一种高精度集成型电参数测量仪的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种高精度集成型的电参数测量仪，包括采样单元、计量单元、微处理器单元及外设单元；外设单元包括键盘、显示器、存储器、时钟电路以及外设端口；各单元之间采用总线连接；计量单元包括CS5460A芯片以及相位补偿模块；采样单元包括电流互感器与电阻分压网络；微处理器采用ATMEGAl62型处理器；相位补偿模块包括复合相位补偿电路；电流互感器采用高精度差分式。本实用新型可以选择对不同设备进行电参数的检测与分析，对三相电参数进行在线检测，并预留与计算机的显示和通信接口，便于对设备用电情况进行深度分析，智能化程度更高，达到高精集成的效果，值得广泛推广与使用。
【专利说明】一种高精度集成型电参数测量仪
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及电气设备电参数测量装置【技术领域】，特别涉及一种高精度集成型电参数测量仪。
【背景技术】
[0002]三相电压、三相电流、有功功率、功率因数等电参数的测量是电机出厂测试中最基本的项目。目前市场上已出现了多种电参数检测仪，其检测方式大多数为电压、电流和功率的分离检测，从实际使用效果来看，存在着功能单一、自动化程度低等缺点，与当前大批量的自动化工业测试不相适应，同时，这些产品也不能完全满足诸多电力设备对用电情况的检测需求。目前，数字式电参数检测仪主要有两种设计方案:第一种是采用A / D芯片和DSP芯片相结合的方式，A / D芯片采样电流、电压值并数字化，然后通过DSP内部运算得出各参数值，其主要原理是通过FFT变换还原基波；第二种是采用专用电能计量芯片，CPU直接从专用电能计量芯片的内部寄存器中读出参数值并进行简单的处理。
[0003]申请号为200610049637.5的发明专利提供了一种多功能交流电参数测量仪及其测量方法，该测量仪包括单片机、串行口、存储器、显示器和键盘，其特征在于还设置有采样模块、测量模块，测量模块设置有CS5460A芯片。与现有技术相比，在传统方式的基础上增加了相位判断功能，可以显示交流电压、电流、功率和功率因数，同时可以自动判断负载的性质。该发明的创新点在于CS5460A电能芯片的应用，然而，不足之处在于，一方面没有优选出与CS5460A最相匹配的附件类型，如单片机等，另一方面为更好实现高精度的需求，整体的电路结构也需做出进一步的完善。
实用新型内容
[0004]为解决现有技术的不足，本实用新型提供一种高精度集成型的电参数测量仪，可以选择对不同设备进行电参数的检测与分析，对三相电参数进行在线检测，并预留与计算机的显示和通信接口，便于对设备用电情况进行深度分析。
[0005]为实现本实用新型的目的所采用的技术方案是:一种高精度集成型的电参数测量仪，包括采样单元、计量单元、微处理器单元及外设单元，所述计量单元包括CS5460A芯片，所述外设单元包括键盘、显示器、存储器、时钟电路以及外设端口，所述各单元之间采用总线连接，所述计量单元还包括与CS5460A芯片相连接的相位补偿模块，所述采样单元包括电流互感器与电阻分压网络，所述微处理器采用与CS5460A芯片相匹配的ATMEGA162处理器。
[0006]所述相位补偿模块包括复合相位补偿电路。
[0007]所述电流互感器采用高精度差分式。
[0008]所述总线采用SPI通信方式。
[0009]所述键盘包括专用芯片CH452。
[0010]所述显示器为128X64点阵的液晶矩阵式。[0011]所述时钟芯片包括专用芯片DS3231。
[0012]所述外设端口包括MAX485总线转换器。
[0013]虽然CS5460A是一款高性能的单相电参数计量芯片，精度高、线性度好，在电能计量方面已经有很多成功的应用，改变了传统电参数测量的概念，但为了实现更高精度的集成化测量，便需要对可能引起误差的环节进行补偿。
[0014]误差源一方面来自于电流互感器的测量误差，可以通过设计高精度的互感器来解决；另一方面，调理电路中的采样电阻以及计量芯片本身的性能误差，会造成脉冲输出的不准确，这通过功率的增益校准来提高脉冲输出的精度；还有一种比较严重的误差，来源于电压输入和电流输入通道电气性能的不一致，这样会产生相位差，再加上电流互感器的角差，就会使得每一相电路中的电压和电流信号，在经过互感器和信号调理电路之后都产生综合的相位差，消除这个相位差对于精度的提高有着至关重要的作用。
[0015]CS5460A芯片内部虽然集成了相位补偿环节，但是其补偿度和可调性受硬件的限制比较大，从效果看，并不如本方案中，与芯片相连接的外接相位补偿模块，尤其是复合相位补偿电路的应用，把传统的滞后相位补偿电路作为固定移相单元，并加入可调移相单元，使补偿的精度更高且可控。
[0016]微处理器ATMEGA162与CS5460A芯片的配合使用，可以使设计人员在功耗和执行速度之间取得平衡，也可以在设计成本与测量精度之间取得平衡。外设单元新增实时时间/日历信息，使查询更加方便；外设端口的扩展，更方便与上位机进行数据交互，智能化程度更闻，达到闻精集成的效果。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。
[0018]图1是本实用新型的系统硬件结构框图。
[0019]图2是本实用新型的电压采样设计原理图。
[0020]图3是本实用新型的电流采样设计原理图。
[0021]图4是本实用新型的相位补偿模块设计原理图。
[0022]图5是本实用新型的CS5460A外围电路设计。
[0023]图6本实用新型的上位机电参数采集单元程序流程图。
【具体实施方式】
[0024]实施例
[0025]如图1至图6所示，一种高精度集成型的电参数测量仪，包括采样单元、计量单元
4、微处理器单元及外设单元，所述计量单元4包括CS5460A芯片，所述外设单元包括键盘5、显示器6、存储器7、时钟电路8以及外设端口 9，所述各单元之间采用总线连接，所述计量单元还包括与CS5460A芯片相连接的相位补偿模块3，所述采样单元包括电流互感器2与电阻分压网络1，所述微处理器采用与CS5460A芯片相匹配的ATMEGA162处理器10。
[0026]该实施例中，由于CS5460A的输入通道只能接受小于250 mV的小电压信号，大的电压和电流要先经过调理才能与CS5460A的输入通道相连接。电压和电流输入如图2和图3所示，分别采用电阻分压网络和电流互感器的信号调理方式，将需要检测的电流和电压信号变为150 mV之内的小信号，满足CS5460A的测量范围。同时，互感器还起到与电力线隔离的目的，从而减小了电力线上交流信号窜入CS5460A输入通道的各种干扰信号。
[0027]为了达到高精度要求，电流互感器(即图3中的CT)采用高精度差分式，例如TLI4970型电流互感器，它利用差分测量原则，可抑制外部磁场带来的干扰，因此测量偏差极低，仅为25mA;同时，这种电流互感器采用了独立的测量温度和机械应力的结构，可以实现长期测量的稳定性与高精度的要求。
[0028]计量单元中的CS5460A芯片，根据采样的电流和电压计算出各相的参数值，然后将电流、电压和功率等参数值通过SPI总线传送给微控制器ATMEGA162，微控制器负责完成数据的处理、显示、存储及传送.因为CS5460A是单相的电能计量芯片，所以如果采用三相三线制，则需要两片CS5460A，三相四线制则需要三片CS5460A.本实施例设计为同时兼容这两种方式，所以采用了三片CS5460A。
[0029]电能计量芯片CS5460A，一方面连接外部的相位补偿电路，补偿电路如图4所示，作为优选实施例，正/负电压幅值均取5V，Cl取0.01uF，C2取0.1uF, Rl取10ΚΩ，VR程满量程取50ΚΩ。整个补偿电路的前级为滞后补偿环节，可以用来固定补偿角度，后接包含可变电阻的移相环节，可以使整个移相角度在要求的移相范围内可调，通常可以取前级移相电路的工作点角度为90度左右，此时补偿性能最好，灵敏度最大，然后通过后级可调移相环节选择对频率影响最小的插入点，经实施例的反复试验及可变电阻的反复调整，后级移相环节的工作点宜选择在4度左右。
[0030]另一方面，电能计量芯片CS5460A通过内部的功率增益校准来提高脉冲输出的精度，校准可按照以下步骤进行:
[0031]1、在指定电压范围内输入交流信号到芯片的VIN土、IIN土脚。例如:电压/电流通道最大输入电压为±250!1^，为适应更大的电压范围，系数取0.6，即输入交流信号为150mV，在实施例中优选取IlOmV ;2、停止计算，中止A/D转换，在串口上发OxaO命令；
[0032]3、执行电压通道AC增益校准命令，在串口上发0xd6命令；4、在串口上发Oxle命令，读状态寄存器内的DRDY位。如果读取结果为1，则表示校准已完成，不为I则等待完成。5、Vrms寄存器值近似等于0.6，在串口上发0x08命令，去读电压通道AC增益寄存器值并把存到存储器中，校准完成。
[0033]芯片CS5460A与微处理器ATMEGA162通过SPI接口来实现数据的传输，ATMEGA162顺次读取每片CS5460A的电流、电压有效值以及电能寄存器中的数据，并对读出的数据进行处理，电流、电压的有效值寄存器是无符号位的24位寄存器，其值在O到I之间，表示当前测量值与满量程的比值；对电流、电压有效值寄存器进行数据处理时，只需要将寄存器的值乘以满量程值，即可得到需要的电流和电压有效值；有功功率是从上一周期的电能转换寄存器得到的，其方法为将最近5次的电能值累加起来，每次200 ms，从而可得到有功功率值。以单片的CS5460A的引脚为例，其接口电路如图5所示，给出A相的电路原理图，其余两相与A相相同。 [0034]下位机电参数采集单元程序流程图如图6所示.系统中三片CS5460A的脉冲输出引脚分别与ATMEGA162的三个外部中断引脚相连，当有外部中断时，首先判断EDIR输出，如果EDIR为低则表明电能方向为负，此时就要从总能量中减去一个脉冲代表的电能，为高则加上一个脉冲代表的电能.[0035]在外设单元中，采用时钟芯片DS3231作为系统时钟源.该芯片包含了实时时钟/日历和31字节的静态RAM，它经过一个简单的串行接口与微控制器通信，实时提供当前时钟/日历等信息；同时，系统使用存储器AT24C16来保存系统校准参数和能量值.AT24C16是AT24C系列中的一种典型EEPROM芯片，容量为2048x8位，每个字节允许擦写10万次；外设中的键盘为20个按键输入，包括数字键O— 9、以及互感器的测量、变比、校验、存储、总线、清除、确认、选择、浏览以及复位键等.键盘的实现采用了键盘专用芯片CH452，从而简化了键盘电路的设计；外设显示采用了 128X64点阵的矩阵式液晶显示器IXD12864，用于在线显示系统各种工作状态，并实时监控与上位机的连接状态.液晶与微控制器问采用了并口方式，从而加快了数据的传输速率.此外，为了方便与上位机进行数据交互，扩展了 485总线接口，选用的是MAX頂公司的MAX485型总线转换器。
[0036]以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制。凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本实用新型技术方案的范围内。
【权利要求】
1.一种高精度集成型的电参数测量仪，包括采样单元、计量单元、微处理器单元及外设单元，所述计量单元包括CS5460A芯片，所述外设单元包括键盘、显示器、存储器、时钟电路以及外设端口，所述各单元之间采用总线连接，其特征在于:所述计量单元还包括与CS5460A芯片相连接的相位补偿模块，所述采样单元包括电流互感器与电阻分压网络，所述微处理器采用与CS5460A芯片相匹配的ATMEGA162处理器。
2.如权利要求1所述的高精度集成型的电参数测量仪，其特征在于:所述相位补偿模块包括复合相位补偿电路。
3.如权利要求1所述的高精度集成型的电参数测量仪，其特征在于:所述电流互感器采用高精度差分式。
4.如权利要求1所述的高精度集成型的电参数测量仪，其特征在于:所述总线采用SPI通信方式。
5.如权利要求1所述的高精度集成型的电参数测量仪，其特征在于:所述键盘包括专用芯片CH452。
6.如权利要求1所述的高精度集成型的电参数测量仪，其特征在于:所述显示器为128X64点阵的液晶矩阵式。
7.如权利要求1所述的高精度集成型的电参数测量仪，其特征在于:所述时钟芯片包括专用芯片DS3231。
8.如权利要求1所述的高精度集成型的电参数测量仪，其特征在于:所述外设端口包括MAX485总线转换器。
【文档编号】G01R15/12GK203825066SQ201420153204
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2014年3月31日 优先权日:2014年3月31日
【发明者】王文涛, 刘启民, 林森, 曹建庄, 王思帆 申请人:国家电网公司, 国网河南省电力公司周口供电公司