CN102928706A - 一种交流采集装置及其数据采集方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种交流采集装置及其数据采集方法，包括DSP处理器和与其连接的单片机；A相、B相和C相的交流电压通过精密电阻分压后，再由1.65V基准电压提升为有效值0.7～1V的电压直流信号，并通过运放处理成0～3.3V的电压值后，输出至DSP处理器的A/D转换输入口；A相、B相和C相的交流电流通过电流互感器后，再由1.65V基准电压提升为有效值0.7～1V的小电压直流信号，并通过运放处理成0～3.3V的电压后，输出至DSP处理器的A/D转换输入口；同时将A相或C相交流电压转换的有效值0.7～1V的小电压直流信号，送入滞回比较器，输出至DSP处理器的CAP口。本发明能够满足***的精度要求。
Description
技术领域
本发明涉及电力数据采集领域，尤其涉及一种交流采集装置及其数据采集方法。
背景技术
在一些工矿企业中，经常需要监测电力参数，以便保证供电电源的质量，从而确保产品质量。目前，交流采集装置主要采用8位单片机或16位的DSP进行设计。然而，单片机数据处理能力不足，难以获得全面的电力参数数据；而现有的基于DSP的***中，单DSP***如果选用较昂贵的TMS320F28系列芯片，则成本较高；如果选用通用的TMS320F24系列芯片，由于速度较低，功能受限；而采用TMS320F24系列芯片与8位单片机结合的***中，均用单片机采集瞬时电流和电压信号，仅采用DSP芯片完成参数计算任务。而8位单片机的采集精度不足，就难以保证交流参数的计算精度。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种交流采集装置及其数据采集方法，以便完成交流参数的实时采集、实时计算和实时显示，并满足***的精度要求。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种交流采集装置，包括电压采样模块、电流采样模块、频率采样模块、DSP处理器、单片机和显示模块；电压采样模块，通过精密电阻对A相、B相和C相的交流电压进行分压处理，再由基准电压提升为电压直流信号，并通过运放处理后，分别输出至DSP处理器的A/D转换输入口；电流采样模块，A相、B相和C相的交流电流分别通过电流互感器和基准电压转换为电压直流信号，并通过运放处理后，输出至DSP处理器的A/D转换输入口；频率采样模块，将A相或C相交流电压通过精密电阻和基准电压转换的电压直流信号，送入滞回比较器，再输出至DSP处理器的CAP输入口；DSP处理器与单片机连接，单片机输出端连接显示模块。
作为优选，所述单片机采用AT89S51。
作为优选，所述DSP处理器为TMS320F2407，DSP处理器和单片机通过串行口通信。
作为优选，所述显示模块包括数码管和按键，数码管经MAX7219芯片与单片机连接，按键与单片机I/O口连接。
作为优选，所述数码管为8个，按键为2个。
作为优选，所述单片机通过3个I/O口控制MAX485芯片，从而挂载到485总线上；上位机通过232转485模块连接到485总线上。
一种交流采集装置的数据采集方法，包括DSP处理器和与其连接的单片机；A相、B相和C相的交流电压通过精密电阻分压后，再由1.65V的基准电压提升为有效值0.7～1V的电压直流信号，并通过运放处理成0～3.3V的电压值后，输出至DSP处理器的A/D转换输入口，由DSP处理器计算A相、B相和C相交流电电压的瞬时值；A相、B相和C相的交流电流通过电流互感器后，再由1.65V的基准电压转换为有效值0.7～1V的电压直流信号，并通过运放处理成0～3.3V的电压后，输出至DSP处理器的A/D转换输入口，由DSP处理器计算A相、B相和C相交流电电流的瞬时值；同时将A相或C相交流电压转换的有效值0.7～1V的电压直流信号，送入滞回比较器，处理成方波后，输出至DSP处理器的CAP输入口，由DSP处理器计算出交流电的频率；DSP处理器将计算得到的参数信息传递给单片机，单片机通过显示模块完成交流参数的显示。
作为优选，所述单片机为AT89S51， DSP处理器为TMS320F2407，DSP处理器和单片机通过串行口通信；所述显示模块包括数码管和按键，数码管经MAX7219芯片与单片机连接，按键与单片机I/O口连接；所述单片机通过3个I/O口控制MAX485芯片，从而挂载到485总线上；上位机通过232转485模块连接到485总线上。
作为优选，DSP处理器在每个周期采集64个电压信号和电流信号的瞬时值，计算出三相交流电的三相电压、三相电流、频率、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数、有功电度、视在电度、谐波参数，并存储于存储器中。
作为优选，DSP处理器的定时器0中断设定为1s定时中断。
本发明带来的有益效果为：本发明采用基于TMS320LF2407和8位单片机AT89S51的设计方法，以TMS32LF2407为核心，完成交流信号的采集和计算；而仅以单片机完成交流参数的显示，从而在保证参数采集精度的情况下，完成交流参数的实时采集、实时计算和实时显示。
附图说明
图1为本发明实施例的电路图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
实施例一
如图1所示，一种交流采集装置及其数据采集方法，主要包括以下部分：
第一部分：DSP微控制器TMS320LF2407采集交流电的C相电压频率：
通过电阻R29(330KΩ)和R30(1KΩ)进行分压取样，其中R30是精度为1%的金属膜电阻，从而将外部交流电的C 相电压(有效值≤300V)降压，得到UVc=300/331=0.91V(相对于基准电压1.65V)；
经过运放输出为： 
(相对于基准电压1.65V)，通过1.65V的提升，有效值为300V的交流信号处理为相对于地的0.28～3.02V的直流信号。
上述信号送入N7和R35～R37所组成的反相滞回比较器，滞回比较器的抗干扰能力很强，可以提高测量精度。
滞回比较器有两个阀值。在本电路中，输出电压由低电平变到高电平的阀值,以及输出电压由高电平变到高电平的阀值分别为：
由前面电压采样电路计算的过程，可知Vc相对于数字地的电压值为0.28～3.02V，信号为平均值1.65V的正弦波形。而此滞回比较器正相输入端的基准电压值为GNDA，即1.65V。由以上计算可知，滞回比较器的两个阀值以1.65V为中心，上下偏离0.15V左右，两个阀值之差为0.3V。这样当输入信号受干扰发生变化时，只要变化量不超过0.64V，输出量就会保持稳定，而不会受干扰的影响。
以上信号输入到TMS320LF2407的CAP1端，即可计算出信号的频率。
第二部分：DSP微控制器TMS320LF2407采集交流电的A、B与C相电压：
通过电阻R29(330KΩ)和R30(1KΩ)进行分压取样，其中R30是精度为1%的金属膜电阻，从而将外部交流电的C 相电压(有效值≤300V)降压，得到UVc=300/331=0.91V(相对于基准电压1.65V)；
经过运放输出为：
(相对于基准电压1.65V)，通过1.65V的提升，有效值为300V的交流信号处理为相对于地的0.28～3.02V的直流信号；
以上信号经阻容(R34和C6)滤波和稳压管(D6) 限幅后，进入DSP芯片TMS320LF2407的A/D输入端口ADCIN5引脚；
TMS320LF2407内部的A/D为10位逐次比较型模数转换器，当选用+3.3V的精密基准电源时，其量化单位q为3.22mV（3.3/1024=3.22mV），量化误差为q/2=1.61mV。在一个波形周期内，DSP采样最小值0.63 V时模数转换的精度为1.61×10-3/0.28=0.57％，采样最大值4.37V时模数转换的精度为1.61×10-3/3.02=0.053％，在电流、电压有效值等参数计算公式中，每点采样值处于同等的地位，但起的作用却不同。值越大，起的作用越大，参数的精度也主要由大值来决定。因此，可以认为参数的精度要优于最大和最小精度的平均值。即精度优于0.311％。
同理外部交流电的A 相 电压和B相电压通过类似的处理分别连接DSP芯片TMS320LF2407的A/D输入端口ADCIN3和ADCIN4引脚。
第三部分：DSP微控制器TMS320LF2407采集交流电的A、B与C相电流：
通过电流互感器，将C相电流信号（有效值≤5A）经过精密的电流互感器（精度为0.1％，5mA）和R24(150Ω)转换为小电压信号，小电压信号有效值的大小为：5×10-3×150=0.75V，范围为±5×10-3×150×
=±1.06V （相对电压基准1.65V），相对地为0.59～2.71V；
上述信号经过运放组成的射极跟随器输出；
上述信号经阻容(R28和C5)滤波和稳压管(D5)限幅后，进入DSP芯片TMS320LF2407的A/D输入端口ADCIN2引脚；
在一个波形周期内，DSP采样最小值0.59V时模数转换的精度为0.161×10-3/0.59=0.274％；
采样最大值2.71V时模数转换的精度为0.161×10-3/2.71=0.058％。所测参数的精度应优于0.166％；
同理外部交流电的A 相 电流和B相电流通过类似的处理分别连接DSP芯片TMS320LF2407的A/D输入端口ADCIN0和ADCIN1引脚。
第四部分：DSP微控制器TMS320LF2407将计算得到的各种参数信息传递给AT89S51单片机。
DSP根据测得的频率来确定电流、电压通道的采样频率。例如假定频率为50Hz，则周期为20ms。监测仪每周期采集64个点，A/D通道采样频率为3200Hz，采样周期为312.5us；
TMS320LF2407采集完一个周期数据后，计算所有相关的电力参数；
TMS320LF2407在1s定时中断中将所计算参数的平均值传送至AT89S51单片机；
AT89S51单片机接收到参数后，存储于存储器中，并通过3个I/O口，模拟SPI总线时序，驱动MAX7219芯片，从而点亮8个数码管，显示A相电压和电流有效值；
AT89S51单片机通过5个I/O口扩展了2个按键，分别为上翻键和下翻键，用户可以通过上翻键和下翻键选择其余参数进行显示；
AT89S51单片机利用3个I/O口，通过光藕，驱动MAX485芯片，扩展了一个RS-485接口，挂载到485总线上；上位机通过232转485模块，挂载到485总线，可以控制多达255个交流采集装置；每个交流采集装置有自己的唯一地址，上位机可以向每个交流采集器发出采集信号命令，该交流采集装置即可将电力参数传送至上位机。
为了保证参数计算精度，每个周期需要采集64个点，***根据所计算的交流电的频率，就可以计算出DSP处理器采集三路电压信号和三路电流信号的周期；DSP处理器TMS320F2407根据每个周期采集到的64个电压信号和电流信号的瞬时值，计算出三相交流电的三相电压、三相电流、频率、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数、有功电度、视在电度、谐波等参数，并存储于存储器中。
实施例二
与实施例一所不同的是，第一部分中，DSP微控制器TMS320LF2407采集交流电的A相电压频率，采集和计算过程同实施例一相同；第二、三、四部分同实施例一。
Claims (10)
1.一种交流采集装置，其特征在于：包括电压采样模块、电流采样模块、频率采样模块、DSP处理器、单片机和显示模块；
电压采样模块，通过精密电阻对A相、B相和C相的交流电压进行分压处理，再由基准电压提升为电压直流信号，并通过运放处理后，分别输出至DSP处理器的A/D转换输入口；
电流采样模块，A相、B相和C相的交流电流分别通过电流互感器和基准电压转换为电压直流信号，并通过运放处理后，输出至DSP处理器的A/D转换输入口；
频率采样模块，将A相或C相交流电压通过精密电阻和基准电压转换的电压直流信号，送入滞回比较器，再输出至DSP处理器的CAP输入口；
DSP处理器与单片机连接，单片机输出端连接显示模块。
2.根据权利要求1所述的一种交流采集装置，其特征在于：所述单片机采用AT89S51。
3.根据权利要求2所述的一种交流采集装置，其特征在于：所述DSP处理器为TMS320F2407，DSP处理器和单片机通过串行口通信。
4.根据权利要求3所述的一种交流采集装置，其特征在于：所述显示模块包括数码管和按键，数码管经MAX7219芯片与单片机连接，按键与单片机I/O口连接。
5.根据权利要求4所述的一种交流采集装置，其特征在于：所述数码管为8个，按键为2个。
6.根据权利要求5所述的一种交流采集装置，其特征在于：所述单片机通过3个I/O口控制MAX485芯片，从而挂载到485总线上；上位机通过232转485模块连接到485总线上。
7.一种交流采集装置的数据采集方法，其特征在于：包括DSP处理器和与其连接的单片机；A相、B相和C相的交流电压通过精密电阻分压后，再由1.65V的基准电压提升为有效值0.7～1V的电压直流信号，并通过运放处理成0～3.3V的电压值后，输出至DSP处理器的A/D转换输入口，由DSP处理器计算A相、B相和C相交流电电压的瞬时值；A相、B相和C相的交流电流通过电流互感器后，再由1.65V的基准电压转换为有效值0.7～1V的电压直流信号，并通过运放处理成0～3.3V的电压后，输出至DSP处理器的A/D转换输入口，由DSP处理器计算A相、B相和C相交流电电流的瞬时值；同时将A相或C相交流电压转换的有效值0.7～1V的电压直流信号，送入滞回比较器，处理成方波后，输出至DSP处理器的CAP输入口，由DSP处理器计算出交流电的频率；DSP处理器将计算得到的参数信息传递给单片机，单片机通过显示模块完成交流参数的显示。
8.根据权利要求7所述的一种交流采集装置的数据采集方法，其特征在于：所述单片机为AT89S51， DSP处理器为TMS320F2407，DSP处理器和单片机通过串行口通信；所述显示模块包括数码管和按键，数码管经MAX7219芯片与单片机连接，按键与单片机I/O口连接；所述单片机通过3个I/O口控制MAX485芯片，从而挂载到485总线上；上位机通过232转485模块连接到485总线上。
9.根据权利要求8所述的一种交流采集装置的数据采集方法，其特征在于：DSP处理器在每个周期采集64个电压信号和电流信号的瞬时值，计算出三相交流电的三相电压、三相电流、频率、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数、有功电度、视在电度、谐波参数，并存储于存储器中。
10.根据权利要求9所述的一种交流采集装置的数据采集方法，其特征在于：DSP处理器的定时器0中断设定为1s定时中断。
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