個測量頻段的等精度測量。

多周期同步測量方法測量的分辨率為：



日計時誤差值：式中：Nx為對電能表的實際計數(shù)值；Ns、fs分別對應(yīng)于電能表的標準值。系統(tǒng)最終將顯示測量的電能表頻率及日計時誤差值。

2系統(tǒng)構(gòu)成

2．1系統(tǒng)硬件組成 系統(tǒng)主要有3部分組成：前端電路、主控回路、顯示及通訊部分。系統(tǒng)組成框圖如圖l所示。



當(dāng)晶振工作時，會產(chǎn)生微弱的電磁波，且電磁波的頻率和晶體振蕩的頻率一致。系統(tǒng)首先采集晶振頻率信號，然后把采集到的信號通過濾波放大電路濾去高頻干擾和低頻漂移信號，同時也進行線性放大，使之變?yōu)橐徊ㄐ握?guī)幅值適當(dāng)?shù)恼倚盘?，然后?jīng)過A／D轉(zhuǎn)換變成數(shù)字信號進入：PIC單片機處理。

系統(tǒng)采用一種改進的雙T型選頻網(wǎng)絡(luò)，在提高Q值的同時不影響其他參數(shù)變化，帶通寬度更窄，帶通效果更為顯著。具體做法是：在反饋網(wǎng)絡(luò)中再接一個同相輸比例運放作為雙T網(wǎng)絡(luò)的負載。電路如圖2所示。



A／D轉(zhuǎn)換采用的是ADS7826芯片，該芯片是雙12位，500 kHz的模擬數(shù)字(A／D)轉(zhuǎn)換器，帶有6條全差分輸入通道，這些通道分為3對，用于進行高速同步信號采集。對采樣與保持放大器的輸入是全差分的并且保持差分狀態(tài)直到A／D轉(zhuǎn)換器的輸入。這樣在頻率為50 kHz時仍可提供80 dB良好的共模抑制比，這在高噪聲環(huán)境中是非常重要的。

本系統(tǒng)采用的處理器是PIC16F87X系列單片機［5-7］。PICl6F87X的內(nèi)部有3個計數(shù)器(Timer0，Timerl．Tim-er2)和一個看門狗定時器(watchdog timer，WDT)，這些計數(shù)器的結(jié)構(gòu)與特性并不完全相同，具體到本系統(tǒng)使用的情況，被檢定的信號頻率的大概值為32768 Hz，基準頻率為10 MHz。因此使用單片機內(nèi)部的Timer0和Timerl兩個計數(shù)器，基準頻率信號使用Timer1，被檢定的信號使用Timer0。Timer0是8位，最大計數(shù)值為256，Timerl是16位，最大計數(shù)值為65 536，各需要外接一個8位計數(shù)器才能滿足需要。采用74LS393是雙四位的二進制計數(shù)器可將計數(shù)增至24位。

系統(tǒng)中采用的是多周期同步測頻法，需要在對被測信號開始計數(shù)的同時對基準信號計數(shù)，當(dāng)被測信號計時完成的同時基準信號的技術(shù)也要停止。這一過程可以采用PIC16F87x內(nèi)置的CCP模塊來實現(xiàn)。CCP模塊是指捕捉／比較／脈寬調(diào)制模塊((2apturelC20mparelPWM module，CCP module)，該模塊可以提供外部信號捕捉、內(nèi)部比較輸出以及PWM輸出這3種功能。捕捉與比較功能在基本的動作方式是相同的，在搭配定時器使用時，捕捉指的是偵測引腳上輸入信號的狀態(tài)。在信號的變化吻合設(shè)定的條件時(信號上升沿或下降沿出現(xiàn)時)，產(chǎn)生中斷并記錄當(dāng)時的定時器值；比較是將事先設(shè)定好的值與定時器的值相互比較，一旦兩個值相等時，產(chǎn)生中斷并驅(qū)動事先設(shè)定好的動作；PWM則是輸出脈沖寬度可調(diào)的信號，脈沖的周期(period)和工作循環(huán)周期(duty cycle)是由內(nèi)部的定時器比較產(chǎn)生的，因此也需要搭配定時器來使用。

系統(tǒng)顯示采用AY0438驅(qū)動4位LCD顯示電路。AY0438是．Microchip公司生產(chǎn)的一種完整的CMOS顯示驅(qū)動器，可在單片機或微處理器的控制下直接驅(qū)動LCD顯示模塊。它結(jié)構(gòu)簡單，使用方便。特別是在驅(qū)動32段LCD顯示器方面，更能顯示出它的精巧和方便。AY0438只用3條控制線即可連續(xù)不斷地向與它相連的LCD顯示器輸進驅(qū)動信號。該器件內(nèi)含32位鎖存器，它既可以對被顯示的數(shù)據(jù)進行鎖存，也可以鎖存微處理器的狀態(tài)或波形。系統(tǒng)最終頻率測量結(jié)果和日誤差值將由其顯示。

2．2系統(tǒng)軟件組成

根據(jù)其實現(xiàn)的功能，可以把復(fù)費率電能表時鐘晶振誤差檢定儀的軟件劃分為以下幾個功能模塊：

(1)計時檢定部分：主要功能是完成對信號的采集，計數(shù)和日計時誤差的計算；

(2)通訊及顯示：通訊主要功能是完成單片機和上位機的通信，一般采用的是異
步串行通信；顯示的功能是在液晶顯示屏上顯示出晶振頻率的大小，計時誤差等項；

(3)其他一些子程序包括看門狗，延時，保護程序等。

系統(tǒng)流程圖如圖3所示。



3結(jié)束語

本文采用該系統(tǒng)對不同標準頻率進行測試后，得到該系統(tǒng)的頻率測量準確度：±0．15 PPM，日誤差準確度≤10 ms。該系統(tǒng)采用多周期同步測量方法利用PIC單片機實現(xiàn)了復(fù)費率電能表誤差檢定儀的設(shè)計，具有體積小、重量輕、穩(wěn)定可靠、易于操作、測量精度高的特點，實現(xiàn)了復(fù)費率電能表的誤差檢定。