劉水強(qiáng) 朱煜維 何春勇 江子杰 樊明亮

（中國(guó)電器科學(xué)研究院股份有限公司 廣州 510860）

引言

在過(guò)去，很多公司開(kāi)發(fā)冰箱性能測(cè)試裝置還是通過(guò)分立模塊的方式搭建，需要購(gòu)買(mǎi)各種模塊、儀表等硬件組合，結(jié)合自身研發(fā)的軟件，實(shí)現(xiàn)冰箱性能測(cè)試，這樣的實(shí)現(xiàn)方式，硬件成本比較高；軟件編程方面在針對(duì)不同的模塊，儀表的通信處理各不相同，處理起來(lái)比較繁瑣復(fù)雜。

現(xiàn)有冰箱性能測(cè)試裝置，通過(guò)把溫度采集模塊、電參數(shù)采集模塊及IO控制模塊進(jìn)行組合，組成一個(gè)冰箱性能測(cè)試裝置；多個(gè)模塊組合占據(jù)空間大，使得冰箱性能測(cè)試裝置體積較大，成本也高。另外軟件設(shè)計(jì)方面，還得融合三種不同模塊的采集與控制程序，程序開(kāi)發(fā)也相對(duì)比較復(fù)雜，編程人員需要花更多的時(shí)間去研究不同模塊的通訊協(xié)議，這給軟件開(kāi)發(fā)人員帶來(lái)較大的不便。

為了解決改進(jìn)現(xiàn)有的冰箱性能測(cè)試裝置，降低成本，提高性?xún)r(jià)比，本文介紹應(yīng)用嵌入式系統(tǒng)技術(shù)及微電子技術(shù)研制綜合采集模塊，采集模塊的功能包括測(cè)量被測(cè)產(chǎn)品的電壓、電流、功率、溫度參數(shù)。采集模塊具備測(cè)試電源供電控制功能、地址設(shè)定功能，根據(jù)來(lái)自上位機(jī)的命令作出相應(yīng)的反饋或者執(zhí)行相應(yīng)的測(cè)試任務(wù)。

1 實(shí)現(xiàn)原理

研究溫度采集電路與電氣參數(shù)采集電路的共同點(diǎn)與不同點(diǎn)，并結(jié)合電源控制電路，設(shè)計(jì)一個(gè)具備溫度采集、電氣參數(shù)采集及電源控制功能的電路，具體原理框架見(jiàn)圖1 。一個(gè)CPU同時(shí)搭載溫度采集電路、電參數(shù)采集電路及電源控制電路，集溫度采集、電參數(shù)采集及電源控制于一體。

2 關(guān)鍵步驟的介紹

2.1 溫度采集

企業(yè)生產(chǎn)中，冰箱出廠前的性能檢測(cè)的測(cè)試時(shí)間少則半小時(shí)，多則幾個(gè)小時(shí)以上，因此溫度變化不會(huì)特別大，那么對(duì)采樣時(shí)間間隔要求不會(huì)太高，一般1 秒或者幾秒采集一個(gè)數(shù)據(jù)即可。由于DS18B20的溫度轉(zhuǎn)換時(shí)間最大需要750 ms，檢測(cè)溫度范圍為-55 ℃至+125 ℃，在-30 ℃～70 ℃范圍內(nèi)精度為±0.5 ℃[1]，完全可以滿(mǎn)足冰箱測(cè)試的要求。

具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程：

1）如圖2，DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要包括存儲(chǔ)器和控制器、高速緩存存儲(chǔ)器、8位CRC生成器、寄生電源、溫度靈敏元件、64位激光ROM、用于存儲(chǔ)用戶(hù)設(shè)定的溫度上下限值的低溫觸發(fā)器TL和高溫觸發(fā)器TH等八部分。每個(gè)DS18B20的64位序列號(hào)均不相同，這樣方便多個(gè)DS18B20掛接在同一根總線(xiàn)上。

2）DS18B20溫度傳感器主要用于對(duì)溫度進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)數(shù)據(jù)以16位符號(hào)擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼讀數(shù)形式讀取，并以0.062 5 ℃/最低有效位的形式表示[2]。具體的溫度值和數(shù)字量的關(guān)系見(jiàn)表1 。

根據(jù)DS18B20的通信協(xié)議，CPU控制DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換，溫度轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過(guò)以下三個(gè)步驟：第一步是在讀寫(xiě)之前先對(duì)DS18B20進(jìn)行復(fù)位；第二步是在復(fù)位成功后發(fā)送一條ROM指令，第三步是在發(fā)生ROM指令后發(fā)送RAM指令，這樣才能對(duì)DS18B20進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換的預(yù)定操作。每一步必須嚴(yán)格按照DS18B20的時(shí)序規(guī)定進(jìn)行，否則不能進(jìn)行正確的轉(zhuǎn)換或者讀取的結(jié)果是錯(cuò)誤的。DS18B20的工作時(shí)序包括初始化時(shí)序見(jiàn)圖3 ，寫(xiě)時(shí)序和讀時(shí)序見(jiàn)圖4 。

CPU控制DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換后，只需將DS18B20內(nèi)部寄存器中的數(shù)據(jù)讀取出來(lái)即可。具體讀取溫度子程序流程圖見(jiàn)圖5 。

2.2 電壓、電流、功率采集

圖1 原理框架圖

圖2 DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)功能圖

表1 DS18B20溫度-數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換表

圖3 DS18B20初始化時(shí)序圖

電壓、電流、功率采集，選用ADE7753功率芯片作為電參數(shù)采集芯片。該功率芯片帶串行接口和脈沖輸出的高精度有功和視在能量計(jì)量的集成電路。功能先進(jìn)，是一款數(shù)字電度表芯片[3]。它集成了二階∑△ADCs、一個(gè)數(shù)字積分器（在CH1上）、一個(gè)溫度傳感器，一個(gè)參考電壓源，能對(duì)電壓、電流有效值（RMS）計(jì)算，有功、無(wú)功和視在功率的檢測(cè)，其內(nèi)部架構(gòu)見(jiàn)圖6 。

ADE7753芯片內(nèi)部具有電壓有效值、電流有效值，有功電能寄存器。正弦信號(hào)V(t)的有效值計(jì)算公式如式（1）所示。

式中：

VRMS—正弦交流信號(hào)的有效電壓值；

T—周期時(shí)間；

V(t)—周期T時(shí)間的正弦交流信號(hào)。

在離散信號(hào)序列中，有效值定義為該序列均方值的根方[4]，因此在ADE7753中，電壓和電流有效值（VRMS、IRMS）可利用最近的N個(gè)瞬態(tài)采樣值來(lái)進(jìn)行計(jì)算，最終得出電壓有效值（VRMS）和電流有效值（IRMS），并將這些值存儲(chǔ)在寄存器中。由此可得電壓有效值的計(jì)算公式如式（2） ，電流有效值的計(jì)算公式如式（3） ，視在功率的計(jì)算公式如式（4） 。

式中：

VRMS—電壓有效值；

N—瞬態(tài)采樣值個(gè)數(shù)；

Vn—第n個(gè)瞬態(tài)采樣電壓值。

式中：

IRMS—電流有效值；

N—瞬態(tài)采樣值個(gè)數(shù)；

In—第n個(gè)瞬態(tài)采樣電流值。

圖4 DS18B20的讀寫(xiě)過(guò)程

圖5 讀取溫度子程序流程圖

圖6 ADE7753內(nèi)部架構(gòu)

式中：

S—視在功率；

VRMS—電壓有效值；

IRMS—電流有效值。

瞬態(tài)電壓與瞬時(shí)電流的相乘，得到瞬時(shí)功率。N個(gè)瞬時(shí)功率的算術(shù)平均即為有功功率。因此，有功功率計(jì)算公式如式（5） 。

式中：

Pactive—視在功率；

U*—瞬時(shí)電壓值；

I*—瞬時(shí)電流值。

N—瞬時(shí)功率個(gè)數(shù)。

因此VRMS和IRMS可以直接從ADE7753芯片中的相應(yīng)寄存器直接讀取，無(wú)需再進(jìn)行轉(zhuǎn)換。讀取到數(shù)據(jù)后，與參比表的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，如果相差比較大，只需要進(jìn)行相應(yīng)的線(xiàn)性校準(zhǔn)即可獲得實(shí)際測(cè)試值。

2.3 電源供電控制

電源供電控制的實(shí)現(xiàn)具體就是幾個(gè)繼電器輸出控制，具體原理見(jiàn)圖7 。通過(guò)74HC259邏輯門(mén)芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)邏輯控制，控制5路繼電器的通斷，來(lái)控制外部供電控制電路，實(shí)現(xiàn)測(cè)試電源的供電控制。CUP控制74HC259輸出端輸出低電平，使得光隔導(dǎo)通，使得輸出控制端J4端導(dǎo)通輸出24 VDC，控制外部電路上24 V繼電器線(xiàn)圈，繼電器線(xiàn)圈吸合，常開(kāi)觸點(diǎn)控制供電測(cè)試回路，測(cè)試供電回路的接觸器吸合，實(shí)現(xiàn)測(cè)試電源的供電控制。

3 優(yōu)勢(shì)

3.1 性能優(yōu)勢(shì)

對(duì)比分立模塊的方式搭建，通過(guò)各種模塊、儀表等硬件組合的裝置，使用該板塊在性能方面更有優(yōu)勢(shì)，如對(duì)比表2所示。

3.2 成本優(yōu)勢(shì)

分立模塊式搭建組成的冰箱性能測(cè)試裝置與采用該板卡組成的裝置，在主要組成硬件價(jià)格對(duì)比，成本上每個(gè)可節(jié)省1 000多；而一般冰箱生產(chǎn)線(xiàn)的性能測(cè)試系統(tǒng)少則需要六七十個(gè)測(cè)試裝置，多則一百多個(gè)，由此推算，一個(gè)冰箱測(cè)試系統(tǒng)至少都能節(jié)省十多萬(wàn)的成本，這樣很好的降低了成本。具體價(jià)格對(duì)比見(jiàn)表3 。

4 結(jié)論

本文針對(duì)如何研究開(kāi)發(fā)一種集溫度采集、電氣參數(shù)采集和電源控制于一體的控制板卡，為如何實(shí)現(xiàn)溫度采集，電參數(shù)采集及電源控制提供了解決方案。提供了具體的實(shí)現(xiàn)原理，關(guān)鍵步驟實(shí)現(xiàn)方案，以及作了性能優(yōu)勢(shì)及成本優(yōu)勢(shì)的對(duì)比等。同時(shí)本方案設(shè)計(jì)也給家電檢測(cè)設(shè)備行業(yè)提供參考方法。

圖7 電源供電控制原理圖

表2 分立模塊與集成板卡性能對(duì)比表

表3 分立模塊與集成板卡成本對(duì)比表