基于ADuC812的三相电能设计

关键词：数据采集系统芯片；三相电能测量

引言
数据采集系统芯片ADuC812(以下简称ADuC812)是美国Analog Devices公司投入市场一款性能优越微转换器产品，芯片内集成了一个完全可编程的、自校准、高精度的模拟数据采集系统。对于ADuC812的ADC模块采用硬件校正：出厂时对失调和增益误差调整到最佳的性能，并把校准结果储存在闪速存储器中，由任何上电复位事件自动加载以便初始化ADC校正寄存器。这种在线校正特性能够消除各种与系统和基准相关的误差(无论是内部基准或外部基准)。体积小、成本低、精度高和速度快是ADuC812显著特点，这些特点使之在测量中的应用前景非常看好。我们研制的以ADuC812为CPU的三相电能测量系统，可以完成数据采集和三相电压、电流、功率和电能的实时精确测量。

硬件电路
采用ADuC812构成三相电能测量系统的硬件总体结构如图1所示。
因ADuC812内部A/D转换器接受的模拟电压的输入范围为0~+VREF，故需设计6路电平和幅度调节电路。将信号输入锁相倍频电路，精确倍频4倍的信号送入23引脚(CONVST)，用来启动ADC。利用ADuC812内部模拟开关切换，使内部12位A/D分时复用地分别对电压、电流进行采样。将三相U、I乘积累加，计算出电能，并将其乘系数K，每当电能值达到0.1千瓦时，就通过一I/O口P3.4送出一个低频脉冲。人机输入的按键可方便地选择数码管显示的量。为在系统研制阶段方便地进行程序在线下载、在线调试及与PC机通讯，配有RS232接口。扩展32K字节外部数据区RAM(IS61C256)可保存大量的原始A/D采样数据。图2给出了幅度与电平调整的电路。

图1 ADmC812电能测量系统与结构框图

图2 幅度与电平调整电路

图3 主程序流程图

软件设计
系统软件设计的主要任务是完成六路信号的数据采集、三相电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数以及电能的实时计算，检测按键并把计算结果送数码管显示。
软件算法处理
在研制的新型三相电能测量系统中，采用ADuC812作CPU，对电网信号精确倍频4倍，以确保每周波采样4点，并实时计算每周波内各相电压有效值U、电流有效值I、有功功率值P、无功功率Q、功率因数cosj和电能W，将其值送数码管进行显示，实时计算三相电压、电流乘积累加和，每到0.1千瓦时通过一I/O口送出一个脉冲，同时也送数码管显示总的电能值。其各项计算公式见式(1)、(2)、(3)、(4)、(5)和(6)。式中N为每周波的采样点数，u、i为A/D采集的电压、电流的瞬时值，∞表示一直在计算电能。其次，为了保证计算的精度，各项指标的计算采用滑动滤波。

主程序设计
首先进行初始化，包括关中断、定义变量和常数、对各变量置初始值、设置外部中断1和外部管脚启动ADC模式。完成初始化工作后，开中断。每采完5周波，将电压、电流乘积的累加和与前面10个周波采集的数累加和进行滑动滤波，滤波后的电能值乘以系数K，当电能值为0.1千瓦时的整数倍时，在I/O口送出一低脉冲；根据公式(1)、(2)、(3)、 (4)、(5)，分别计算出电压、电流有效值、有功功率、无功功率以及功率因数，并根据按键，选择送数码管显示的量。主程序流程如图3所示。

软硬件混合启动A/D转换设计
设计任务书是在保证精度大于1％的前提下，能够实时采集和计算完六路信号各项指标。ADuC812是高集成度低价格芯片，性价比高，通过内部的模拟开关切换，尽管只有一片A/D转换器，利用分时复用可实现对6路信号的数据采集。传统测量中多采用硬件启动A/D转换，若本测量系统也全部采用硬件启动，则硬件电路开销大。为了使硬件电路简单，同时也要降低成本，从设计优化方面考虑，提出了采用软硬件结合在一起混合启动A/D进行转换的设计思想。首先，第一路信号由外部管脚启动ADC；其次，随后的五路信号用软件控制，由ADuC812内部定时器2的溢出位用作A/D转换起始触发脉冲输入。
由于ADuC812的指令周期在微秒级，且计算指标多，故在满足精度要求的前提下，根据取样定理fS≥2fi(max)，选用一周波对第一路信号4倍频。一旦第一路信号由外部管脚启动ADC转换完后，紧接着在A/D中断服务程序内启动ADuC812内部定时器2，让定时器2的溢出位用作A/D转换起始触发脉冲输入，启动随后的5路信号。此时，后5路信号要高采样频率，但A/D中断服务程序要消耗时间，限制了其采样频率提高。考虑到测量的电网信号频率单一，且在40Hz~60Hz范围内，采用ADCI服务程序消耗的时间加A/D转换的时间为软件启动的采样周期100ms(即10kHz)，这样信号间的延时在实际情况下达到最小，以此计算出同相电压、电流的相对延时约为0.5％。
在ADCI中断服务程序完成如下工作：首先关中断，读取A/D转换值存入内部数据区，判断是否对6路信号各采完一个点，已完成则送出6个数据点到外部数据区供主程序计算用；然后进入通道选择完成模拟开关的切换；最后开中断并返回。

结语
通过多次测试，我们发现这一基于ADuC812技术的新型电能测量系统能达到预定的实时采样要求：能对每周波精确倍频采样，并能实时处理。采用JWD-2型便携式数控交流稳压电源作为输入信号源，通过与EWH102M标准功率电能表 0.1级三相功率标准电能表进行比对,发现这一基于ADuC812技术的新型电能测量系统能达到千分之五的精度，但仪器成本极低。因此，其市场前景非常广阔。
参考文献
1 MicroConverter,Multichannel 12-Bit ADC With Embedded Flash MUC ADuC812(2001)(Analog Devices)
2 刘书明、冯小平，数据采集第统芯片ADuC812原理与应用，西安电子科技大学出版社.2000.12
3 何立民，MCS-51系列 单片机应用系统设计 系统配置与接口技术，北京航空航天大学出版社.1990.1
4 杨传谱、孙敏、杨泽富，电路理论—时域与频域分析，华中理工大学出版社.1998年12月