關鍵詞：數據采集系統芯片；三相電能測量

引言
數據采集系統芯片ADuC812(以下簡稱ADuC812)是美國Analog Devices公司投入市場一款性能優越微轉換器產品，芯片內集成了一個完全可編程的、自校準、高精度的模擬數據采集系統。對于ADuC812的ADC模塊采用硬件校正：出廠時對失調和增益誤差調整到最佳的性能，并把校準結果儲存在閃速存儲器中，由任何上電復位事件自動加載以便初始化ADC校正寄存器。這種在線校正特性能夠消除各種與系統和基準相關的誤差(無論是內部基準或外部基準)。體積小、成本低、精度高和速度快是ADuC812顯著特點，這些特點使之在測量中的應用前景非常看好。我們研制的以ADuC812為CPU的三相電能測量系統，可以完成數據采集和三相電壓、電流、功率和電能的實時精確測量。

硬件電路
采用ADuC812構成三相電能測量系統的硬件總體結構如圖1所示。
因ADuC812內部A/D轉換器接受的模擬電壓的輸入范圍為0~+VREF，故需設計6路電平和幅度調節電路。將信號輸入鎖相倍頻電路，精確倍頻4倍的信號送入23引腳(CONVST)，用來啟動ADC。利用ADuC812內部模擬開關切換，使內部12位A/D分時復用地分別對電壓、電流進行采樣。將三相U、I乘積累加，計算出電能，并將其乘系數K，每當電能值達到0.1千瓦時，就通過一I/O口P3.4送出一個低頻脈沖。人機輸入的按鍵可方便地選擇數碼管顯示的量。為在系統研制階段方便地進行程序在線下載、在線調試及與PC機通訊，配有RS232接口。擴展32K字節外部數據區RAM(IS61C256)可保存大量的原始A/D采樣數據。圖2給出了幅度與電平調整的電路。

圖1 ADmC812電能測量系統與結構框圖

圖2 幅度與電平調整電路

圖3 主程序流程圖

軟件設計
系統軟件設計的主要任務是完成六路信號的數據采集、三相電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數以及電能的實時計算，檢測按鍵并把計算結果送數碼管顯示。
軟件算法處理
在研制的新型三相電能測量系統中，采用ADuC812作CPU，對電網信號精確倍頻4倍，以確保每周波采樣4點，并實時計算每周波內各相電壓有效值U、電流有效值I、有功功率值P、無功功率Q、功率因數cosj和電能W，將其值送數碼管進行顯示，實時計算三相電壓、電流乘積累加和，每到0.1千瓦時通過一I/O口送出一個脈沖，同時也送數碼管顯示總的電能值。其各項計算公式見式(1)、(2)、(3)、(4)、(5)和(6)。式中N為每周波的采樣點數，u、i為A/D采集的電壓、電流的瞬時值，∞表示一直在計算電能。其次，為了保證計算的精度，各項指標的計算采用滑動濾波。

主程序設計
首先進行初始化，包括關中斷、定義變量和常數、對各變量置初始值、設置外部中斷1和外部管腳啟動ADC模式。完成初始化工作后，開中斷。每采完5周波，將電壓、電流乘積的累加和與前面10個周波采集的數累加和進行滑動濾波，濾波后的電能值乘以系數K，當電能值為0.1千瓦時的整數倍時，在I/O口送出一低脈沖；根據公式(1)、(2)、(3)、 (4)、(5)，分別計算出電壓、電流有效值、有功功率、無功功率以及功率因數，并根據按鍵，選擇送數碼管顯示的量。主程序流程如圖3所示。

軟硬件混合啟動A/D轉換設計
設計任務書是在保證精度大于1％的前提下，能夠實時采集和計算完六路信號各項指標。ADuC812是高集成度低價格芯片，性價比高，通過內部的模擬開關切換，盡管只有一片A/D轉換器，利用分時復用可實現對6路信號的數據采集。傳統測量中多采用硬件啟動A/D轉換，若本測量系統也全部采用硬件啟動，則硬件電路開銷大。為了使硬件電路簡單，同時也要降低成本，從設計優化方面考慮，提出了采用軟硬件結合在一起混合啟動A/D進行轉換的設計思想。首先，第一路信號由外部管腳啟動ADC；其次，隨后的五路信號用軟件控制，由ADuC812內部定時器2的溢出位用作A/D轉換起始觸發脈沖輸入。
由于ADuC812的指令周期在微秒級，且計算指標多，故在滿足精度要求的前提下，根據取樣定理fS≥2fi(max)，選用一周波對第一路信號4倍頻。一旦第一路信號由外部管腳啟動ADC轉換完后，緊接著在A/D中斷服務程序內啟動ADuC812內部定時器2，讓定時器2的溢出位用作A/D轉換起始觸發脈沖輸入，啟動隨后的5路信號。此時，后5路信號要高采樣頻率，但A/D中斷服務程序要消耗時間，限制了其采樣頻率提高。考慮到測量的電網信號頻率單一，且在40Hz~60Hz范圍內，采用ADCI服務程序消耗的時間加A/D轉換的時間為軟件啟動的采樣周期100ms(即10kHz)，這樣信號間的延時在實際情況下達到最小，以此計算出同相電壓、電流的相對延時約為0.5％。
在ADCI中斷服務程序完成如下工作：首先關中斷，讀取A/D轉換值存入內部數據區，判斷是否對6路信號各采完一個點，已完成則送出6個數據點到外部數據區供主程序計算用；然后進入通道選擇完成模擬開關的切換；最后開中斷并返回。

結語
通過多次測試，我們發現這一基于ADuC812技術的新型電能測量系統能達到預定的實時采樣要求：能對每周波精確倍頻采樣，并能實時處理。采用JWD-2型便攜式數控交流穩壓電源作為輸入信號源，通過與EWH102M標準功率電能表 0.1級三相功率標準電能表進行比對,發現這一基于ADuC812技術的新型電能測量系統能達到千分之五的精度，但儀器成本極低。因此，其市場前景非常廣闊。
參考文獻
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