摘要： 針對(duì)導(dǎo)軌式三相電能表的實(shí)用性及開(kāi)發(fā)難度較大等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種利用SOC技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法，分別從硬件與軟件角度介紹了DTSD1352的設(shè)計(jì)及應(yīng)用。
關(guān)鍵字：SOC；導(dǎo)軌式；三相電能表
0.引言
據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)公共建筑單位面積的年平均耗電量數(shù)值巨大，約占全國(guó)城鎮(zhèn)總耗電量的22%。在公共建筑節(jié)能方面，分項(xiàng)計(jì)量是現(xiàn)階段有效可行的方法。分項(xiàng)計(jì)量系統(tǒng)中電表作為終端元件，在功能、性能、安裝方式上都有較嚴(yán)格的要求。目前我國(guó)供電部門(mén)用于收費(fèi)的電能表為壁掛式安裝方式，此安裝方式占用空間較大，不易安裝，更不適用于本來(lái)空間就狹小的改造項(xiàng)目。而且大型公共建筑分項(xiàng)電能計(jì)量屬于內(nèi)部計(jì)量管理，不宜使用收費(fèi)電表，而應(yīng)采用電力儀表。導(dǎo)軌式安裝在體積、結(jié)構(gòu)上都優(yōu)于傳統(tǒng)的壁掛式和嵌入式儀表，其特殊的安裝方式既可以安裝在終端照明箱中又可以安裝在大型開(kāi)關(guān)柜、動(dòng)力柜中而不用重新開(kāi)孔。
1.設(shè)計(jì)依據(jù)
電能表作為計(jì)量型儀表，與經(jīng)濟(jì)、民生息息相關(guān)。因此，其相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)在眾多工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)中是最為嚴(yán)格的。國(guó)內(nèi)電能表主要參考的標(biāo)準(zhǔn)為：
l GB/T17215.322-2008 《交流電測(cè)量設(shè)備特殊要求 第22部分：靜止式有功電能表（0.2S級(jí)和0.5S級(jí)）》
l GB/T17215.211-2006 《交流電測(cè)量設(shè)備 通用要求、試驗(yàn)和試驗(yàn)條件 第11部分:測(cè)量部分》
l DL/T614-2007《多功能電能表》
以上標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)電能表在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)及應(yīng)用中的性能、功能都規(guī)定了詳細(xì)的技術(shù)參數(shù)。其中較為重要的性能指標(biāo)有：
1）、工頻耐壓。所有的電流線路和電壓線路以及參比電壓超過(guò)40V的輔助線路連接在一起為一點(diǎn)，另一點(diǎn)為地，試驗(yàn)電壓4kV加于該兩點(diǎn)間，不應(yīng)發(fā)生飛弧、火花放電或擊穿現(xiàn)象。
2）、快速瞬變脈沖群試驗(yàn)。在電壓和電流線路加4kV脈沖群，儀表準(zhǔn)確度應(yīng)在相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的極限內(nèi)。
3）、靜電放電抗擾度試驗(yàn)。接觸放電8kV，空氣放電15kV，儀表不能有死機(jī)或精度不準(zhǔn)顯現(xiàn)。
4）、浪涌抗擾度試驗(yàn)。在電壓線路通以參比電壓，電流端開(kāi)路，在電壓和電流線路上施加4kV，正負(fù)極各5次，儀表不應(yīng)損壞不能工作。
以上幾點(diǎn)指標(biāo)在各自的試驗(yàn)規(guī)格中都是最高級(jí)的殘酷級(jí)別。對(duì)于傳統(tǒng)的壁掛式電能表，體積較大，內(nèi)部有足夠的設(shè)計(jì)空間來(lái)應(yīng)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)中的各種要求。而導(dǎo)軌式三相多功能電能表因?yàn)轶w積較小，模具決定了內(nèi)部可用空間不大。因此，導(dǎo)軌式三相電能表在設(shè)計(jì)上要難于傳統(tǒng)的壁掛式電能表。本文以DTSD1352三相多功能電能表為例講解一種基于SOC技術(shù)的方案。
2.硬件可靠性設(shè)計(jì)
2.1 芯片選擇
DTSD1352采用的主芯片是美信公司的71M6543，此芯片包含了一個(gè)8051的微處理器內(nèi)核和一個(gè)可實(shí)現(xiàn)計(jì)量功能的32位DSP數(shù)字引擎（CE），同時(shí)包括了電能表所必須的一些外設(shè)，如LCD驅(qū)動(dòng)、可補(bǔ)償?shù)腞TC、UART等。芯片具有良好的電磁兼容性，完全符合電能表的性能標(biāo)準(zhǔn)。由于此芯片的集成度極高，為產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)留下了寶貴的空間。
2.2 總體方案
總體方案框圖如圖1所示。總體設(shè)計(jì)中主要圍繞71M6543，外圍電路主要包括：開(kāi)關(guān)電源、電壓電流采樣電路、按鍵、液晶顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、RS485通信模塊、脈沖輸出。原始信號(hào)經(jīng)電阻分壓及電流互感器信號(hào)衰減輸入到CE，CE順序處理從模擬輸入引腳采集的電壓信號(hào)，計(jì)算有功能量（Wh）和無(wú)功能量（VARh），以及四象限表計(jì)的A2h和V2h。然后MPU存取這些測(cè)量值，進(jìn)一步處理并通過(guò)MPU的外圍器件輸出，輸出方式如：LCD顯示、RS485通信等。除了高級(jí)測(cè)量功能外，實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）功能允許71M6543不外掛任何實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片就可以實(shí)現(xiàn)多費(fèi)率分時(shí)計(jì)量。同時(shí)配合外掛的鐵電，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)12個(gè)月的歷史數(shù)據(jù)的保存功能。
2.3 采樣電路
71M6543的管腳IADC0至IADC7用作電流傳感器輸入。這8路電流傳感器輸入可配置為8路單端輸入，或配對(duì)構(gòu)成4路差分輸入。為獲得最佳性能，DTSD1352在設(shè)計(jì)中將電流傳感器輸入配置為差分輸入（即：IADC0-IADC1、IADC2-IADC3、IADC4-IADC5、IADC6-IADC7）。71M6543提供了分流器接入和電流互感器接入兩種接入方式，處于電氣安全的考慮，DTSD1352方案中使用的是互感器方案。具體電路原理圖如圖2所示：
圖2中IN_IA+和IN_IA-與互感器次級(jí)輸出相連，IA+和IA-與IADC0和IADC1相連。電壓采樣電路使用單端輸入，通過(guò)電阻分壓檢測(cè)電網(wǎng)電壓。VADC8、VADC9、VADC10引腳為單端，返回至V3P3A引腳。
2.4 輸入復(fù)用器及采樣時(shí)序
由于71M6543內(nèi)部只有一個(gè)ADC，所以使用了一個(gè)輸入復(fù)用器來(lái)切換7種信號(hào)（IA、VA、IB、VB、IC、VC、IN）的采集。輸入復(fù)用器按照11個(gè)MUXn_SEL[3:0]控制字段確定的采用順序，將模擬輸入信號(hào)依次作用到ADC輸入。一個(gè)完整的采樣過(guò)程稱(chēng)為復(fù)用幀。圖3為一個(gè)完整復(fù)用幀的時(shí)序圖：
3.軟件模塊化設(shè)計(jì)
DTSD1352采用模塊化軟件設(shè)計(jì)，模塊設(shè)計(jì)包括：計(jì)量運(yùn)算、校準(zhǔn)模塊、人機(jī)交互模塊、通信模塊、復(fù)費(fèi)率計(jì)算模塊、需量計(jì)算模塊、事件記錄模塊等。整體流程圖如圖4所示：
流程圖中的任務(wù)調(diào)度模塊其實(shí)是由多個(gè)中斷以及定時(shí)器按一定的優(yōu)先級(jí)組合而成的。其支配著整個(gè)程序，驅(qū)動(dòng)程序正常無(wú)誤的工作。對(duì)于周期性任務(wù)，如計(jì)量、復(fù)費(fèi)率運(yùn)算等，由定時(shí)器定時(shí)分配任務(wù)執(zhí)行順序。而對(duì)于一些非周期性任務(wù)，如通信、人機(jī)交互等，則由中斷觸發(fā)執(zhí)行。各模塊大多相互獨(dú)立，代碼維護(hù)簡(jiǎn)單。
4.DTSD1352測(cè)試數(shù)據(jù)
表1為DTSD1352在各溫度環(huán)境測(cè)試中的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)表明DTSD1352有功電能精度等級(jí)可以滿(mǎn)足0.5S級(jí)要求，并滿(mǎn)足高低溫性能。
5.DTSD1352在實(shí)際中的應(yīng)用
圖5為DTSD1352在某寫(xiě)字樓中的系統(tǒng)圖和接線圖。右圖為電氣系統(tǒng)圖，DTSD1352作為系統(tǒng)中的終端元件對(duì)包括照明、空調(diào)或插座等終端負(fù)載進(jìn)行電能計(jì)量及電氣運(yùn)行參數(shù)測(cè)量。左圖為單個(gè)DTSD1352的外部接線圖，電網(wǎng)中的A、B、C三相分別接入表的UA、UB、UC（端子號(hào)1、3、5）端子。電流經(jīng)互感器后接到相應(yīng)的電流接口。DTSD1352還有直接接入，低于80A的電流可直接進(jìn)表，接線方式與互感器接入相似，由于篇幅問(wèn)題，這里就不再贅述。
5.結(jié)束語(yǔ)
導(dǎo)軌式安裝多功能電能表可在分項(xiàng)計(jì)量項(xiàng)目中發(fā)揮極大作用，可有效減少施工難度及成本。DTSD1352性能指標(biāo)符合國(guó)標(biāo)GB/T17215和電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T614-2007對(duì)電能表的各項(xiàng)技術(shù)要求，適用于政府機(jī)關(guān)和大型公建中對(duì)電能的分項(xiàng)計(jì)量，也可用于企事業(yè)單位作電能管理考核。
