基于组合式传感器的数字电能表系统设计
摘要:本文设计并制作了一款基于组合式传感器的数字电能表系统的硬件电路。采用了TI公司的MSP430系列的单片机来实现对电流电压信号的采集处理、参数计算及通讯等功能，并且在介绍电路的同时说明了一些实际采用的提高系统可靠性及电磁兼容性的方法，所设计的系统达到了比较好的测量精度。
关键字: 电能表；传感器；单片机；
Design of a Digital Wattmeter System based on Multi-sensors
Abstract: A digital wattmeter system based on multi-sensors is designed and made. MSP430 MCU, made by TI Corporation, is used for sampling, processing and communicating. Moreover, some approaches to enhance the reliability of the system and integration are also designed. The electronic combined transducer works well and has good precision.
Keywords: Wattmeter System; Sensor; Single Chip Computer
1 引言
电能表是一台以计算式功率乘法器为核心的多通道数据采集处理微机系统。通过所研制的电流传感器和电压传感器对将输入的交流电流、电压瞬时值进行采集，再经滤波、积分、放大等电路按比例转换为可以被ADC采样的规格化电压，再通过12位A/D转换电路量化为12位数字量(二进制补码)，这两个同时量化的数字量由乘法累加器相乘累加，然后将一个采样周期的累加输出信号送入MSP430单片机的CPU加以计算处理后，得出电能、有功功率、无功功率以及功率因数等电参数。系统中预留了LCD显示模块的接口，可以将所需要的电参数显示出来。系统还提供了与上位机通讯的功能，可以由上位机控制，并读取当前的电参数，实现对电能表的远程控制。采集系统具有模拟和数字两种输出，可同时为计量和保护装置提供所需要的信号。
电能表的系统框图如1所示。系统主要分成三个部分:模拟部分、数字部分、电源及接地。这三个部分将在后文中分别介绍。
2模拟部分
2.1 滤波电路
由传感器本体输出的信号中含有大量的高次谐波的成份，因此在进行后续处理之前，需要先经过一个低通滤波电路来消除这些谐波。
2.2 积分电路
正弦信号经罗氏线圈后的输出信号与原信号是成微分关系的，因此需要将微分信号通过积分器来还原为与原信号成比例的正弦信号。积分器的好坏对整个系统的精度都有较大的影响，需要认真对待。
为了消除低频干扰对积分电路的影响，本文采用了一种改进型的积分电路，具体电路如图3所示。通常选取R3=R4; R5, C1 ;C2，则相应的传递函数为:
改进型的积分器增加了高通滤波环节，这样就能够在保证抑制直流漂移的同时，使信号中的低频分量经Rs和C,直接流入大地，不会对后面的电路产生影响。
为降低电阻电容等电子元件参数的温漂影响，要选取温漂系数小的精密器件。在选用运放时应选择低失调电压和温度漂移的芯片。电容可选取温度系数较稳定的聚苯乙烯电容或CBB电容。需要时可利用实验取得温度影响数据，应对数据进行补偿。
2.3 隔直电路
信号在经过积分器时，由于积分电容的漏电流或者运放的偏置电压等原因，有时会积分后的波形中叠加入一个直流分量。为了过滤掉这个直流分量，在积分器之后加了一个隔直电路。隔直电路实际上就是一个由电阻和电容组成的无源高通滤波器。
3 数字部分
3.1 MSP430单片机
MSP430F449单片机为100脚贴片式的芯片，为了便于调试，采用了双层板式的设计方案，把整个的电路分为采集板和DIP转接板两部分。采集板是由信号调理电路、电源电路、串行通讯电路三部分组成的。DIP转接板是将MSP430F449单片机，JTAG接口及低频、高频晶振都置于一块电路板上，这样DIP转接板即成为一块独立的MSP430F449单片机仿真器，可以在其它外围设备没有连接上的情况下，通过JTAG接口对单片机进行程序的开发及调试。当模拟信号输入及串行通讯等其它的外围设备都准备好之后，将已写入程序的MSP430F449单片机DIP转接板插到采集板上即可工作，同时又可以对单片机进行在线编程和调试。
3.2 RS232串口通讯电路
RS232采用的芯片是SIPEX公司的SP3232。该芯片的供电电压为3.0V--5.5V, 2路通道，15kV的ESD保护性能，以及最高1000k的传输速率。
将SP3232的一路通道与MSP430F449的UART0相连，另一路通道和RS485的通道共用MSP430F449的UART1接口，并可以通过跳线来进行选择。
SP3232与单片机之间用光耦进行隔离，以减少通讯过程中对单片机的干扰。光耦采用3.3V供电的6N139。为防止干扰信号通过电源线串到单片机一侧，系统采用了两个相互隔离的电源来分别为光耦的两侧电路供电。
3.3 RS485串口通讯电路
RS485串口通讯模块采用的是TI公司的SN65HV08，该芯片的特点是3.0V~5.5V电源，静态电流小于90mW，高于16kV的ESD保护，最大l0Mbps的通讯速率。为了减小干扰，提高485的可靠性，本文采用了以下措施:
1. 光耦隔离。RS485通讯模块也采用了光耦隔离以减少总线对单片机的干扰，隔离方式与RS232的方式类似。
2. R0及DI端配置上拉电阻。异步通信数据以字节的方式传送，在每一个字节传送之前，先要通过一个低电平起始位实现握手。为防止干扰信号误触发R0(接收器输出)及DI(发送器输入)产生负跳变，使接收端单片机进入接收状态，在R0和D工处外接l0kΩ上拉电阻。
3. 在A, B引脚间加总线匹配电阻。位于总线两端的差分端口VA与VB之间跨接120。匹配电阻，以减少由于不匹配而引起的反射，吸收噪声，有效地抑制噪声干扰。
4. 在A, B引脚加偏置电阻。当485网络处于空闲状态时，所有的引脚都处于接收模式。在这种情况下网络中并没有有效的驱动器，所有的驱动器都是处于三态的。
没有任何驱动的网络，数据线的状态是不定的。如果接收器A, B的输入电压在1200 mV以内，接收器的输出逻辑电平将会保持接收到的上一位的值。为了保持一定的空闲状态，必须加偏置电阻强制数据线为空闲状态。偏置电阻无非是在数据线B上加上拉电阻，在数据线A上加下拉电阻。如图5所示是在两线制收发器上放置的偏置电阻。四线制的RS-485中，偏置电阻应放置在接收线上。偏置电阻的值与匹配电阻及网络中的引脚数有关。其目的就是要在网络中产生足够的直流偏置电流以保证A, B数据线间的最小电压为200mV。
4 电源和接地
为了提高系统的可靠性，防止各部分电路模块间相互干扰，将采集系统各个部分的电源和地线互相分开。电源主要分成了三部分:模拟部分电源，数字部分电源和通讯部分电源。
模拟部分电源是为信号调整电路供电的，主要是为运算放大器提供±15V的电源。数字部分电源是为MSP430单片机和光耦提供3.3V电源的。通讯部分电源是为RS232芯片，RS485芯片以及光耦电路供电的。
为减小电源电压的纹波和高频串扰，在各电源电路的入口处加了220μF的电解电容，在各芯片的电源引脚处加了去耦电容及旁路电容。
与电源相应的，系统的地线也被分成了模拟地，数字地和信号地三部分。这三个部分相互独立，并采用星型接法在一点相连接，这样可以防止系统中的某一部分通过地线形成环流，造成电磁干扰。同时，电路板的空白处全部采用覆铜并与地线相连，以减少电路板和外部空间的互相干扰，从而提高系统的电磁兼容性。
本文作者创新点: 本文介绍了电能表系统的主要功能，对采集系统的信号调整电路，信号处理电路，通讯电路和电源电路的原理与设计进行了详细的介绍，并且在介绍电路的同时说明了一些实际采用的提高系统可靠性及电磁兼容性的方法。
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