数采与监测中文核心期刊 《 微计算机信息》 ( 测控自动化) 2 0 0 7 年第 2 3 卷第 7 — 1 期 文章编 号: 1 0 0 8 - 0 5 7 0 ( 2 0 0 7 ) 0 7 — 1 — O l 2 - o 3 基于MSP430与 A T T 7 0 2 2 B的 四遥测量模块 T he M e a s ur e m e nt M odul e of F 0u r — Rem ot i on Ba s ed on M S1 ' 4 3 0 and ATT7 0 2 2B ( 青岛理工 大学)苏善伟 SU SHAN W EI 摘要: 本 文介 绍 了一 种 电力 四遥监 控 系统 中的遥 测模 块,其控 制核 心是TI公司的 MS P 4 3 0单 片机 , 采样电路 由珠 海炬力公 司的ATIT022B三 相 电能芯 片构 成.这种 测量 模块 , 具有 三相 电 能表 的功 能,可以 测量三 相 电路 中电 流、 电压、 频率、功率、功率因数 、 电能等 参数 . 关键词:MSP430;ATT7022B: 遥测中图 分类号:TP368文献 标识码:BAb s t r a c t : T h e a r t i c l e i n t r o d u c e s a me a s u r e me n t mo d u l e w h i c h i s o n e p a r t o f F o u r - Re mo t i o n mo n i t o r i n g a n d c o n t r o l s y s t e m.I t i s c o r n. p o s e d o f t h e c o n t r ol u n i t o f s i n g l e c h i p o f MS P 4 3 0 ma d e b y T I a n d s a mp l i n g c i r c u i t w h i c h i s b a s e d o n t h e e n e r g y c h i p o f ATI T 0 2 2 B o f J u li c o mp a ny ,Z h u h a i .T h i s k i n d o f me a s u r e me n t mo d u le ,w i t h t h e f u n c t i o n o f t h r e e — p h a se e n e r g y me t e r ,C a n b e a p · p l i e d t o me a su r e e l e c t r i c a l p a r a me t e r s s u c h a s c u r r e n t , ,v o l t a g e ,~e q u e n c y ,p o w e r ,p o w e r f a c t o r ,e n e r g y . Ke y wo r d s : M S P 4 3 0 , ATT7 0 2 2 B, Re mo t e M e a s u r e me n t l 刖吾所谓 四遥一 是" 遥测 、 遥信 、 遥控 、 遥调 " 技术的简称 . " 遥测 " 是指利用 电子技术远方测量集 中显示诸 如电流 、 电压 、 功率 、 电 能等物理量 的系统 技术.该电力" 四遥" 测量模块 采用 1 6位的430单 片机 与集 成 电能芯 片Arlq'7022B, 具 有准确度高 . 误差 曲 线平直 , 性 能稳定可靠 , 自身损耗 低,而且功能容易扩展等优点. 该电能芯片具有 S P I 接口, 外 部微处理器可通过 此接 口读取原 始值,再根据相应 的计算 公式进 行计算 , 最后得 到各项 电力参 数 的测量值 . 2 系统 介绍遥测 模块 , 也可 以作为普 通 电子式 电能表 使用 , 其采样 方 式及采用什么 MC U有多种方案 , 不少 已经投入实际使用 . 但是 基于 MS P 4 3 0单 片机 ,采 用高度集成的采集芯片 A r f T 7 0 2 2 B进行电流和 电压 采样 的模块还没有 广泛投产使用 .尽管 r I ' I 公司提供 了多种采样方 案.但是其采样 电路 比较复杂 , 难于调试 , 更 没有采用专用的电能表的采 用芯片. 相电流 ~ 电流—一SCK.照扭直流 互÷相、CS光担直 近二 感—电、电片器能DI隔J、离机相电压 电片DO~ 电 担电 压; 压—ATI7022路MSP43O担皇匡 互—感—器图1图1是遥 测模块 的硬件组成 . 合理 的把 Ⅱ 的MS P 4 3 0 F 4 4 9 单片机 和珠海炬力 的ATIT022B电能采集芯片集合 . 发 挥各 自苏善伟: 硕 士研 究生教师的优 势,避开复杂 的采样 电路的设计 . 2 . 1 硬件部分:MS P 4 3 0 F 4 4 9单片机T1公司的MS P 4 3 0系列单片机是一种具有超低功耗的功能强大的 1 6位单 片机 .新 开发的 F系列 具有 F l a s h存储 器,如F449就具有 6 0 K B的Fla s h , 在系统设 计,开发调试及 实际应用 上 比其他 MC U都 有比较明显的优势. f 1 1 超低功耗MSP430F系列运行在 1 M HZ时钟 的条件下时 , 工作模式不 同为 0 . 1 - 4 0 0 u A. 工作 电压为 1 . 8 ~ 3 . 6 V. f 2 1 超强处理能力8MIPS的 C P U内核 , 1 6位x 1 6位的硬件乘 法器. f 3 1 灵活的配置方 法MS P 4 3 0 F系列具 有丰富 的寻址 方式 ,只需要 2 7条指令 : 片 内寄存器 数多 , 可以实现多种运算 ; 有高效 的查表处理方 法. 这一切保证 了可 以编译 出高效 的程序 . 许多 中断 , 可 以嵌套 . 使 用方便 f 4 1 片上集成外 围功能模块 M S P 4 3 0 F系列集成 了较 多的片上外 围设 备 .这些 外 围设 备 功能相当强大: 1 2位A/D, 精密模拟 比较器 . 硬件乘法 器,2组 频 率可 以达到 8 MH Z的时钟模 块,2个带有许 多捕获 比较的 1 6 位 定时器 , 看 门狗功能 , 2个可实现异步和 同步及多址访 问的串 行通信 接口,数十个 可实现方 向 的设 置及 中断功 能的并行输 入,输出端 口, 拥有 S P I 和UASRT通讯端 口. 『 5 ) 高效的开 发方式MSP430FX系列具有 F L A S H存储 器.这一 特点使得 它的开 发工具相 当简便 .利用 单片 机 自身 带有 的JTAG接 1 3或片内BOOTROM内固化 的默认的加 载程序 载人器 B o o t s t r a p可以进 行串1 3或并 1 3,通过 U A R T将程序代 码装入 F la s h存贮器中 . 可 以在一 台PC及一个 小JArrAG控制 器 的帮 助下实 现程 序的一122—3 6 0 ~ L, 年 邮局订 阅号 : 8 2 — 9 4 6 维普资讯 http://www.cqvip.com 数采与监测下载 , 方便的完成 在线程序调试. A 1 - I 7 0 2 2 B 电能 芯片A1-I7022B是珠 海炬力集成 电路设 计有 限公 司生产的一款 高精 度三相 电能计 量芯 片.该芯 片对有功 、 无功功率 的测 量精 度分别达 到0.2s和0.5s,所能测量 的电参数 包括 有功 、 无功 、 视 在功率 、双向有功和 四角 限无 功电能 ;电压 和电流有效值 : 相位、频率等.A ' I T7 0 2 2 B具有计 量参数齐全 、 校表功率 完善等优 点,简化 了软件设计 , 缩短 了软件 开发周期 .特别 是AT7022B可支持全数字校表 , 即软件 校表 .软件校表可提高校表精度 、 简 化硬件设计 、 降低设计 成本 , 为 三相多 功能计 量装置 提供 了功 能更加齐全 、 设计更加 简单 的应 用方案. ( 1 1 工作原理 A ' I T7 0 2 2 B首先 通过 6通道16位 ∑一的ADC模数 转换电路来对输入 电流 和电压信号进 行采 样.转换后 的数 字量 再经 过24位 D S P数 字信号处 理以完成全 部三相 电能参 数 的运 算.同时将结果保存在相应 的寄存器 中并通过 S P I口与 MC U进行 数据交换 . D S P模块 同时 还生 成有功/ 无功电能脉 冲输 出CF1/CF2,可用 于现场校表 .A n7 0 2 2在 设计 中 已考 虑到校表 的方 便性 . 采 用全数字 校表 , 只需 适 当修 改校表 寄存 器即可 实现校 表功能.f21串行 S P I 接口A1-I7022提供有标准的 S P I 接口. 可 与带 S P I 口的 MC U直 接连接 . 也可用适 当的 I / O 口线仿真 S P I 总线 , 其仿真读 写程序 很容易实现 . A 1 1 - 7 0 2 2的一 个数 据传 输总线 从向SPI接口的 D I N端送人8位命 令字开始 的, 当命令 中包 括一个 写入命 令时 , 在 其后 的24个 S C L K周期 内. 串 口将 持续从 D I N端读人 2 4位 串行数 据 .当发 出一个读 取命令时 . 串171将根据 发出的命令来进 行寻 址,然后在其后 的24个连续的 S C L K周期从 D O U T引脚上串行 输出寄存器 内容. 数据 的传输 总是 M S B在前 . L S B在后. 读 寄存 器时 , S C L K为高 . 数据 在DOUT引脚上有效 . 而在写寄存器时 , 数据则在 S C L K的下 降沿从 D I N引脚读 人 ,这一点在仿 真SPI读写 操作子程序 时应 引起注意.否则 读 写寄 存器将出错 . A 1 1 - 7 0 2 2 B的读写时序见下 图 2所示 . : : : f 眦肿…㈣叽邶㈣ D o 哗2:qi4:llljllq9I8l413l:l{图2(31寄存器配置及校表方法 A 1 1 - 7 0 2 2 B的寄存 器分为计量参数 和校表参数两部分 .器件中的计量参 数寄存器多达 8 2个.它们 的地址 在O1H一 6 F H 中不连续 分布 , 未使用部 分可 留给 以后 扩展.计量参量 的计 算全 部由硬件完成 . 用户只需进行单位换算就可得 到测 量值 . 校表参 数寄存器包括相位 补偿设置 、 功率增益 、 相位校 正、 电压/ 电流校正 、 比差 补偿设置 、 启动 电流 、 高频脉 冲输 出设 置、断相阈值电压设置和合相 能量累加模式 等36个寄存器 ,它们 的地址 不连续地分布在 0 1 H一2AH. 也考虑 了以后 的扩展 .应当 说 明的是 , 两个 寄存 器 的地址有重 叠部分 . 但 它们 的物理 位置 是分 开的 , 可 以通过读 写命 令来 区分. 校表是 电能表设 计 中非常 重要 的环节 . A ' I T7 0 2 2 B上 电复 位后,校表 寄存 器 的初始数 据为 默认 值.此时读 出的计量参 数值和实 际参 数值 不符 , 因而需要对 校表 寄存器进 行设置 . 以将 测 量值减小到误差 范围之 内.校 表可按高频输 出参数设 置、比差补偿 区域设 置、角差补 偿 区域设 置、功率增 益校 正、相位校 正、启动电流设 置、 功率增 益校正 、 参 量累 加模 式设 置、电压校 正、电流校正 的先 后顺序进行 .现 以电压增益 的校准为例简要 说明AT7022B的校表方 法 ,其 它参 数校准请参 照该 芯片 的参 考文献 . 电压增 益校正 U g a i n A、 U g a i n B、 U g a i n C : 在A'IT7 0 2 2初始化 时,Ugain为 0 , 标 准表 上读 出 的电压有 效值 为Ur.通过SPI口 读出的测量 电压有效值 寄存器 的值 为Datau.此时 , 如实际 电压 有效值 U r , 测量 电压 有效值 为U玎ns=DataU*20/2.由于: U g a i n = ( U r / U r m s ) - 1 因此 , 女日果( u g a i n ≥o ) , 则Ugain=INT[Ugainx223]否则 U g a i n < 0 , 则Ugain=INT[2+Ugainx223],式 中, I N T表示 取结果的整数部分 . f 4 1 互感器参数选择 选 用的 电流互感 器规格为 5 A / 2 . 5 mA, 精度是 0 . 0 5级,负载 阻抗 为40n, 电压 互 感器 规 格选 择电流型 电压 互 感器 2 mA / 2 mA,在其前 端通 过1IOK功率 电阻把 2 2 0 v电压 信号 转变成 2 mA电流信号 . 负载 电阻为 2 5 0 1 2 .这样在输入额定 电流、 额定 电压 时 ,其电流 、电压 差动输入 电压 的有 效值分别 为0.1V和 0 . 5 V 左右,可满足An7022B的要 求.(5)特点 A 1 1 - 7 0 2 2 B能够提供 的计 量参数除 瞬时有 功功率 、无功 功率、视在 功率 、 有功电能 、 无功 电能 、 功率 因数 、 相位 、 电压 有效 值、电流有效值 、 瞬时合 相电流值 、 线电压频率值 、 四象 限无 功、正向和反向有 功电 能外 . 还包括 缺相 、 相 序错误 和反 向有 功指 示等状态信息 . 非常适 用于三相 电路 中各种 电参数 的测 量. 2 . 2软件部分 对于 MS P 4 3 0单片机 .由rI1公 司 自带的嵌入 式软件 开发 平台IAREMB E D D E D WO R K B E N C H. 该 软件可对开 发系统进 行在线调 试,带有C编译 器.可采用 高效 、 便捷、通用的C语 言编程.通过 MS P 4 3 0 9的P4.2一P 4 . 5端 口对 A T r 7 0 2 2 B芯片进 行 同步数据传递 . 其中P4.2用 于CS,P4-3端 1 7 1 用于DI,P4.4用 于DO, P 4 . 5用于SCK. 程序流程 图如下图 3所示 . 图 3程序流程图 转第 9 2页) @ 局订82-946360.~-,/_ 1 2 3 — 维普资讯 http://www.cqvip.com 控制系统中文核心期刊 《 微计算机信息》 ( 测控自动化) 2 0 0 7 年第 2 3 卷第 7 - 1 期(d) = 0 ( e ) < 0 图6二阶线性系统的时域仿 真4结束语本研究 只是对 L a b V I E W 系统仿 真技 术进行 了初 步的分析 和研 究,还可 以更进 一步把仿 真和真实 系统相 连接 , 充分 利用 L a b V l E W 在控制系统仿真方面 的优势 , 在计算机上 加上适当的 数据采集卡就可 以将仿 真系统和真实 系统结合 起来 , 这在工程 中和教学上 都有 一定 的现实意义 . 本文作者创 新点:利用I_abVIEW进行系统仿真 , 可 以应用 于教学 , 还 可以进 一 步与真实 系统相连接 . 参考文献 [ 1 ] N a t i o n a l I n s t r u m e n t s C o r p o r a t i o n . G e t t i n g S t a r t e d w i t h L a b — V I EW , Ap r i l 2 0 0 3 E d i t i o n . [ 2 ] N a t i o n a l I n s t r ume n t s C o r po r a t i o n . L a b V I E W U s e r Ma n u a l, A p r i l 2 0 0 3 E d i t i o n . 『 3 】 刘 君华 , 贾 惠芹 , 丁晖 , 阎晓艳 . 虚 拟仪 器 图形 化编 程语言LabVIEW教程[ M】 . 西安: 西安 电子科 技大 学出版社, 2 0 0 3 . 『 4 ] 雷振 山. L a b V I E W 7 E x p r e s s 实用 技术教程f M】 . 北京: 中 国铁道 出版社 . 2 0 0 4 . f 5 】 杨乐平 , 李海涛 , 赵勇 , 杨磊 , 安雪滢. L a b V I E W 高级程序设计 [ M 】 . 北京: 清华大学 出版社 , 2 0 0 3 . [ 6 】 周求湛 , 钱 志鸿 等. 虚拟仪 器与 L a b V I E WT M 7 E x p r e s s 程序 设计【 M】 . 北京: 北京航空航天大学 出版社 , 2 0 0 4 . [ 7 】 吴苗 . 基于 L a b V i e w的设备驱动程序 开发技术研究『 J ] 微计算 机信息. 2 0 0 6 ( 2 ) : 1 5 3 作者简介: 刘碉( 1 9 7 5 - ) , 女,汉族 , 讲师 , 硕士 , 主要从事计算机控 制、 计算机 仿真 等研究 .宗哲玲( 1 9 6 6 - ) , 女,汉族 , 副教授 , 天津现代职业技术学 院. Bi o g r a p h y : L i u Yu e , f e ma l e , b o r n e d i n 1 9 7 5 , h a r t , ma s t e r , r es e a l ~ 3 h f i e l d: c o mp u t e r c o n t r o l , c o mp u t e r s i mu l a t i o n . ( 3 0 0 2 2 2 天津天津现代职业技术学院) 刘弱宗哲玲 f 3 O 0 2 2 2 天津 天津 工程师范学院) 田立国 通讯地址:(3o0222天津天津现代职业技术学院信息工程系)刘弱(收稿 日期: 2 0 0 7 . 4 . 1 3 ) ( 修稿 日期: 2 0 0 7 . 5 . 1 5 ) ( 上接第 1 1 9页) Bi o g r a p h y : Z h a n g J u n ,b o r n i n 1 9 8 2 ,a p o s t g r a d u a t e~u d e n t i n E a s t C h i n a I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y , m a j o r e d i n c o m p u t e r . Re s e a r c h d i r e c t i o n :C o mmu n i c a t i o n a n d e mb e d d e d s y s t e m. f 3 3 o o 1 3 南昌东华 理 工学 院核 资源 与环境 教育 部重 点 实验 室) 张军周书民通讯地 址: ( 3 4 4 0 0 0 江西省 抚州 市东 华理工 学院信 息工 程学 院)张军(收稿 日期: 2 0 0 7 . 4 . 1 3 ) ( 修稿 日期: 2 0 0 7 . 5 . 1 5 ) ( 上接第 1 2 3页) S P I 通信一般分为硬件 S P I 通信和软件 S P I 通信 .如果本系 统选用硬件 S P I 通信 .就需要在程序 中把 1 o 4 . 2 - P 4 . 5四个 口定义 成 同步 串行 通信口,P4.3利 用TxBUF发 送数据,P4.4利 用RXBUF接受数据 , P 4 _ 5 提供同步 C L K信号. 如果定义同步发送与 接受数据位数是 8位的话 ,这样利用 T X B U F发送 8 位的地址数 据一次 就完成 ,与普通 的数据 发送没有 什么 区别 ,但 是利用 R X B U F接受 2 4 位 的寄存器数据 , 需要连续接受三次.通 过实际 调试发现, 这种通信方式对时序要求极为严格, 使用起来较麻烦. 在 本系统中 ,改用 了软件 S P I 通信 ,使用I/O口模拟硬件 S P I 通信 , 通过程 序控制 P 4 . 5产 生高低 电平 , 通过 P 4 . 3输出8位的地址数据 , 在 8个 C L K脉 冲信号下 就可 以完 成,然后紧接 着通过 P 4 . 4接受 2 4位 的寄存 器数据 ,在24个 C L K脉冲信号 下就可 以完成 .这种通信方 式使 用起来操作性较强 , 简易实用 3 结束语本模块作为 电力 四遥监控系统 的测量单元 ,所涉及到的软 硬件均通过 了实验调试 , 工作正常 , 性能稳定 .该模块可 以单独 作为三相 电能表使用 , 也 可以外加显示模块 、 遥 信模 块、 遥测 模块、通信模块等就可 以形成电力四遥监控系统 , 从而可 以广泛应 用于电力系统的各种配电设备 中. 创新点 : 1 、利用 的16位 MS P 4 3 0单片 机与 电能集 成芯 片ArlTT 0 2 2 B构成的测量模块 , 充分发挥它们各 自的优点 , 具有硬件 电路接 口简单 , 集成度高 , 运行速度快 , 功能强大等特点 , 2 、 本模块 应用灵活 . 不但可 以作为" 四遥" 监测系统的遥测模块 , 而且可以单 独作为三相电能表使用, 均能达到各种性能指标与精度要求. 参考文献 『 1 】胡大可. MS P 4 3 0系列单片机 C语言程序设计 与开 发[M】 . 北京: 北京航空航天大学 出版社, 2 0 0 3 . 『 2 】 魏小龙. MS P 4 3 0系列单片机接 I = 1 技术及系 统涉及实例 [ M】 . 北京: 北京航空航天大学 出版社, 2 0 0 2 . 『 3 】 三相电能计量芯片一 A r l T 7 0 2 2 B使用手册. 珠海炬 力集成 电路 设计有 限公司. 2 0 0 4 f 4 】 阎纲. 基于MS P 4 3 0单 片机的红外 遥控器设计 . 『 J ] 微计算机 信息. 2 0 0 6年第 1 0 — 2期, P 2 2 3 — 2 2 5 作者 简介: 苏善 伟( 1 9 7 9 . 1 0 ~ ) , 男,汉族,山东 阳谷人 , 硕士 研究 生, 现为青岛理工大学教师, 研究方向为检测技术与传感器. Bi o g r a p h y : S u S h a n w e i ( 1 9 7 9 - 1 0 ~ ) , m a le , H a r t , Y a n g g u S h a n d o n g , Ma s t e r , T e a c h e r o f Q i n g d a o T e c h n o l o g i c a l U n i v e r s i t y . R e s e a r c h f i e l d : T e s t i n g t e c h n o l o g y a n d S e n s o r . ( 2 6 6 5 2 0 青岛 青岛理工大学) 苏善伟 通讯 地址 : ( 2 6 6 5 2 0 山东 青 岛开 发 区青 岛理 工大学 黄 岛校 区 自动化工 程学院1 苏善伟 ( 收稿 日期: 2 0 0 7 . 5 . 1 3 ) ( 修稿 日期:2007.6.15)一92— 3 6 0 元 ,年 邮局订阅号 : 8 2 - 9 4 6 维普资讯 http://www.cqvip.com
下载该文档
文档格式：PDF
更新时间：2014-07-09
下载次数：0
点击次数：1
数采与监测中文核心期刊 《 微计算机信息》 ( 测控自动化) 2 0 0 7 年第 2 3 卷第 7 — 1 期 文章编 号: 1 0 0 8 - 0 5 7 0 ( 2 0 0 7 ) 0 7 — 1 — O l 2 - o 3 基于MSP430与 A T T 7 0 2 2 B的 四遥测量模块 T he M e a s ur e m e nt M odul e of F 0u r — Rem ot i on Ba s ed on M S1 ' 4 3 0 and ATT7 0 2 2B ( 青岛理工 大学)苏善伟 SU SHAN W EI 摘要: 本 文介 绍 了一 种 电力 四遥监 控 系统 中的遥 测模 块,其控 制核 心是TI公司的 MS P 4 3 0单 片机 , 采样电路 由珠 海炬力公 司的ATIT022B三 相 电能芯 片构 成.这种 测量 模块 , 具有 三相 电 能表 的功 能,可以 测量三 相 电路 中电 流、 电压、 频率、功率、功率因数 、 电能等 参数 . 关键词:MSP430;ATT7022B: 遥测中图 分类号:TP368文献 标识码:BAb s t r a c t : T h e a r t i c l e i n t r o d u c e s a me a s u r e me n t mo d u l e w h i c h i s o n e p a r t o f F o u r - Re mo t i o n mo n i t o r i n g a n d c o n t r o l s y s t e m.I t i s c o r n. p o s e d o f t h e c o n t r ol u n i t o f s i n g l e c h i p o f MS P 4 3 0 ma d e b y T I a n d s a mp l i n g c i r c u i t w h i c h i s b a s e d o n t h e e n e r g y c h i p o f ATI T 0 2 2 B o f J u li c o mp a ny ,Z h u h a i .T h i s k i n d o f me a s u r e me n t mo d u le ,w i t h t h e f u n c t i o n o f t h r e e — p h a se e n e r g y me t e r ,C a n b e a p · p l i e d t o me a su r e e l e c t r i c a l p a r a me t e r s s u c h a s c u r r e n t , ,v o l t a g e ,~e q u e n c y ,p o w e r ,p o w e r f a c t o r ,e n e r g y . Ke y wo r d s : M S P 4 3 0 , ATT7 0 2 2 B, Re mo t e M e a s u r e me n t l 刖吾所谓 四遥一 是" 遥测 、 遥信 、 遥控 、 遥调 " 技术的简称 . " 遥测 " 是指利用 电子技术远方测量集 中显示诸 如电流 、 电压 、 功率 、 电 能等物理量 的系统 技术.该电力" 四遥" 测量模块 采用 1 6位的430单 片机 与集 成 电能芯 片Arlq'7022B, 具 有准确度高 . 误差 曲 线平直 , 性 能稳定可靠 , 自身损耗 低,而且功能容易扩展等优点. 该电能芯片具有 S P I 接口, 外 部微处理器可通过 此接 口读取原 始值,再根据相应 的计算 公式进 行计算 , 最后得 到各项 电力参 数 的测量值 . 2 系统 介绍遥测 模块 , 也可 以作为普 通 电子式 电能表 使用 , 其采样 方 式及采用什么 MC U有多种方案 , 不少 已经投入实际使用 . 但是 基于 MS P 4 3 0单 片机 ,采 用高度集成的采集芯片 A r f T 7 0 2 2 B进行电流和 电压 采样 的模块还没有 广泛投产使用 .尽管 r I ' I 公司提供 了多种采样方 案.但是其采样 电路 比较复杂 , 难于调试 , 更 没有采用专用的电能表的采 用芯片. 相电流 ~ 电流—一SCK.照扭直流 互÷相、CS光担直 近二 感—电、电片器能DI隔J、离机相电压 电片DO~ 电 担电 压; 压—ATI7022路MSP43O担皇匡 互—感—器图1图1是遥 测模块 的硬件组成 . 合理 的把 Ⅱ 的MS P 4 3 0 F 4 4 9 单片机 和珠海炬力 的ATIT022B电能采集芯片集合 . 发 挥各 自苏善伟: 硕 士研 究生教师的优 势,避开复杂 的采样 电路的设计 . 2 . 1 硬件部分:MS P 4 3 0 F 4 4 9单片机T1公司的MS P 4 3 0系列单片机是一种具有超低功耗的功能强大的 1 6位单 片机 .新 开发的 F系列 具有 F l a s h存储 器,如F449就具有 6 0 K B的Fla s h , 在系统设 计,开发调试及 实际应用 上 比其他 MC U都 有比较明显的优势. f 1 1 超低功耗MSP430F系列运行在 1 M HZ时钟 的条件下时 , 工作模式不 同为 0 . 1 - 4 0 0 u A. 工作 电压为 1 . 8 ~ 3 . 6 V. f 2 1 超强处理能力8MIPS的 C P U内核 , 1 6位x 1 6位的硬件乘 法器. f 3 1 灵活的配置方 法MS P 4 3 0 F系列具 有丰富 的寻址 方式 ,只需要 2 7条指令 : 片 内寄存器 数多 , 可以实现多种运算 ; 有高效 的查表处理方 法. 这一切保证 了可 以编译 出高效 的程序 . 许多 中断 , 可 以嵌套 . 使 用方便 f 4 1 片上集成外 围功能模块 M S P 4 3 0 F系列集成 了较 多的片上外 围设 备 .这些 外 围设 备 功能相当强大: 1 2位A/D, 精密模拟 比较器 . 硬件乘法 器,2组 频 率可 以达到 8 MH Z的时钟模 块,2个带有许 多捕获 比较的 1 6 位 定时器 , 看 门狗功能 , 2个可实现异步和 同步及多址访 问的串 行通信 接口,数十个 可实现方 向 的设 置及 中断功 能的并行输 入,输出端 口, 拥有 S P I 和UASRT通讯端 口. 『 5 ) 高效的开 发方式MSP430FX系列具有 F L A S H存储 器.这一 特点使得 它的开 发工具相 当简便 .利用 单片 机 自身 带有 的JTAG接 1 3或片内BOOTROM内固化 的默认的加 载程序 载人器 B o o t s t r a p可以进 行串1 3或并 1 3,通过 U A R T将程序代 码装入 F la s h存贮器中 . 可 以在一 台PC及一个 小JArrAG控制 器 的帮 助下实 现程 序的一122—3 6 0 ~ L, 年 邮局订 阅号 : 8 2 — 9 4 6 维普资讯 http://www.cqvip.com 数采与监测下载 , 方便的完成 在线程序调试. A 1 - I 7 0 2 2 B 电能 芯片A1-I7022B是珠 海炬力集成 电路设 计有 限公 司生产的一款 高精 度三相 电能计 量芯 片.该芯 片对有功 、 无功功率 的测 量精 度分别达 到0.2s和0.5s,所能测量 的电参数 包括 有功 、 无功 、 视 在功率 、双向有功和 四角 限无 功电能 ;电压 和电流有效值 : 相位、频率等.A ' I T7 0 2 2 B具有计 量参数齐全 、 校表功率 完善等优 点,简化 了软件设计 , 缩短 了软件 开发周期 .特别 是AT7022B可支持全数字校表 , 即软件 校表 .软件校表可提高校表精度 、 简 化硬件设计 、 降低设计 成本 , 为 三相多 功能计 量装置 提供 了功 能更加齐全 、 设计更加 简单 的应 用方案. ( 1 1 工作原理 A ' I T7 0 2 2 B首先 通过 6通道16位 ∑一的ADC模数 转换电路来对输入 电流 和电压信号进 行采 样.转换后 的数 字量 再经 过24位 D S P数 字信号处 理以完成全 部三相 电能参 数 的运 算.同时将结果保存在相应 的寄存器 中并通过 S P I口与 MC U进行 数据交换 . D S P模块 同时 还生 成有功/ 无功电能脉 冲输 出CF1/CF2,可用 于现场校表 .A n7 0 2 2在 设计 中 已考 虑到校表 的方 便性 . 采 用全数字 校表 , 只需 适 当修 改校表 寄存 器即可 实现校 表功能.f21串行 S P I 接口A1-I7022提供有标准的 S P I 接口. 可 与带 S P I 口的 MC U直 接连接 . 也可用适 当的 I / O 口线仿真 S P I 总线 , 其仿真读 写程序 很容易实现 . A 1 1 - 7 0 2 2的一 个数 据传 输总线 从向SPI接口的 D I N端送人8位命 令字开始 的, 当命令 中包 括一个 写入命 令时 , 在 其后 的24个 S C L K周期 内. 串 口将 持续从 D I N端读人 2 4位 串行数 据 .当发 出一个读 取命令时 . 串171将根据 发出的命令来进 行寻 址,然后在其后 的24个连续的 S C L K周期从 D O U T引脚上串行 输出寄存器 内容. 数据 的传输 总是 M S B在前 . L S B在后. 读 寄存 器时 , S C L K为高 . 数据 在DOUT引脚上有效 . 而在写寄存器时 , 数据则在 S C L K的下 降沿从 D I N引脚读 人 ,这一点在仿 真SPI读写 操作子程序 时应 引起注意.否则 读 写寄 存器将出错 . A 1 1 - 7 0 2 2 B的读写时序见下 图 2所示 . : : : f 眦肿…㈣叽邶㈣ D o 哗2:qi4:llljllq9I8l413l:l{图2(31寄存器配置及校表方法 A 1 1 - 7 0 2 2 B的寄存 器分为计量参数 和校表参数两部分 .器件中的计量参 数寄存器多达 8 2个.它们 的地址 在O1H一 6 F H 中不连续 分布 , 未使用部 分可 留给 以后 扩展.计量参量 的计 算全 部由硬件完成 . 用户只需进行单位换算就可得 到测 量值 . 校表参 数寄存器包括相位 补偿设置 、 功率增益 、 相位校 正、 电压/ 电流校正 、 比差 补偿设置 、 启动 电流 、 高频脉 冲输 出设 置、断相阈值电压设置和合相 能量累加模式 等36个寄存器 ,它们 的地址 不连续地分布在 0 1 H一2AH. 也考虑 了以后 的扩展 .应当 说 明的是 , 两个 寄存 器 的地址有重 叠部分 . 但 它们 的物理 位置 是分 开的 , 可 以通过读 写命 令来 区分. 校表是 电能表设 计 中非常 重要 的环节 . A ' I T7 0 2 2 B上 电复 位后,校表 寄存 器 的初始数 据为 默认 值.此时读 出的计量参 数值和实 际参 数值 不符 , 因而需要对 校表 寄存器进 行设置 . 以将 测 量值减小到误差 范围之 内.校 表可按高频输 出参数设 置、比差补偿 区域设 置、角差补 偿 区域设 置、功率增 益校 正、相位校 正、启动电流设 置、 功率增 益校正 、 参 量累 加模 式设 置、电压校 正、电流校正 的先 后顺序进行 .现 以电压增益 的校准为例简要 说明AT7022B的校表方 法 ,其 它参 数校准请参 照该 芯片 的参 考文献 . 电压增 益校正 U g a i n A、 U g a i n B、 U g a i n C : 在A'IT7 0 2 2初始化 时,Ugain为 0 , 标 准表 上读 出 的电压有 效值 为Ur.通过SPI口 读出的测量 电压有效值 寄存器 的值 为Datau.此时 , 如实际 电压 有效值 U r , 测量 电压 有效值 为U玎ns=DataU*20/2.由于: U g a i n = ( U r / U r m s ) - 1 因此 , 女日果( u g a i n ≥o ) , 则Ugain=INT[Ugainx223]否则 U g a i n < 0 , 则Ugain=INT[2+Ugainx223],式 中, I N T表示 取结果的整数部分 . f 4 1 互感器参数选择 选 用的 电流互感 器规格为 5 A / 2 . 5 mA, 精度是 0 . 0 5级,负载 阻抗 为40n, 电压 互 感器 规 格选 择电流型 电压 互 感器 2 mA / 2 mA,在其前 端通 过1IOK功率 电阻把 2 2 0 v电压 信号 转变成 2 mA电流信号 . 负载 电阻为 2 5 0 1 2 .这样在输入额定 电流、 额定 电压 时 ,其电流 、电压 差动输入 电压 的有 效值分别 为0.1V和 0 . 5 V 左右,可满足An7022B的要 求.(5)特点 A 1 1 - 7 0 2 2 B能够提供 的计 量参数除 瞬时有 功功率 、无功 功率、视在 功率 、 有功电能 、 无功 电能 、 功率 因数 、 相位 、 电压 有效 值、电流有效值 、 瞬时合 相电流值 、 线电压频率值 、 四象 限无 功、正向和反向有 功电 能外 . 还包括 缺相 、 相 序错误 和反 向有 功指 示等状态信息 . 非常适 用于三相 电路 中各种 电参数 的测 量. 2 . 2软件部分 对于 MS P 4 3 0单片机 .由rI1公 司 自带的嵌入 式软件 开发 平台IAREMB E D D E D WO R K B E N C H. 该 软件可对开 发系统进 行在线调 试,带有C编译 器.可采用 高效 、 便捷、通用的C语 言编程.通过 MS P 4 3 0 9的P4.2一P 4 . 5端 口对 A T r 7 0 2 2 B芯片进 行 同步数据传递 . 其中P4.2用 于CS,P4-3端 1 7 1 用于DI,P4.4用 于DO, P 4 . 5用于SCK. 程序流程 图如下图 3所示 . 图 3程序流程图 转第 9 2页) @ 局订82-946360.~-,/_ 1 2 3 — 维普资讯 http://www.cqvip.com 控制系统中文核心期刊 《 微计算机信息》 ( 测控自动化) 2 0 0 7 年第 2 3 卷第 7 - 1 期(d) = 0 ( e ) < 0 图6二阶线性系统的时域仿 真4结束语本研究 只是对 L a b V I E W 系统仿 真技 术进行 了初 步的分析 和研 究,还可 以更进 一步把仿 真和真实 系统相 连接 , 充分 利用 L a b V l E W 在控制系统仿真方面 的优势 , 在计算机上 加上适当的 数据采集卡就可 以将仿 真系统和真实 系统结合 起来 , 这在工程 中和教学上 都有 一定 的现实意义 . 本文作者创 新点:利用I_abVIEW进行系统仿真 , 可 以应用 于教学 , 还 可以进 一 步与真实 系统相连接 . 参考文献 [ 1 ] N a t i o n a l I n s t r u m e n t s C o r p o r a t i o n . G e t t i n g S t a r t e d w i t h L a b — V I EW , Ap r i l 2 0 0 3 E d i t i o n . [ 2 ] N a t i o n a l I n s t r ume n t s C o r po r a t i o n . L a b V I E W U s e r Ma n u a l, A p r i l 2 0 0 3 E d i t i o n . 『 3 】 刘 君华 , 贾 惠芹 , 丁晖 , 阎晓艳 . 虚 拟仪 器 图形 化编 程语言LabVIEW教程[ M】 . 西安: 西安 电子科 技大 学出版社, 2 0 0 3 . 『 4 ] 雷振 山. L a b V I E W 7 E x p r e s s 实用 技术教程f M】 . 北京: 中 国铁道 出版社 . 2 0 0 4 . f 5 】 杨乐平 , 李海涛 , 赵勇 , 杨磊 , 安雪滢. L a b V I E W 高级程序设计 [ M 】 . 北京: 清华大学 出版社 , 2 0 0 3 . [ 6 】 周求湛 , 钱 志鸿 等. 虚拟仪 器与 L a b V I E WT M 7 E x p r e s s 程序 设计【 M】 . 北京: 北京航空航天大学 出版社 , 2 0 0 4 . [ 7 】 吴苗 . 基于 L a b V i e w的设备驱动程序 开发技术研究『 J ] 微计算 机信息. 2 0 0 6 ( 2 ) : 1 5 3 作者简介: 刘碉( 1 9 7 5 - ) , 女,汉族 , 讲师 , 硕士 , 主要从事计算机控 制、 计算机 仿真 等研究 .宗哲玲( 1 9 6 6 - ) , 女,汉族 , 副教授 , 天津现代职业技术学 院. Bi o g r a p h y : L i u Yu e , f e ma l e , b o r n e d i n 1 9 7 5 , h a r t , ma s t e r , r es e a l ~ 3 h f i e l d: c o mp u t e r c o n t r o l , c o mp u t e r s i mu l a t i o n . ( 3 0 0 2 2 2 天津天津现代职业技术学院) 刘弱宗哲玲 f 3 O 0 2 2 2 天津 天津 工程师范学院) 田立国 通讯地址:(3o0222天津天津现代职业技术学院信息工程系)刘弱(收稿 日期: 2 0 0 7 . 4 . 1 3 ) ( 修稿 日期: 2 0 0 7 . 5 . 1 5 ) ( 上接第 1 1 9页) Bi o g r a p h y : Z h a n g J u n ,b o r n i n 1 9 8 2 ,a p o s t g r a d u a t e~u d e n t i n E a s t C h i n a I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y , m a j o r e d i n c o m p u t e r . Re s e a r c h d i r e c t i o n :C o mmu n i c a t i o n a n d e mb e d d e d s y s t e m. f 3 3 o o 1 3 南昌东华 理 工学 院核 资源 与环境 教育 部重 点 实验 室) 张军周书民通讯地 址: ( 3 4 4 0 0 0 江西省 抚州 市东 华理工 学院信 息工 程学 院)张军(收稿 日期: 2 0 0 7 . 4 . 1 3 ) ( 修稿 日期: 2 0 0 7 . 5 . 1 5 ) ( 上接第 1 2 3页) S P I 通信一般分为硬件 S P I 通信和软件 S P I 通信 .如果本系 统选用硬件 S P I 通信 .就需要在程序 中把 1 o 4 . 2 - P 4 . 5四个 口定义 成 同步 串行 通信口,P4.3利 用TxBUF发 送数据,P4.4利 用RXBUF接受数据 , P 4 _ 5 提供同步 C L K信号. 如果定义同步发送与 接受数据位数是 8位的话 ,这样利用 T X B U F发送 8 位的地址数 据一次 就完成 ,与普通 的数据 发送没有 什么 区别 ,但 是利用 R X B U F接受 2 4 位 的寄存器数据 , 需要连续接受三次.通 过实际 调试发现, 这种通信方式对时序要求极为严格, 使用起来较麻烦. 在 本系统中 ,改用 了软件 S P I 通信 ,使用I/O口模拟硬件 S P I 通信 , 通过程 序控制 P 4 . 5产 生高低 电平 , 通过 P 4 . 3输出8位的地址数据 , 在 8个 C L K脉 冲信号下 就可 以完 成,然后紧接 着通过 P 4 . 4接受 2 4位 的寄存 器数据 ,在24个 C L K脉冲信号 下就可 以完成 .这种通信方 式使 用起来操作性较强 , 简易实用 3 结束语本模块作为 电力 四遥监控系统 的测量单元 ,所涉及到的软 硬件均通过 了实验调试 , 工作正常 , 性能稳定 .该模块可 以单独 作为三相 电能表使用 , 也 可以外加显示模块 、 遥 信模 块、 遥测 模块、通信模块等就可 以形成电力四遥监控系统 , 从而可 以广泛应 用于电力系统的各种配电设备 中. 创新点 : 1 、利用 的16位 MS P 4 3 0单片 机与 电能集 成芯 片ArlTT 0 2 2 B构成的测量模块 , 充分发挥它们各 自的优点 , 具有硬件 电路接 口简单 , 集成度高 , 运行速度快 , 功能强大等特点 , 2 、 本模块 应用灵活 . 不但可 以作为" 四遥" 监测系统的遥测模块 , 而且可以单 独作为三相电能表使用, 均能达到各种性能指标与精度要求. 参考文献 『 1 】胡大可. MS P 4 3 0系列单片机 C语言程序设计 与开 发[M】 . 北京: 北京航空航天大学 出版社, 2 0 0 3 . 『 2 】 魏小龙. MS P 4 3 0系列单片机接 I = 1 技术及系 统涉及实例 [ M】 . 北京: 北京航空航天大学 出版社, 2 0 0 2 . 『 3 】 三相电能计量芯片一 A r l T 7 0 2 2 B使用手册. 珠海炬 力集成 电路 设计有 限公司. 2 0 0 4 f 4 】 阎纲. 基于MS P 4 3 0单 片机的红外 遥控器设计 . 『 J ] 微计算机 信息. 2 0 0 6年第 1 0 — 2期, P 2 2 3 — 2 2 5 作者 简介: 苏善 伟( 1 9 7 9 . 1 0 ~ ) , 男,汉族,山东 阳谷人 , 硕士 研究 生, 现为青岛理工大学教师, 研究方向为检测技术与传感器. Bi o g r a p h y : S u S h a n w e i ( 1 9 7 9 - 1 0 ~ ) , m a le , H a r t , Y a n g g u S h a n d o n g , Ma s t e r , T e a c h e r o f Q i n g d a o T e c h n o l o g i c a l U n i v e r s i t y . R e s e a r c h f i e l d : T e s t i n g t e c h n o l o g y a n d S e n s o r . ( 2 6 6 5 2 0 青岛 青岛理工大学) 苏善伟 通讯 地址 : ( 2 6 6 5 2 0 山东 青 岛开 发 区青 岛理 工大学 黄 岛校 区 自动化工 程学院1 苏善伟 ( 收稿 日期: 2 0 0 7 . 5 . 1 3 ) ( 修稿 日期:2007.6.15)一92— 3 6 0 元 ,年 邮局订阅号 : 8 2 - 9 4 6 维普资讯 http://www.cqvip.com