【正文】 改進(jìn)軟件同步算法， 進(jìn)而 計(jì)算 系統(tǒng)電壓、電流 有效值 等 [4] [13]。 圖 23 電阻分壓 采樣原理圖 由于給定的 28V 交流電壓是經(jīng)過互感得到的， 可以不 再 考慮電網(wǎng)隔離問題，而且電壓互感存在產(chǎn)生不確定的相移，雖然可以 用 程序修正，但帶來不必要的麻煩。直接采用單片機(jī)計(jì)數(shù)的辦法可能得到的誤差為 1/50=2%，誤差較大 。 為此，把兩個(gè)正弦交流信號(hào)通過零檢測(cè)器轉(zhuǎn)換為相同頻率的方波，取其正半周，其波形如圖24 所示 。單片機(jī)開機(jī)后等待外部中斷INT0 及 INT1， 當(dāng) INT0 中斷響應(yīng)時(shí)，定時(shí)器 、 計(jì)數(shù) 器 T0 開始計(jì)數(shù)，當(dāng) INT1 中斷響應(yīng)后，定時(shí)器 、計(jì)數(shù)器 T0 停止計(jì)數(shù)，此時(shí)， T0 中的值便是與相位差相對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)值。 h，即 3600kW 隨著微電子技術(shù)的不斷進(jìn)步， C8051F 系列 單片機(jī)技術(shù)體現(xiàn)了單片機(jī)集多種器件和多種功能于一身，從“片自為戰(zhàn)”向片上系統(tǒng)過渡的發(fā)展方向。其中美國 Cygnal 公司推出的C8051F 系列單片機(jī)把 80C51 系列單片機(jī)從 MCU 時(shí)代推向 SoC 時(shí)代，使得以 8051 為內(nèi)核的單片機(jī)上了一個(gè)新的臺(tái)階。 FLASH 存儲(chǔ)器還具有在系統(tǒng)重新編程能力，可用于非易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，并允許現(xiàn)場(chǎng)更新 8051 固件。 矩陣式接口 按鍵優(yōu)點(diǎn)是可提供的按鍵多，但軟件實(shí)現(xiàn)復(fù)雜 。利用片選信號(hào)，多 片 ZLG7289B 還可以并接在一起使用，能夠方便地實(shí)現(xiàn)多于 8 位的顯示或多于 64 只按鍵的應(yīng)用。 電壓、電流正弦波過零比較電路 從變壓器副邊采樣得到的電壓與電流信號(hào)，送到過零檢測(cè)電路 中。 將電壓 U 支路與單片機(jī)的 INT0 腳相連，利用單片機(jī)的計(jì)數(shù)器 T0 在 INT0 高電平時(shí)才允許計(jì)數(shù)，在下降沿時(shí)觸發(fā) INT0 中斷，而停止計(jì)數(shù)，讀出半個(gè)周期的計(jì)數(shù)值 N1?；谏鲜鲈?，采樣頻率必須稍大于上述香農(nóng)采樣定理中理想的最小值，一般可取 fs=(~3)fc。 寧波大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 23 圖 38 12位 ADC0功能框圖 9 通道 12 位高速 ADC， 其采樣速率最高可達(dá) 100ksps，根據(jù)香農(nóng)采樣定理：采樣頻率 fs 至少是原信號(hào)最高頻率 fc 的 2 倍以上，即 fs2fc 才能準(zhǔn)確地恢復(fù)原信號(hào)。其相位相差計(jì)時(shí)電路 ， 利用單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器計(jì)數(shù)器來測(cè)量。把他們送進(jìn)單片機(jī)，可以通過軟件的計(jì)算使信號(hào)有漂移時(shí)所得的兩種幅值相互補(bǔ)償，提高了測(cè)量的精度。此外，還具有多種控制指令，如消隱﹑閃爍﹑左移﹑右移﹑段尋址等。 寧波大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 19 圖 33 C8051F020 原理框圖 鍵盤 顯示 部分 常用的按鍵接口一般分為 “獨(dú)立式按鍵接口設(shè)計(jì) ”、 “矩陣式接口設(shè)計(jì) ” 和 “專用芯片式設(shè)計(jì) ”幾種。下面列出了一些主要特性 ： ? 高速、流水線結(jié)構(gòu) 的 8051 兼容的 CIP51 內(nèi)核（可達(dá) 25MIPS） ? 全速、非侵入式的在系統(tǒng)調(diào)試接口（片內(nèi)） ? 真正 12 位、 100 ksps 的 8 通道 ADC，帶 PGA 和模擬多路開關(guān) ? 真正 8 位 500 ksps 的 ADC，帶 PGA 和 8 通道模擬多路開關(guān) ? 兩個(gè) 12 位 DAC，具有可編程數(shù)據(jù)更新方式 ? 64K 字節(jié)可在系統(tǒng)編程的 FLASH 存儲(chǔ)器 ? 4352（ 4096+256）字節(jié)的片內(nèi) RAM ? 可尋址 64K 字節(jié)地址空間的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器接口 ? 硬件實(shí)現(xiàn)的 SPI、 SMBus/ I2C 和兩個(gè) UART 串行接口 ? 5 個(gè)通用的 16 位定時(shí)器 ? 具有 5 個(gè)捕捉 /比較模塊的可編程計(jì)數(shù)器 /定時(shí)器陣列 ? 片內(nèi)看門狗定時(shí)器、 VDD 監(jiān)視器和溫度傳感器 具有片內(nèi) VDD 監(jiān)視器、看門狗定時(shí)器和時(shí)鐘振蕩器的 C8051F020 是真正能獨(dú)立工作的片上系統(tǒng)。隨著單片機(jī)的不斷發(fā)展，市場(chǎng)上出現(xiàn)了很多 高速、高性能的新型單片機(jī)，基于標(biāo)準(zhǔn) 8051 內(nèi)核的單片機(jī)正面臨著退出市場(chǎng)的境地。常用的 8 位單片機(jī)有很多種 ： 如 Intel 公司的 805 8031 系列 ， ATMEL 公司的 89 系列 及Cygnal 公司推出的 C8051F 系列 。從系統(tǒng)組成可以看出，該電路的負(fù)載是接近線性的，利用上述方法可以比較準(zhǔn)確的測(cè)出電壓和電流的相位差。方波的上升沿和下降沿分別與振蕩正弦波信號(hào)的正負(fù)過零點(diǎn)對(duì)應(yīng)，產(chǎn)生的兩個(gè) TTL 信號(hào) 作為單片機(jī)的兩個(gè)外部中斷源。就可用下式求得相位差???? 36 0t /T )(? 其中 t? 為電壓信號(hào)與電流 信號(hào) 過零 點(diǎn) 的時(shí) 間差。 該方案硬件簡單且頻率測(cè)量精度高。 圖 22 隔離采樣原理圖 方案二： 電阻分壓方案 電流采樣 電路 采用在變壓器副邊串入一定數(shù)值的電阻 ，并 取樣該電阻兩端分壓 ，通過測(cè)量來反映 電流 值 ；電壓采樣 電路 采用 在變壓器副邊并入一定數(shù)值的兩個(gè)電阻，在其中一個(gè)電阻兩端進(jìn)行取樣。積分法就是從連續(xù)周期信號(hào)有效值的定義和功率的定義出發(fā)，用數(shù)值積分近似代替連續(xù) 積分進(jìn)行計(jì)算的方法。 方案 三： 該方案 以 C8051F020 單片機(jī)為核心 ，使用單片機(jī)內(nèi)部 12 位、 100 ksps 的 8 通道 ADC進(jìn)行電壓和電流的 軟件同步 采樣測(cè)量，并采用工程上常用的數(shù)值積分算法，將連續(xù)函數(shù)離散化來計(jì)算信號(hào)的有效值 ， ， 并使用 數(shù)碼管顯示驅(qū)動(dòng)及鍵盤掃描管理芯片 ZLG7289 進(jìn)行鍵盤及數(shù)碼管顯示控制，實(shí) 現(xiàn) 測(cè)量 并 顯示 變壓器的副邊電壓﹑電流 以及實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的功率因數(shù)﹑有功功率、 無功功率 、 視在功率 和系統(tǒng)的用電量 。 設(shè)對(duì) ??tu 每周期均勻同步采樣 N 點(diǎn)，得到序列 ??nu ，對(duì)序列 ??nu 作離散傅立葉變換： ? ? ? ? ? ? ? ? knNnuNjknNnuNWnuNkU NnNnknNNn ????? ??? ?????? 2s i n12c o s11 101010 (221) 由于： ? ??? Tkn tdtktuTa 0 c o s2 ? (222) ? ??? Tkn tdtktuTb 0 s in2 ? (223) 積分離散化后得： ? ? knNnuNaNnkn?? ???2c o s2 10 (224) ? ? knNnuNbNnkn?? ???2s in2 10 (225) 比較式 (221)(224)(225)得出： ? ?? ?kUakn Re2? (226) ? ?? ?kUbkn Im2?? (227) 這樣可求出第 k 次諧波電壓的振幅、相角、有效值： 振幅 22 knknkm baU ?? (228) 相角 )/a rc ta n ( knknk ab?? (229) 有效值 )(2121 22knknkmk baUU ??? (230) 電流的計(jì)算方法類似于電壓。 在要求不高的場(chǎng)合可以采用這一算法 [1]。由于采用的具體原理不同，在硬件軟件的配置上也不一樣，以致系統(tǒng)的精度和造價(jià)也不一樣。這種作法可使偏差 L 不產(chǎn)生累積，從而保證在一個(gè)工頻周期內(nèi) L 引起寧波大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 的周期誤差 0TT?? 。以 H 為定時(shí)器的計(jì)數(shù)值，則會(huì)產(chǎn)生0TLNT ???? 的周期誤差 （ 若以 H+1 作為計(jì)數(shù)值，則 00 TLNTNT ?????? ） 顯然， T? 是由采樣周期 Ts 的實(shí)際值與理想計(jì)算值之間的偏差引起的。 CPU 的中斷響應(yīng)時(shí)間與定時(shí)器發(fā)出中斷請(qǐng)求信號(hào)時(shí)刻 CPU 是否在執(zhí)行其它中斷服務(wù)程序；正在執(zhí)行的當(dāng)前指令是否允許 CPU 立即響應(yīng)中斷；當(dāng)前執(zhí)行指令的指令周期長短及當(dāng)前指令已經(jīng)執(zhí)行到哪一個(gè)機(jī)器周期等因素有關(guān)。當(dāng)存在同步采樣時(shí)間誤差時(shí)，測(cè)量精度必定會(huì)受到影響。 同步采樣可以用硬件實(shí)現(xiàn)，也可以用軟件實(shí)現(xiàn)。硬件同步采樣一般是利用鎖相頻率跟蹤原理實(shí)現(xiàn)同步等間隔采樣的，電路如圖 21 所示： fo fo /N fi PD LP V C O N 分頻器 圖 21 倍頻鎖相同步電路 在相位比較器 PD、低通濾波器 LP、壓控振蕩器 VCO 構(gòu)成的鎖相環(huán)內(nèi)加入 N 分頻器，輸入被測(cè)信號(hào)的頻率 fi，作為鎖相環(huán)的基準(zhǔn)頻率，輸出 fo 為采樣頻率。 2 方案論證與選擇 交流 采樣方法 選擇 交流采樣法，即直接對(duì)連續(xù)的模擬信號(hào)進(jìn)行等間隔采樣，再用特定的數(shù)值算法進(jìn)行處理。時(shí)至今日，電作為一種最重要的能源跟我們的工作、生活緊密地聯(lián)系著，可以這么說，如果沒有了電，人類社會(huì)就不能正常地運(yùn)轉(zhuǎn)，整個(gè)社會(huì)就會(huì)混亂。 2) 功能多樣化 除了計(jì)量電量的基本功能外，又增加了最大需量、脈沖輸出的功能。按所依托的乘法器類型的不同，可將電子式電能表分為模擬乘法器型電子電能表和數(shù)字乘法器型電子電能表。 但是電力參數(shù)測(cè)量儀表通常是按工頻正弦波形設(shè)計(jì)的，當(dāng)電網(wǎng)存在諧波時(shí)，將產(chǎn)生測(cè)量誤差。應(yīng)用于電力系統(tǒng)的電力參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能， 在變電站一級(jí)一般都由遠(yuǎn)動(dòng)裝置來實(shí)現(xiàn)；而在日常生活中，一般只是利用電能表進(jìn)行電量的計(jì)量，其原理是通過將有功功率對(duì)時(shí)間的積分來計(jì)算有功電能。使用偏差累積增量法對(duì)軟件同步算法進(jìn)行改進(jìn)，采用工程上常用的數(shù)值積分算法，將連續(xù)函數(shù)離散化來計(jì)算信號(hào)的有效值，完成對(duì)變壓器副邊電壓有效值、電流有效值、有功功率、無功功率、視在功率及系統(tǒng)用電量的測(cè)量。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過的材料。本人授權(quán) 大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容 編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。 Power Parameters。 感應(yīng)式機(jī)械電能表 它是利用三個(gè)不同空間和相位的磁通建立起 來的交變的移進(jìn)磁場(chǎng)，在這個(gè)磁場(chǎng)的作用下，轉(zhuǎn)盤上產(chǎn)生了感應(yīng)電流，根據(jù)楞次定律，這個(gè)感應(yīng)電流使得轉(zhuǎn)盤總是朝著一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)。 電子式電能表 它是利用電流和電壓作用于固態(tài)電子器件而產(chǎn)生電能輸出量的電能計(jì)量儀表。 微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展是電子式電能表迅速進(jìn)步、日益成熟的主要技術(shù)支撐。 某些多功能 測(cè)試儀的視在功率能做到 2VA 以下，停電維持時(shí)電流能做到 lmA 以下。 在傳統(tǒng)的電力參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)中，多采用 805 80C196 等普通單片機(jī)作為微控制器。 交流采樣法 1) 同步采樣法 同步采樣法是指采樣時(shí)間間隔 Ts、被測(cè)交流信號(hào)周期 T0 和一個(gè)周期采樣點(diǎn)數(shù) N 之間滿足關(guān)系式 STNT ??0 。 2) 準(zhǔn)同步采樣法 實(shí)際采樣測(cè)量中，采樣周期經(jīng)常不能與被測(cè)信號(hào)周期實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格同步，即 N 次采樣不是落在 2π寧波大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 區(qū)間上，而是落在 2π +Δ 區(qū)間上（ Δ 稱為同步偏差或周期偏差），產(chǎn)生了同步誤差。因此，有必要對(duì)目前的軟件同步實(shí)現(xiàn)方法產(chǎn)生同步誤差的原因進(jìn)行分析，并找到抑制誤差的措施 [7]。由于定時(shí)器的計(jì)數(shù)周期受定時(shí)器最大計(jì)數(shù)頻率的限制不可能 無限小，而微機(jī)的采樣周期 TS必須以定時(shí)器計(jì)數(shù)周期的倍數(shù)來表示，從而微機(jī)實(shí)際采樣周期 TS 與理想計(jì)算值 NT/ 之間會(huì)出現(xiàn)誤差，這一由量化原因引起的誤差 ， 使式 (21)得不到滿足。若不存在周期 誤差Δ T，則 ii t??? ，這一原因引起的同步采樣時(shí)間誤差較小。 為此，須對(duì)在采樣過程中定時(shí)器計(jì)數(shù)值取常數(shù)的常規(guī)作法進(jìn)行改進(jìn)， 偏差累積增量法 就是這樣一種算法。電網(wǎng)頻率并不是固定不變的，而是在 50Hz 附近波動(dòng)。 半周期積分法 半周期積分法的依據(jù)是一個(gè)正弦量在任意半個(gè)周期內(nèi)絕對(duì)值的積分為一常數(shù) S，積分值和積分的起始角α無關(guān)。在系統(tǒng)速度允許的情況下，可以增加采樣點(diǎn)數(shù)以提高運(yùn)算精度，一般每周波可采樣幾百點(diǎn)。但傅立葉算法復(fù)雜。方案三采用了 DSP 芯片，現(xiàn)在技術(shù)比較先進(jìn)的DSP 雖然可以在數(shù)字處理上達(dá)到很高的速度和精度，但因大部分 DSP 內(nèi)部不帶 A/D，需要外接多通寧波大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 道 A/D 來實(shí)現(xiàn)采集，這除了會(huì)增加硬件成本，還會(huì)影響整個(gè)裝置的可靠性，同時(shí)， DSP 的開發(fā)工具比較昂貴，這不太符合本裝置低成本 設(shè)計(jì)的目的。 子模塊方案 選擇 電流電壓的取樣方案 方案一 ： 隔離采樣的方案 采用電壓互感器、電流互感器分別實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓、電流測(cè)量。因此我們采用方案二電阻直接分壓的方式。采用方案 二 ，首先測(cè)周期采用周期倒數(shù)的辦法求頻率，這樣測(cè)量精度為 1/N(N 為單片機(jī) 20ms 計(jì)數(shù)值大概為 18432)誤差只有 %。 在 一般的感性負(fù)載電路中 ，電流總是滯后電壓一段時(shí)間 Δ t。 方案二： 將電壓、電流信號(hào)分別經(jīng)過過零比較器產(chǎn)生 TTL 信號(hào)，把電壓信號(hào)和電流信號(hào)進(jìn)行異或后與單片機(jī)的 INT0 相連， 利用單片機(jī)的計(jì)數(shù)器 T0 在 INT0 高電平時(shí)才允許計(jì)數(shù)，在下降沿時(shí)觸發(fā) INT0 中斷，而停止計(jì)數(shù)，讀出的計(jì)數(shù)值 N1，進(jìn)行換算后可得Δ t，進(jìn)行相位差計(jì)算 。 S，故則當(dāng)上式值累計(jì)到 3600 時(shí)，電能值加 1，這樣可以得到比較準(zhǔn)確的電能計(jì)算值 [2]。 考慮到我們所需要的程序存儲(chǔ)器的空間以及內(nèi)存單元，選擇