劉翠玲1 李珊2

1福建福清核電有限公司 350318；2福建奔馳汽車工業(yè)有限公司

摘要：在本文中，將就基于MSP430F147的智能三相電力計(jì)量儀表的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)進(jìn)行一定的研究，在對三相電參數(shù)計(jì)算、測量方式進(jìn)行探入探討的基礎(chǔ)上在儀表中增加現(xiàn)場編程以及組網(wǎng)能力。

關(guān)鍵詞：MSP430F147；智能三相電力計(jì)量儀表；設(shè)計(jì)；實(shí)現(xiàn)

1 引言

電力計(jì)量儀表是電力工作開展中的重要設(shè)備類型。在本設(shè)計(jì)中，在以MSP430F147為核心的基礎(chǔ)上，對三相電信號進(jìn)行了采集、處理、分析以及顯示，并在對通信擴(kuò)展功能進(jìn)行實(shí)現(xiàn)的同時(shí)對儀表的組網(wǎng)管理進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)。

2 儀表功能設(shè)計(jì)

2.1 輸入信號調(diào)理電路

對于信號調(diào)理電路而言，其主要通過電路以及互感器的應(yīng)用將三相電流信號以及電壓信號調(diào)理成轉(zhuǎn)換器能夠接收的電壓信號。如何能夠使信號具有最小的失真特點(diǎn)，則成為了具體功能實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵內(nèi)容。在本系統(tǒng)中，其調(diào)理部分原理如下圖所示：

圖1

信號輸入范圍方面，其為0至500V，A/D所使用的為25V基準(zhǔn)。這就說明，在系統(tǒng)模擬轉(zhuǎn)換的過程中，其最高電壓需要在控制在25V以下：

2.1.1 電壓部分

以UA為例，對電壓調(diào)理部分進(jìn)行分析。在結(jié)構(gòu)中，采樣電阻為R17，由于電路處理交流信號，我們在將R17對下端接地進(jìn)行設(shè)置后，在交流半軸大于UN，并使A__IN3一端的值在0V以上。單片機(jī)方面，其A/D方面僅僅能夠以單端的方式進(jìn)行測量，且需要抬高信號。根據(jù)此種要求，我們則將A/D基準(zhǔn)輸入在分壓之后將其同R17下端進(jìn)行相接，并將被測量信號在抬高1/2個(gè)基準(zhǔn)電平之后抬到零電平上，以此使其能夠被正常測量。同時(shí)，在1mA線性以內(nèi)，電壓互感器具有著較好的線性度，以輸入最大值500V進(jìn)行計(jì)算，在AD工作范圍內(nèi)在進(jìn)行濾波后對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣。

2.1.2 電流部分

以I_IN1為例對電流的處理轉(zhuǎn)換進(jìn)行分析，在電流方面，其偏置電路同上述我們分析的電壓部分十分相似，同樣使用A/D輸出信號對基準(zhǔn)電平進(jìn)行抬高，以此使A/D能夠?qū)ο嚓P(guān)信號進(jìn)行正常測量。其中，采樣電阻為R1，其前端輸入最大電流為5A，流經(jīng)采樣電阻的電流值最大為2.5mA。在取R1為330Ω的情況下，其電壓有效值最大為0.825V，在低濾波之后能夠被采樣。

2.2 數(shù)據(jù)采集

2.2.1 數(shù)據(jù)采樣技術(shù)

對于單片機(jī)而言，其在2kHz速度的情況下對三相交流電的電流以及電壓進(jìn)行采樣，并對瞬時(shí)的三相電流以及電壓進(jìn)行獲得。在對上部分?jǐn)?shù)據(jù)獲得之后，則可以通過硬件乘法器的應(yīng)用對瞬時(shí)功率進(jìn)行計(jì)算，通過軟件方式的應(yīng)用對正弦波過零點(diǎn)進(jìn)行判斷，之后通過定時(shí)器的應(yīng)用對其內(nèi)部信號頻率進(jìn)行測量，在對后續(xù)處理工作的開展提供狀態(tài)標(biāo)識的同時(shí)能夠?qū)?shù)據(jù)計(jì)算處理進(jìn)行觸發(fā)。在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，使用的是多通道定時(shí)器觸發(fā)的連續(xù)采樣模式，即通過定時(shí)器的應(yīng)用對ADC12進(jìn)行觸發(fā)，以此能夠在較短的時(shí)間內(nèi)對多個(gè)通道的瞬時(shí)電參數(shù)進(jìn)行獲取，以此使被測電參數(shù)值具有更高的準(zhǔn)確性。之后，單片機(jī)則會將本次獲取的數(shù)據(jù)同之前獲得的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，對信號是否過零點(diǎn)進(jìn)行判斷，并對數(shù)據(jù)處理函數(shù)采樣進(jìn)行觸發(fā)。

2.2.2 顯示通信設(shè)計(jì)

在本設(shè)計(jì)中，共使用了三排數(shù)碼管對三相電參數(shù)進(jìn)行顯示，具有著較好的可靠性以及穩(wěn)定性。同時(shí)，相關(guān)儀表能夠嚴(yán)格按照參數(shù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，并能夠由用戶根據(jù)自身需求選擇手動(dòng)切換或者定時(shí)自動(dòng)顯示。

在此基礎(chǔ)上，為了能夠使儀表具有更強(qiáng)的應(yīng)用以及綜合處理能力，在本設(shè)計(jì)中，共具有兩路繼電器開關(guān)量以及模擬量輸出，且具有基于ModBus協(xié)議的通信接口。在上述各個(gè)分路中，每路上輸出都能夠?qū)ζ渌淼奈锢砹啃畔⑦M(jìn)行選擇，如電流、無功功率、交流電頻率、三相電壓以及有功功率等。繼電器輸出方面，其主要功能是根據(jù)所測得的信號信息選擇報(bào)警，在本研究中，其也具有著較強(qiáng)的獨(dú)立性，即根據(jù)實(shí)際需求對適合的參數(shù)進(jìn)行選擇，并能夠?qū)?bào)警的上下限進(jìn)行設(shè)定，其范圍為代表信號的120%以內(nèi)。同時(shí)，也可以對繼電器延遲輸出時(shí)間進(jìn)行設(shè)定，以此使系統(tǒng)能夠具有更強(qiáng)的抗干擾能力，在同ModBus實(shí)現(xiàn)配合的同時(shí)對更為復(fù)雜的現(xiàn)場控制進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。模擬量輸入方面，則根據(jù)相應(yīng)的指示燈進(jìn)行顯示，能夠以更為直觀、便捷的方式對所獲得的信號以及不同通路的連接情況進(jìn)行顯示，以此幫助我們更好的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的故障檢測以及現(xiàn)場控制工作。此外，在通信方式上，我們選擇了以ModBus為基礎(chǔ)的通信方式，以此使儀表能夠在遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)控制以及訪問工作。對于該協(xié)議而言，其在運(yùn)行中將儀表視為一個(gè)虛擬存儲器空間，并能夠?qū)⑾嚓P(guān)數(shù)據(jù)放在指定的存儲器位置當(dāng)中。之后，上位機(jī)軟件則能夠根據(jù)0x03命令對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，并在讀取完成后選擇對其處理或者顯示。而在控制信息方面，則將其放置在存儲器空間當(dāng)中，在實(shí)際運(yùn)行中，這部分信息將直接由儀表進(jìn)行控制，以此對程序的運(yùn)行情況實(shí)現(xiàn)控制，且上位機(jī)也能夠在0x06命令的發(fā)出后修改控制寄存器，以此對遠(yuǎn)程控制儀表功能進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。可以說，通過ModBus在該設(shè)計(jì)的應(yīng)用，則能夠使系統(tǒng)的儀表系統(tǒng)同之前相比具有了更為智能化的特征，在對儀表設(shè)備組網(wǎng)能力進(jìn)行提升的同時(shí)有效實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)控制功能。

3 軟件程序設(shè)計(jì)

在該系統(tǒng)的軟件部分，則將儀表工作分為兩大部分。對于具有較高實(shí)時(shí)性要求的任務(wù)，會將其放置在具有較高優(yōu)先級的事件處理進(jìn)程中，而如果其對于實(shí)時(shí)性沒有較高的要求、或者該任務(wù)的處理時(shí)間較長，則需要將其放置在背景進(jìn)程當(dāng)中。同時(shí)，該程序通過定時(shí)器的應(yīng)用作為系統(tǒng)運(yùn)行中的協(xié)調(diào)信號，并通過背景進(jìn)程以及標(biāo)志的應(yīng)用對控制信號以及狀態(tài)信息進(jìn)行傳遞。

4 結(jié)論

在工業(yè)電力工作中，電力計(jì)量儀表可以說是非常重要的一項(xiàng)設(shè)備類型，對于電力工作的開展具有十分積極意義。在上文中，我們對基于MSP430F147的智能三相電力計(jì)量儀表的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了一定的研究。在該設(shè)計(jì)中，我們在MSP430F147的基礎(chǔ)上對三相電參數(shù)的處理、采樣以及顯示等功能進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)，且對基于ModBus的遠(yuǎn)程通信進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)，能