蔣 超， 馬 君， 張 明， 周曉龍

(江蘇安科瑞電器制造有限公司，江陰 214400)

0 引言

鑒于目前電信行業(yè)內(nèi)基礎(chǔ)設(shè)施重復(fù)建設(shè)、利用率低的現(xiàn)象，三大運(yùn)營商組建了中國鐵塔股份有限公司，從事通信鐵塔等基站配套設(shè)施和室內(nèi)分布系統(tǒng)的建設(shè)、維護(hù)和運(yùn)營。由于部分共享基站的開關(guān)電源無分用戶電量計(jì)量功能，無法對三家運(yùn)營商用電量進(jìn)行精確計(jì)量，針對這種情況，在滿足中國鐵塔《基站直流電能計(jì)量模塊技術(shù)要求》的前提下，筆者所在單位設(shè)計(jì)了AMC16-DETT 基站直流電能計(jì)量模塊。

1 功能結(jié)構(gòu)

AMC16-DETT 基站直流電能計(jì)量模塊的功能結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。開關(guān)電源用于給直流電能計(jì)量模塊及霍爾傳感器供電，計(jì)量芯片采集霍爾傳感器輸出電壓及系統(tǒng)電壓的數(shù)據(jù)并進(jìn)行運(yùn)算，再經(jīng)4052多路開關(guān)傳輸至MCU微處理器，微處理器同時(shí)也接收來自市電檢測電路的數(shù)據(jù)，LED顯示通過控制發(fā)光二極管的閃爍來指示電能使用情況，RS485接口實(shí)現(xiàn)了與后臺的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交流。

圖1 功能結(jié)構(gòu)框圖

2 設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)主要采用“MCU+計(jì)量芯片”的方式，MCU為基于ARM核心的32位微控制器NUC029LAN，集成了一些系統(tǒng)級的外設(shè)功能，可以顯著降低外部器件數(shù)量、電路板空間以及系統(tǒng)成本。計(jì)量芯片采用的是具有三路高精度ADC的RN8209C。

2.1 電源

設(shè)計(jì)使用了基于DPA的反激式開關(guān)電源，輔助電源的輸入端加入了防雷設(shè)計(jì)，防止雷電和其他過壓情況對設(shè)備造成損壞。電源經(jīng)系列轉(zhuǎn)換后在變壓器主回路得到+3.3V電壓，用于為模塊系統(tǒng)供電；次級回路得到±12和+5V電壓，±12V給模塊配套的霍爾傳感器供電，+5V給通信電路供電。

2.2 通信電路

為使該模塊能夠與后臺進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，設(shè)計(jì)使用了由差分?jǐn)?shù)據(jù)收發(fā)器ISL3152EIBZ-T芯片構(gòu)成的RS485通信電路，該電路內(nèi)部采用光耦進(jìn)行隔離，防止外部干擾對芯片形成損壞。

2.3 市電檢測

市電檢測電路如圖2所示。市電經(jīng)外部電量傳感器轉(zhuǎn)換為DC 0-5V信號后接至計(jì)量模塊，該信號經(jīng)電阻分壓后傳輸至電壓跟隨器，經(jīng)電壓跟隨器輸入到MCU。圖2中VD1為TVS管，起鉗位作用，保護(hù)后級電路不受損壞；R3、C1組成RC濾波電路，濾除電路中的干擾信號；電壓跟隨器隔離起緩沖作用。

圖2 市電檢測電路

2.4 直流電能計(jì)量

2.4.1 直流電能計(jì)量的方法

直流電能計(jì)量方法與交流電能計(jì)量方法相似，信號采樣電路將采集到的電壓/電流信號由大電壓/電流信號轉(zhuǎn)換為小信號，輸入至計(jì)量芯片，再由計(jì)量芯片進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)字處理等系列運(yùn)算，通過通信總線與處理器的進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

2.4.2 直流電能計(jì)量原理

直流電能計(jì)量的基本原理：由于一次側(cè)的電流信號經(jīng)霍爾傳感器后輸出為DC 0-5V的電壓信號，故該設(shè)計(jì)的電壓和電流采樣采用的是相同的電路，等效電路見圖3。

圖3 信號采樣等效電路

具體原理為：信號取樣電路采用單端輸入方式，R1、R2、R3為分壓電阻，R4為采樣電阻，作用是將輸入的信號降到計(jì)量芯片采樣通道正常工作的范圍內(nèi)，采樣得到的電壓：Uo=Ui*R4/(R1+R2+R3+R4)。圖3中，D1雙向二極管起到鉗位作用，防止脈沖干擾電壓太大導(dǎo)致元器件損壞，R5、C1及R6、C2組成了RC濾波電路。

采用該電路得到的電壓、電流采樣信號分別輸入至計(jì)量芯片的電壓、電流通道，進(jìn)行下一步的數(shù)據(jù)運(yùn)算。

3 軟件設(shè)計(jì)

通過對計(jì)量模塊和上位機(jī)軟件的設(shè)計(jì)，借助RS485通信電路，實(shí)現(xiàn)了遙測、遙信、遙調(diào)等信息交互功能。

模塊可監(jiān)測設(shè)備系統(tǒng)時(shí)間、總電壓、輸出總電流、總功率、總電能、各分路電壓、各分路電流、各分路功率、各分路電能；具備直流電壓輸出過低告警、直流電壓輸出過高告警、一次下電告警、模塊失壓告警、計(jì)量支路錯(cuò)誤告警等報(bào)警功能；支持廣播校時(shí)；有歷史電能數(shù)據(jù)和歷史告警信息的存儲(chǔ)功能。

圖4 上位機(jī)界面

針對遙信、遙調(diào)等功能，提供模塊專用的上位機(jī)軟件，軟件界面如圖4所示?？刹榭锤髦冯娏?、電壓、功率等電參量，具有修改地址、修改CT變比等功能。由于在實(shí)際的生產(chǎn)應(yīng)用中，傳感器會(huì)受到環(huán)境、溫度等的影響，出現(xiàn)零點(diǎn)漂移的現(xiàn)象，配合上位機(jī)可對霍爾校零。上位機(jī)軟件可對計(jì)量模式進(jìn)行配置，三家運(yùn)營商共享的基站可使用總計(jì)量功能，施工量小的兩家運(yùn)營商按配置分路接線，剩余一家的用電量即為總用電量減去兩家運(yùn)營商用電量，降低施工難度。

4 測試數(shù)據(jù)

模擬基站實(shí)際運(yùn)行中可能出現(xiàn)的情況，負(fù)荷電流及系統(tǒng)電壓由標(biāo)準(zhǔn)直流源提供，配套使用的霍爾傳感器由我司自主生產(chǎn)，測試數(shù)據(jù)見表1，用于判斷基站直流電能計(jì)量模塊測量精度是否滿足要求。

基站直流電能計(jì)量模塊測試數(shù)據(jù) 表1

5 結(jié)束語