一种专线用户节能智能诊断仪的制作方法
【专利摘要】本实用新型提供一种专线用户节能智能诊断仪，包括：三相电压电流信号传感单元、同步采样信号单元、信号调理单元、A/D采样单元、DSP核心处理单元、CPLD及其外围人机交互单元和外围接口单元，所述三相电压电流信号传感单元、信号调理单元、A/D采样单元、DSP核心处理单元、CPLD及其外围人机交互单元依次连接；基于最新的DSP技术，使得数据处理快速、精确，并采用科学的检测手段，从根本上克服了采样数据慢、不完整和不精确的缺点，该仪器具有操作简单、可便携、成本低、智能化强、测量精度高，抗干扰能力强等特点，在节能诊断装置上具有一定的创新性。
【专利说明】一种专线用户节能智能诊断仪
所属【技术领域】
[0001]本实用新型涉及专线用户节能潜力诊断仪，特别是涉及一种专线用户节能智能诊断仪。
【背景技术】
[0002]我国进入二十一世纪以来迎来了一个建设发展的高速发展期，2010年我国⑶P超过日本成为全球第二大经济体，2011年中国凭借当年消费22.65亿吨标准油，超过美国的21.7亿吨标准油成为全球第一大能源国，但我国单位GDP能耗却仍是世界平均水平的三倍左右，在国际上处于很落后的位置。自20世纪70年代发生全球性的能源危机后，世界各国政府开始认识到能源的重要性，很多国家建立了自己的节能政策和审计计划。它是一种专业性审计活动，是审计单位依据国家有关的节能法规和标准，对企业和其他用能单位能源利用的物理过程和财务过程进行检验、核查和分析评价。
[0003]节能诊断作为能源审计中针对企业用电情况和节电潜力发掘的初步诊断，可以更好的判断企业生产电耗，对企业节电潜力挖掘，科学合理配置用电设备的使用，提高用电设备的用电使用效率，防止浪费电，特别是大型的耗电设备，通过一定的诊断措施，合理、科学地投入和使用，同时注重用电质量与用电安全等目标，这对于企业来说，具有重大的意义。
[0004]用户端内部的配电系统普遍缺乏在线监测系统，即便有在线监测系统，但在电能质量数据采集、存储和分析方面技术存在着不足，故我们特研制了基于TMS320F2812的专线用户节能智能诊断仪。该仪器“即插即用”、可至少存储一周数据，在用户不停电的条件下，对各类大用户的用电情况和电能质量可实施有效地在线监测和数据记录。
实用新型内容
[0005]基于此，为了快速、精确地测得实际专线用户的电能使用情况，并针对实际电能使用和配置情况提供合理的措施和建议，使得专线用户做到最大化节能生产，因此，本实用新型提供一种专线用户节能智能诊断仪。
[0006]一种专线用户节能智能诊断仪，包括:三相电压电流信号传感单元、同步信号采样单元、信号调理单元、Α/D采样单元、DSP核心处理单元、CPLD及其外围人机交互单元和外围接口单元；
[0007]所述三相电压电流信号传感单元、信号调理单元、Α/D采样单元、DSP核心处理单元、CPLD及其外围人机交互单元依次连接；
[0008]所述同步采样信号单元连接至所述三相电压电流信号传感单元和Α/D采样单元之间；
[0009]所述外围接口单元连接至所述DSP核心处理单元和CPLD及其外围人机交互单元之间；
[0010]所述三相电压电流信号传感单元连接至专线用户待测线路。
[0011]进一步，三相电压电流信号传感单元包括:电压电流采集器、霍尔传感器、仪表放大电路和切换控制电路，其中电压电流采集器包括电流钳和电压钳两部分；
[0012]所述电压电流采集器、霍尔传感器、仪表放大电路依次连接，并连接至信号调理单元中的带通滤波电路上；
[0013]所述电压电流采集器连接至专线用户待测线路；
[0014]所述切换控制电路连接至所述DSP核心处理单元的DSP数据分析芯片和仪表放大电路之间；
[0015]进一步，所述DSP核心处理单元的DSP数据分析芯片通过切换控制电路连接至所述仪表放大电路上。
[0016]进一步，所述同步信号采样单元包括:依此连接的过零比较电路和锁相环同步倍频电路；
[0017]所述过零比较电路连接至所述仪表放大电路和锁相环同步倍频电路之间；
[0018]所述锁相环同步倍频电路连接至所述Α/D采样单元的MAX1324芯片主电路。
[0019]进一步，所述过零比较电路主要由⑶4052芯片、0PA4227芯片及其外围电路构成，并连接至锁相环倍频电路。
[0020]进一步，所述信号调理单元包括:依次连接的带通滤波电路、运算放大电路和信号缓冲电路；
[0021]所述带通滤波电路连接至所述三相电压电流信号传感单元的仪表放大电路和所述运算放大电路之间；
[0022]所述信号缓冲电路连接至所述Α/D采样单元的MAX1324芯片主电路上。
[0023]进一步，所述DSP核心处理单元包括:DSP数据分析芯片、DSP外围电路、FLASH和外扩RAM。
[0024]所述DSP数据分析芯片连接至所述Α/D采样单元和所述DSP外围电路之间；
[0025]所述DSP外围电路连接至所述CPLD及其外围人机交互单元的CPLD数据缓冲模块上;
[0026]所述FLASH、外扩RAM连接至所述DSP外围电路和所述CPLD及其外围人机交互单元的存储模块之间。
[0027]进一步，所述DSP数据分析芯片为TMS320F2812芯片，连接至DSP外围电路、FLASH和外扩RAM电路；
[0028]所述外扩RAM采用IS61LV25616静态RAM存储芯片，连接至SST39VF800芯片，并共同连接至所述DSP数据分析芯片。
[0029]进一步，所述CPLD及其外围人机交互单元，包括CPLD数据缓冲模块、通讯模块、存储模块、显示屏和键盘；
[0030]所述CPLD数据缓冲模块由大规模集成电路芯片EPM3256SQC144元件组成，将DSP2812芯片与通讯模块、存储模块、显示模块和按键输入模块四个模块无缝对接；
[0031 ] 所述通讯模块采用RS232和RS485的有线通讯和GPRS无线通讯两种方式；
[0032]所述存储模块主要由CH376控制管理芯片及其外围电路、SD卡槽、USB接口电路等组成，其中SD卡槽连接至CH376控制管理芯片，CH376控制管理芯片及其外围电路连接至MAX1324芯片及其外围电路；
[0033]所述显示模块采用IXD12864液晶模块，连接至74LVC16245芯片及其外围电路；[0034]所述键盘采用按键触发电路，连接在IXD12864显示屏和DSP数据分析芯片之间。
[0035]进一步，所述外围接口单元包括SD卡接口、USB接口、RS-232接口和DC+5V接口。
[0036]该仪器具有以下优势:
[0037]第一，高精度的监测各项数据，其中包括电压、电流、功率因素、有功功率、无功功率、视在功率、电压偏差、频率偏差、基波功率因素、三相电压不平衡、三相电流不平衡、各次电压电流谐波量、各次谐波畸变率、间谐波等电力参数，为能源审计提供精确、详细的数据，也对解决电能质量问题的针对措施具有重要的意义。
[0038]第二、采用MAX1324芯片作为AD采样数据芯片，测量精度高，转换速度速率高，使转换时间大大减小，而且也减少了 AD转换芯片硬件设置和软件设计的复杂度。
[0039]第三、过零比较和锁相倍频采样方法，可消除采样不同步和周期测量误差对测量精度的影响。
[0040]第四、从成本控制及系统优化上考虑芯片选型，充分利用外设资源，使得系统简约高效，从而使得该装置成本低。
[0041]第五，存储方式可用U盘或SD卡，灵活多变，且可移动，可大容量存储。这样可使数据的拷贝更为方便，同时对于所监测到的数据，可以通过该诊断仪进行就地分析，并实现长时间的数据记录功能，从而更有利于对专线用户用电情况进行科学、合理诊断，做到最大化节能生产。
【专利附图】
【附图说明】
[0042]图1为本实用新型基于TMS320F2812的专线用户节能智能诊断仪的结构示意图；
[0043]图2为一个实施例的基于TMS320F2812的专线用户节能智能诊断仪的结构示意图；
[0044]图3为一个应用实例的基于TMS320F2812的专线用户节能智能诊断仪的结构示意图；
[0045]图4为本实用新型的基于TMS320F2812的专线用户节能智能诊断仪的诊断运行流程图；
[0046]图5为本实用新型的基于TMS320F2812的专线用户节能智能诊断仪的DSP主程序、信号采样和数据计算分析主程序流程图；
[0047]图6为本实用新型的基于TMS320F2812的专线用户节能智能诊断仪的SD卡读写电路图；
[0048]图7为本实用新型的基于TMS320F2812的专线用户节能智能诊断仪的U盘读写电路图。
【具体实施方式】
[0049]下面结合附图对本实用新型的基于TMS320F2812的专线用户节能智能诊断仪的【具体实施方式】作详细描述。
[0050]图1为本实用新型的基于TMS320F2812的专线用户节能智能诊断仪的结构示意图，包括:三相电压电流信号传感单元、信号调理单元、同步信号采样单元、Α/D采样单元、DSP核心处理单元、CPLD及其外围人机交互单元和外围接口单元。[0051]其中，三相电压电流信号传感单元、信号调理单元、A/D采样单元、DSP核心处理单元、CPLD及其外围人机交互单元依次连接；三相电压电流信号传感单元接至专线用户待测线路；同步采样信号单元连接到三相电压电流信号传感单元和Α/D采样单元之间；外围接口单元分别与DSP核心处理单元和CPLD及其外围人机交互单元连接。
[0052]上述基于TMS320F2812的专线用户节能智能诊断仪，通过三相电压电流信号传感单元对专线用户待测线路上的三相电压、三相电流信号进行采集，并经过信号调理单元进行处理后传递到Α/D采样单元，同时三相电压信号经过同步采样信号单元处理后，也传递到Α/D采样单元，Α/D采样单元采样速度快、采样精度高，对处理后的三相电压、三相电流信号进行采样处理后，模拟信号变成数字信号，再将数字信号送到DSP核心主单元上，经DSP核心芯片进行FFT处理和分析，计算出各种对用户有用的电力参数，如基波频率和各次谐波幅值、相位，基波电压、电流有效值，三相有功功率、无功功率、视在功率和三相功率因数，三相电压、电流畸变率等等。将这些有用的电力参数导入到与之配套的节能诊断和能源审计系统软件中来，得到用户节能审计系统报告，通过报告分析，可以得到用户的电能使用情况、配置情况，进而给用户提供最大化节能措施和建议，以使用电企业进行最大化节能生产，有效利用电能，同时注重实现用电安全和用电质量等目标。
[0053]本专线用户节能潜力智能诊断仪基于最新的DSP技术，数据分析快速、精确，并采用科学的检测手段、高精度的Α/D采样模块，从根本上杜绝了检测不到位、不全面，采样数据不完整、不精确、采样慢的情况，同时该仪器具有操作简单、可便携、成本低、智能化强、测量精度闻，抗干扰能力强等优点。
[0054]参见图2所示，图2为一个实施例的基于TMS320F2812的专线用户节能智能诊断仪的结构示意图。
[0055]在其中一个实施例中，所述三相电压电流信号传感单元包括:电压电流采集器、霍尔传感器、仪表放大电路和切换控制电路，其中电压电流采集器包括电流钳和电压钳两部分。
[0056]所述电压电流采集器、霍尔传感器、仪表放大电路依次连接，并连接至信号调理单元中的带通滤波器上；
[0057]所述电压电流采集器连接至专线用户待测线路；
[0058]所述仪表放大电路连接至Α/D采样单元的带通滤波器；
[0059]所述切换控制电路由所述DSP数据分析芯片I/O 口出来连接至仪表放大电路上；
[0060]通过电压电流采集器，使本诊断仪连接到专线用户待测线路上，其中采集器中的电流钳钳到三相线路上，采集待测线路三相电流信号；采集器中的电压钳夹到待测线路的母线排上，采集待测线路三相电压信号。电压电流采集器测取的三相电压、三相电流信号通过霍尔传感器CLSM-1OmA传递到仪表放大电路，经仪表放大电路后送入信号调理单元进行滤波、运算放大及缓冲处理，同时，三相电压信号送入到同步信号采样单元，经过过零比较电路后，由锁相环同步倍频电路进行自动、快速跟踪锁定采样，始终保证采样频率为所测线路频率的256倍。
[0061]仪表放大器具有精度高、低功耗、共模抑制比高、工作频带宽的特点；采用多级放大、滤波的方式，对电流信号进行逐级放大、逐级滤波，有效抑制干扰信号和噪声的影响，提高采样的精度和高信噪比；切换控制电路可以根据微处理器单元检测到的电流信号的数量级，控制仪表放大器切换至相应的放大倍数进行放大，通过改变增益放大倍数来实现量程切换，保证各个数量级的电流信号的测量线性度和精度。
[0062]在其中一个实施例中，所述同步信号采样单元包括:过零比较电路和锁相环同步倍频电路。
[0063]所述过零比较电路连接在三相电压电流信号传感单元的仪表放大电路和锁相环同步倍频电路之间；
[0064]所述锁相环同步倍频电路连接在过零比较电路和Α/D采样单元的MAX1324芯片主电路之间；
[0065]过零比较电路通过将所述三相电压电流信号传感单元过来的三相电压信号与阈值电压进行比较，将三相电压模拟信号转化为脉冲信号，使信号具有较强的信噪比和抑制零点漂移等特点。基于此，过零检测电路根据电压过零的点可检测出所测电路的周期，从而确定出所测电路的频率。再利用锁相倍频电路构成频率跟踪电路，对所测电路的频率进行同步倍频256次，得到的倍频信号作为Α/D采样的周期控制信号，实现了在一个工频周期里采集256个点的采样频率，且这256个点间是同步等间隔采样的，供后面的DSP芯片及其外围模块的FFT运算分析。这种采样方式提高测量数据的实时性和可靠性。
[0066]所述锁相环倍频电路则由⑶4046、⑶4040构成，⑶4046为通用CMOS锁相环集成电路，由线性压控振荡器、2个相位比较器和低通滤波器电路组成。通过⑶4040芯片的分频作用，使得该锁相环倍频电路对从过零比较电路出来的脉冲电压信号进行实时跟踪，当被测信号频率变化时，电路自动、跟踪并快速锁定信号，始终保证采样频率为所测线路频率的256 倍。
[0067]在其中一个实施例中，所述信号调理单元包括:带通滤波电路、运算放大电路和信号缓冲电路。
[0068]所述带通滤波电路、运算放大电路和信号缓冲电路依次连接；
[0069]所述信号缓冲电路与所述Α/D采样单元的MAX1324芯片主电路连接。
[0070]信号调理单元就是将待测线路三相电压、电流信号通过放大、滤波等操作转换成采集设备能够识别的标准信号，使其适合于模/数转换器(ADC)的输入。然后，ADC对模拟信号进行数字化，并把数字信号送到MCU、DSP或其他数字器件，以便用于系统的数据处理。
[0071]由三相电压电流信号传感单元出来的三相电压、三相电流信号流入信号调理电路，首先经带通滤波电路进行滤波处理，得到所需频率、幅值、相位的电压电流信号，继而由运算放大电路对三相经过滤波处理过的三相电压电流进行增益放大处理，确保整体数据处理分析的精度，最后将精度做够的信号通过信号缓冲电路送入Α/D采样单元进行快速、精确数模转换，使转换成的数字信号能够为DSP主处理单元识别和使用。
[0072]在其中一个实施例中，所述Α/D采样单元包括:MAX1324芯片主电路和采样数字信号缓冲电路。
[0073]所述MAX1324芯片主电路连接在所述信号调理单元的信号缓冲电路和所述Α/D采样单元的采样数字信号缓冲电路之间；
[0074]所述采样数字信号缓冲电路连接至所述DSP主处理单元的DSP数据分析芯片；
[0075]经信号调理单元出来的三相电压、三相电流信号送入到Α/D采样单元的MAX1324芯片主电路，该电路对模拟信号进行快速、精确采样，转换成数字信号，该MAX1324芯片是一种14位高速并行A/D，8个采样通道、同步采样ADC转换器，可提供± 5V或O至+5V模拟出入范围，可提供±16.5V的过压保护，具有转换速率快、优异的动态特性和采集精度。经MAX1324芯片主电路出来的数字信号经过采样数字信号缓冲电路缓冲后送入DSP主处理单元，供DSP主芯片进行分析处理。
[0076]在其中一个实施例中，所述DSP核心处理单元包括:DSP数据分析芯片、DSP数据缓冲电路、FLASH和外扩RAM。
[0077]所述DSP数据分析芯片为诊断仪的核心主芯片，连接在所述A/D采样单元和DSP数据缓冲电路之间；
[0078]所述DSP数据缓冲电路连接在所述DSP数据分析芯片和所述CPLD数据缓冲模块之间；
[0079]所述FLASH连接在所述DSP数据分析芯片和所述CPLD及其外围人机交互单元的存储模块之间，属于一种不挥发性内存。连接在DSP数据分析芯片上；
[0080]所述外扩RAM连接在所述DSP数据分析芯片和所述CPLD及其外围人机交互单元的存储模块之间，用于扩充DSP数据分析芯片的内存容量，将采样数据和DSP核心处理单元计算分析的数据按一定的数据格式存储起来，以传递到SD卡或者U盘中，从而为其配套的节能诊断和能源审计系统软件提供数据文件。
[0081]本单元包含DSP数据分析芯片、DSP数据缓冲电路、FLASH和外扩RAM四个部分。DSP数据分析芯片采用TI公司生产的TMS320F2812芯片，它是一款用于控制的高性能、多功能、高性价比的32位定点DSP芯片，最高可在150MHz下工作。此芯片具有大量的可控制GPIO 口，方便控制与外围电路的连接。该芯片集成度非常高、运算速度快，具有卓越的数字信号处理能力，是数字信号控制领域最常用的芯片平台。同时，数据分析芯片TMS320F2812DSP芯片利用CS片选拉低，对Α/D采样芯片MAX1324采样转换的数字信号在所测的一个周期内采集128点的数据。这些采样数据经数据分析芯片TMS320F2812可得到三相电压、三相电流有效值，再对采样收集到的三相电压、三相电流进行FFT快速傅里叶运算，即可求出基波和各次谐波的频率、电压、幅值和相位，以及各相有功功率、无功功率、视在功率、功率因数和各次谐波畸变率、总畸变率等等电力参数的数据。快速傅里叶变换(FFT)是一种将时域信号转变为频域信号的变换形式，是数字信号处理中对信号进行分析是经常采用的一种方法。利用快速傅里叶变换(FFT)方法能把采样的电压电流的基波和各次谐波分离，并分别计算出所需的基波分量和各次谐波分量的电力参数值。
[0082]DSP主处理单元中，与TMS320F812芯片相连的还有外扩的FLASH和外扩RAM存储芯片。其中外扩FLASH是一种不挥发性内存，在没有电流供应的条件下也能够长久地保持数据，其存储特性相当于硬盘。由于DSP计算分析的数据庞大，且不说完全存储所测线路的全部数据，仅DSP处理后数据，片内RAM已保存的空间已不够。外扩RAM存储芯片和FLASH存储芯片可完整地存放数据和供外部设备读取，使得DSP芯片与同步采样信号模块、CPLD及其外围单元的数据传输更为简便快捷。
[0083]本单元通过DSP数据分析芯片计算和分析由Α/D采样单元传递进来的三相电压、三相电流数字信号，利用FFT快速傅里叶算法算出基波和各次谐波的频率、电压、幅值和相位，以及各相有功功率、无功功率、视在功率、功率因数和各次谐波畸变率、总畸变率等等电力参数的数据，其中算法和控制程序存放在所述FLASH中，临时采样数据经过所述DSP数据缓冲电路缓存后存储在所述外扩RAM中，以方便读写到SD卡或者U盘中。
[0084]在其中一个实施例中，所述CPLD及其外围人机交互单元包括:CPLD数据缓冲模块、显示屏、键盘、存储模块和通讯模块。
[0085]所述CPLD数据缓冲模块为CPLD主处理电路，连接到DSP数据分析芯片和其外围电路上；
[0086]所述显示屏连接在CPLD数据缓冲模块上，用于显示当前三相电力参数的情况；
[0087]所述键盘输入模块通过按键触发电路连接在CPLD数据缓冲模块和DSP数据分析芯片之间，用于人工操作显示屏；
[0088]所述存储模块连接至所述CPLD数据缓冲模块上，包括SD卡和U盘两种存储介质；
[0089]所述通讯模块连接到CPLD数据缓冲模块上，可用RS232和RS485实现有线通讯功能，亦可用蓝牙模块实现GPRS无线通讯功能，用于数据传输，分为RS232、RS485有线通讯和GPRS无线通讯两种方式；
[0090]CPLD及其外围单元包含五个主要的部分，这五个部分对于最终的数据存储和显示和面板控制起到重要的作用，其中CPLD数据缓冲模块由大规模集成电路芯片EPM3256SQC144元件组成，具有110个I/O 口，逻辑运算快，该元件将DSP2812芯片与通讯模块、存储模块、显示模块和按键输入模块四个模块无缝对接，完成对上述四个模块的逻辑控制，使得DSP2812芯片与上述四个模块之间数据传输更为快捷；显示屏采用IXD12864显示模块，该模块带中文字库，显示分辨率高，可构成全中文人机交互图形界面；键盘输入电路采用按键触发电路，利用DSP数据分析芯片的I/O 口信号来控制显示屏的操作，该键盘输入模块与CPLD相连，用于人工手动输入控制检测仪器；存储模块是利用外扩FLASH扩展存储容量，并利用文件管理控制芯片CH376读写USP (如U盘)或者SD卡中的文件，USB存储设备可存储大量的数据，使得该存储模块可以存储至少一周的数据量，同时，采用USB存储设备可使得该仪器具有可插拔移动存储的功能；通讯模块采用UART芯片TL16C550，它采用RS232、RS485有线通讯方式和GPRS无线通讯方式，其主要功能是为数据电路端接设备(DCE)和数据终端设备(DTE)之间提供可靠、灵活的接口服务。通过RS232或RS485接口与监测设备通信，提供传输测量数据和实时监测、在线监测的功能。同时，该数据通讯功能也可以用蓝牙模块控制电路来实现，使得数据可无线传输，提高检测效率，节省检测时间。
[0091]为了更清晰本实用新型的基于TMS320F2812的专线用户节能智能诊断仪，下面阐述一个较佳实施例。
[0092]参见图3所示，图3为一个应用实例的基于TMS320F2812的专线用户节能智能诊断仪的结构示意图。
[0093]三相电压电流信号传感单元01主要包括:依次连接的电流钳02、霍尔传感器03、仪表放大电路05 ;依次连接的电压钳03、霍尔传感器04、仪表放大电路05 ;连接到仪表放大电路05上的切换控制电路06。
[0094]电流钳02和电压钳03接至专线用户待测线路。电流钳02、霍尔传感器04、仪表放大电路05组成三相电流信号传感电路，采集待测线路的三相电流信号。依次连接的电压钳03、霍尔传感器04、仪表放大电路05组成三相电压信号传感电路，采集待测线路的三相电压信号。其中，霍尔传感器可以采用CLSM-1OmA霍尔传感器，该传感器具有线性输出、高精度、高响应速度、抗干扰能力强等特点。仪表放大电路可以采用INAl 18放大器。切换控制电路6可以由SN74LVC4245芯片和⑶4051芯片构成，通过DSP数据分析芯片18的I/O控制口输出控制信号，经SN74LVC4245芯片控制⑶4051的模拟电子开关切换，以改变仪表放大电路05中放大器的比例电阻值，从而改变电路的增益放大倍数。
[0095]同步采样信号单元11主要包括:过零比较电路12、锁相环倍频电路13。
[0096]过零比较电路通过将所述三相电压电流信号传感单元过来的三相电压信号与阈值电压进行比较，将三相电压模拟信号转化为脉冲信号，使信号具有较强的信噪比和抑制零点漂移等特点。基于此，过零检测电路根据电压过零的点可检测出所测电路的周期，从而确定出所测电路的频率。再利用锁相倍频电路构成频率跟踪电路，对所测电路的频率进行同步倍频256次，得到的倍频信号作为A/D采样的周期控制信号，实现了在一个工频周期里采集256个点的采样频率，且这256个点间是同步等间隔采样的，供后面的DSP芯片及其外围模块的FFT运算分析。这种采样方式提高测量数据的实时性和可靠性。
[0097]所述锁相环倍频电路则由⑶4046、⑶4040构成，⑶4046为通用CMOS锁相环集成电路，由线性压控振荡器、2个相位比较器和低通滤波器电路组成。通过⑶4040芯片的分频作用，使得该锁相环倍频电路对从过零比较电路出来的脉冲电压信号进行实时跟踪，当被测信号频率变化时，电路自动、跟踪并快速锁定信号，始终保证采样频率为所测线路频率的256 倍。
[0098]信号调理单元07主要包括:带通滤波电路08、运算放大电路09和信号缓冲电路10。
[0099]信号调理单元07将待测信号通过放大、滤波等操作转换成采集设备能够识别的标准信号，使其适合于模/数转换器(ADC)的输入。然后，ADC对模拟信号进行数字化，并把数字信号送到MCU、DSP或其他数字器件，以便用于系统的数据处理。
[0100]信号调理单元07对采集的电压信号、电流信号，经过抗干扰、运算放大器进行放大等处理后，经过信号缓冲电路10缓冲后，由DSP数据分析芯片17的I/O 口控制A/D采样单元14进行ADC处理，再反馈至PWM信号的输出，优选地，信号调理单元07中的运算放大电路09可以采用0PA4227运算放大器。
[0101]由三相电压电流信号传感单元出来的三相电压、三相电流信号流入信号调理电路，首先经带通滤波电路进行滤波处理，得到所需频率、幅值、相位的电压电流信号，继而由运算放大电路09相经过滤波处理过的三相电压电流进行增益放大处理，确保整体数据处理分析的精度，最后将精度做够的信号通过信号缓冲电路送入A/D采样单元进行快速、精确数模转换，使转换成的数字信号能够为DSP主处理单元识别和使用。
[0102]A/D采样单元14主要包括:MAX1324采样芯片15及采样信号缓冲电路32。
[0103]该A/D采样单元采用MAX1324采样芯片15，经信号调理单元07出来的三相电压、三相电流信号送入到A/D采样单元14的MAX1324芯片14主电路，该电路对模拟信号进行快速、精确采样，转换成数字信号，并通过采样信号缓冲电路32传输到DSP核心处理单元16中。该MAX1324芯片15是一种14位高速并行A/D，8个采样通道、同步采样ADC转换器，可提供±5V或O至+5V模拟出入范围，可提供±16.5V的过压保护，具有转换速率快、优异的动态特性和采集精度。经MAX1324芯片15主电路出来的数字信号经过采样数字信号缓冲电路缓冲后送入DSP主处理单元，供DSP主芯片进行分析处理。
[0104]DSP核心处理单元16主要包括:DSP数据分析芯片17、DSP外围电路18、FLASH存储芯片19和外扩RAM存储芯片20。
[0105]CPLD及其外围单元21主要包括:显示屏22、键盘23、CPLD数据缓冲模块24、存储模块25和通讯模块26。
[0106]其中，DSP数据分析芯片18主要用于对电流信号和电压信号米样的ADC转换,输出PWM信号以及对采样数据的智能分析计算和处理，电压信号和电流信号经过采集后送往DSP数据分析芯片17进行数据采样转换，在DSP数据分析芯片17中对所采样的数据进行数字滤波后，通过快速傅里叶(FFT)运算，即可求出基波和各次谐波的频率、电压、幅值和相位，以及各相有功功率、无功功率、视在功率、功率因数和各次谐波畸变率、总畸变率等等电力参数的数据。优选地，DSP数据分析芯片17采用TMS320F2812芯片，存储模块25可以采用LV25616静态RAM存储芯片，连接至SST39VF800芯片，并共同连接至DSP数据分析芯片；CPLD数据缓冲模块24与TMS320F2812芯片17相连，由大规模集成电路芯片EPM3256SQC144元件组成，具有110个I/O 口，逻辑运算快。该元件将TMS320F2812芯片17与通讯模块、存储模块、显示模块、按键输入模块四个模块无缝对接，完成对上述四个模块的逻辑控制，使得TMS320F2812芯片与上述的四个模块之间数据传输更为快捷，增强了系统抗干扰能力；显示屏22和键盘23，优选地，显示屏22为液晶显示屏，可以采用IXD12864带全中文字库液晶显示模块，通过显示屏22显示和读取键盘23的按键状态，实现人机交互、显示测量结果或保存相关参数设置。
[0107]外围接口单元27主要包括:SD卡读口(SD卡卡槽)28、USB接口 29、RS-232接口30 和 DC+5V 接口 31。
[0108]对于SD卡读写和U盘读写，优选地，可以采用稳健管理控制芯片CH376读写USB存储设备(如U盘)或者SD卡中的文件，USB存储设备可储存大量的数据，采用USB存储设备可使该仪器存储容量大大增加，同时使得该仪器具有可插拔移动存储的功能；对于USB接口，可实现U盘读写功能，读写DSP数据分析芯片17计算分析和处理的数据；RS-232接口使得该诊断仪具有RS-232有线通讯功能；对于DC+5V接口 31，通过该接口接入5V直流电源，为整个诊断仪供电，保证仪器正常工作。
[0109]参见图4所示，图4为一个实施例的基于TMS320F2812的专线用户节能智能诊断仪的运行流程图。
[0110]本实用新型的基于TMS320F2812的专线用户节能智能诊断仪运行流程描述如下:
[0111]首先仪器接线完成后，检查接线正确无误后，即开始检测，仪器进入初始化状态，初始化完成后，即进入启动测量状态，诊断仪开始采样待测线路三相电压、电流信号，若采样未完成，则继续采样，直至采样结束，采样数据进入Α/D采样模块，进行ADC转换，转换成功的数字信号进入DSP数据分析芯片进行处理计算和分析，得到要用到的各种有价值的电力参数，以一定数据格式读写到SD卡或U盘中，同时通过液晶模块显示出来，也可通过数据通讯模块进行数据传输。待数据读写到SD卡或者U盘中后，即可将数据导入到配套能源审计和节能潜力系统分析软件中来，生产节能诊断报告，通过报告反映专线用户的耗能情况，并提高相应的合理性措施和建议，使得用户或者企业进行最大化节能生产。
[0112]参见图5所示，图5为一个实施例的基于TMS320F2812的专线用户节能智能诊断仪的DSP主程序流程图、信号采样和数据计算分析流程图。描述如下:
[0113]DSP主程序运行流程图:检测开始启动，DSP初始化，同时开放中断，功能单元进行数据采样，完成A/d转换，送入DSP进行数据处理分析，并最终显示结果。
[0114]信号采样和数据计算分析流程图:三相电压、电流信号采集开始启动，采集信号先进行初步信号调理，然后进行Α/D采样，Α/D转换的同时，转换成的数字信号送入DSP中进行采样分析，采样方式为256点采样，带采样完成，DSP利用FFT算法对采样数据进行处理，计算分析得到基波频率和各次谐波幅值、相位，基波电压、电流有效值，各相功率、功率因数，各次谐波畸变率、总畸变率等电力参数，至此，信号采样和数据计算分析过程结束。
[0115]参见图6和图7所示，图6为一个实施例的基于TMS320F2812的专线用户节能智能诊断仪的SD卡读写电路图，图7为一个实施例的基于TMS320F2812的专线用户节能智能诊断仪的U盘读写电路图。
[0116]SD卡或U盘读写是本实用新型的基于TMS320F2812的专线用户节能智能诊断仪的一大特色之处，利用SD卡或者U盘读写，大大扩充了 DSP的数据存储容量，使得整个仪器可以连续存储一周的测量数据，大大节省了测量时间，同时这些数据以一定的数据格式存储起来，方便配套节能分析软件使用，提高节能分析效率。
[0117]以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。
【权利要求】
1.一种专线用户节能智能诊断仪，其特征在于，包括:三相电压电流信号传感单元、同步信号采样单元、信号调理单元、Α/D采样单元、DSP核心处理单元、CPLD及其外围人机交互单元和外围接口单元； 所述三相电压电流信号传感单元、信号调理单元、Α/D采样单元、DSP核心处理单元、CPLD及其外围人机交互单元依次连接； 所述同步采样信号单元连接至所述三相电压电流信号传感单元和Α/D采样单元之间； 所述外围接口单元连接至所述DSP核心处理单元和CPLD及其外围人机交互单元之间； 所述三相电压电流信号传感单元连接至专线用户待测线路。
2.根据权利要求1所述的专线用户节能智能诊断仪，其特征在于，三相电压电流信号传感单元包括:电压电流采集器、霍尔传感器、仪表放大电路和切换控制电路，其中电压电流采集器包括电流钳和电压钳两部分； 所述电压电流采集器、霍尔传感器、仪表放大电路依次连接，并连接至信号调理单元中的带通滤波电路上； 所述电压电流采集器连接至专线用户待测线路； 所述切换控制电路 连接至所述DSP核心处理单元的DSP数据分析芯片和仪表放大电路之间。
3.根据权利要求2所述的专线用户节能智能诊断仪，其特征在于，所述DSP核心处理单元的DSP数据分析芯片通过切换控制电路连接至所述仪表放大电路上。
4.根据权利要求2所述的专线用户节能智能诊断仪，其特征在于，所述同步信号采样单元包括:依此连接的过零比较电路和锁相环同步倍频电路； 所述过零比较电路连接至所述仪表放大电路和锁相环同步倍频电路之间； 所述锁相环同步倍频电路连接至所述Α/D采样单元的MAX1324芯片主电路。
5.根据权利要求4所述的专线用户节能智能诊断仪，其特征在于，所述过零比较电路主要由⑶4052芯片、OPA4227芯片及其外围电路构成，并连接至锁相环倍频电路。
6.根据权利要求1所述的专线用户节能智能诊断仪，其特征在于，所述信号调理单元包括:依次连接的带通滤波电路、运算放大电路和信号缓冲电路； 所述带通滤波电路连接至所述三相电压电流信号传感单元的仪表放大电路和所述运算放大电路之间； 所述信号缓冲电路连接至所述Α/D采样单元的MAX1324芯片主电路上。
7.根据权利要求1所述的专线用户节能智能诊断仪，其特征在于，所述DSP核心处理单元包括:DSP数据分析芯片、DSP外围电路、FLASH和外扩RAM ； 所述DSP数据分析芯片连接至所述Α/D采样单元和所述DSP外围电路之间； 所述DSP外围电路连接至所述CPLD及其外围人机交互单元的CPLD数据缓冲模块上； 所述FLASH、外扩RAM连接至所述DSP外围电路和所述CPLD及其外围人机交互单元的存储模块之间。
8.根据权利要求7所述的专线用户节能智能诊断仪，其特征在于，所述DSP数据分析芯片为TMS320F2812芯片，连接至DSP外围电路、FLASH和外扩RAM电路； 所述外扩RAM采用IS61LV25616静态RAM存储芯片，连接至SST39VF800芯片，并共同连接至所述DSP数据分析芯片。
9.根据权利要求1所述的专线用户节能智能诊断仪，其特征在于，所述CPLD及其外围人机交互单元，包括CPLD数据缓冲模块、通讯模块、存储模块、显示屏和键盘； 所述CPLD数据缓冲模块由大规模集成电路芯片EPM3256SQC144元件组成，将DSP2812芯片与通讯模块、存储模块、显示模块和按键输入模块四个模块无缝对接； 所述通讯模块采用RS232和RS485的有线通讯和GPRS无线通讯两种方式； 所述存储模块主要由CH376控制管理芯片及其外围电路、SD卡槽、USB接口电路等组成，其中SD卡槽连接至CH376控制管理芯片，CH376控制管理芯片及其外围电路连接至MAX1324芯片及其外围电路； 所述显示模块采用IXD12864液晶模块，连接至74LVC16245芯片及其外围电路； 所述键盘采用按键触发电路，连接在IXD12864显示屏和DSP数据分析芯片之间。
10.根据权利要求1所述的专线用户节能智能诊断仪，其特征在于，所述外围接口单元包括SD卡接口、USB接口 、RS-232接口和DC+5V接口。
【文档编号】G01R31/00GK203811718SQ201420210383
【公开日】2014年9月3日 申请日期:2014年4月28日 优先权日:2014年4月28日
【发明者】李正佳, 余涛 申请人:苏州华天国科电力科技有限公司