用于電氣設(shè)備安全的功率計(jì)研究

李風(fēng)光，張瑞芳，楊永環(huán)，邵蕊娜

（1.河南省醫(yī)療器械檢驗(yàn)所 河南 鄭州 450003；2.鄭州市軌道交通有限公司 河南 鄭州 450015）

隨著醫(yī)用電子行業(yè)的發(fā)展，醫(yī)用電氣設(shè)備作為一種醫(yī)療手段在醫(yī)療工作中的作用越來越大。病人及醫(yī)院工作人員都不可避免的使用到各種醫(yī)用電氣。對(duì)于電氣類醫(yī)用設(shè)備，應(yīng)避免出現(xiàn)不穩(wěn)定因素、甚至于錯(cuò)誤的狀態(tài)出現(xiàn)，以保證病人的安全。醫(yī)用電氣的有功功率和動(dòng)作電流是考查其安全性能的重要指標(biāo)。信號(hào)微機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是保證使用安全、提高各種設(shè)備測(cè)量精度、快速準(zhǔn)確的解決出現(xiàn)的各種問題不可缺少的機(jī)制。這就要求實(shí)時(shí)的對(duì)設(shè)備狀況、特性參數(shù)加以監(jiān)測(cè)。

醫(yī)用電氣設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)是一個(gè)特定的的過程，工作功率是一條有規(guī)律的曲線。通過監(jiān)測(cè)設(shè)備的智能診斷軟件分析電流波形和數(shù)值的變化，可判別出設(shè)備工作是否正常并進(jìn)行故障定位和分離，找出故障部件和位置。從而及時(shí)報(bào)警以預(yù)防事故。為保證設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)系統(tǒng)能夠及時(shí)的報(bào)警和處理，要對(duì)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)加以存儲(chǔ)分析，需要對(duì)功率信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)。功率檢測(cè)的方法很多，可以利用專門的芯片實(shí)現(xiàn)，也可以通過軟件編程得到，還可以采用純硬件電路進(jìn)行檢測(cè)。

文中研究對(duì)象是對(duì)三相三線制的電動(dòng)機(jī)功率的在線監(jiān)測(cè)。采用專用功率芯片對(duì)功率信號(hào)檢測(cè)，通過CAN總線與上位機(jī)通信，使得信號(hào)的可靠性得到更好的保證，最終達(dá)到調(diào)度監(jiān)督、微機(jī)監(jiān)測(cè)、有效管理的目的。

1 系統(tǒng)工作原理介紹

1.1 系統(tǒng)基本工作原理

本系統(tǒng)主要既能應(yīng)用于數(shù)據(jù)終端，也可應(yīng)用于模擬終端。系統(tǒng)工作原理圖如圖1所示。

圖1 硬件電路原理圖Fig.1 Schematic diagram of hardware circuit

系統(tǒng)的工作過程是高壓信號(hào)經(jīng)過電壓互感器轉(zhuǎn)化到0.5 V左右，經(jīng)過電流互感器把電流信號(hào)轉(zhuǎn)化到0.1 V左右。轉(zhuǎn)化后得到的信號(hào)經(jīng)過整流濾波調(diào)理后輸入三相電能芯片ATT7022中。信號(hào)輸入到ATT7022中后將測(cè)的有功功率、三相電流信號(hào)存入相應(yīng)的參數(shù)輸出寄存器中。ATT7022芯片接流水線式處理器C8051F041，在高速的流水線指令結(jié)構(gòu)下，程序執(zhí)行速度可以達(dá)到50MIPS，使系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性得到滿足[1]。用中斷的方式從ATT7022的寄存器中讀出相應(yīng)的信號(hào)值。

針對(duì)該信號(hào)做出兩種處理:第一種是是針對(duì)系統(tǒng)與上位機(jī)相連的檢測(cè)系統(tǒng)，需要做CAN總線通訊的處理。另一種模塊針對(duì)測(cè)量?jī)x器是模擬儀器，要求平均功率和有效電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為4~20 mA的電流信號(hào)，以便進(jìn)行測(cè)量顯示。在實(shí)際的應(yīng)用中兩種模塊可以按照實(shí)際的應(yīng)用環(huán)境進(jìn)行選擇。

1.2 功率信號(hào)計(jì)算原理

功率芯片ATT7022集成了6路二階sigma-delta ADC、參考電壓電路。它不需要外接數(shù)據(jù)采集芯片，系統(tǒng)有更高的集成度。采用雙端差分信號(hào)輸入形式，減少了干擾源。在此芯片中完成對(duì)有功功率的計(jì)算，通過對(duì)去直流分量后的電流、電壓信號(hào)進(jìn)行乘法、加法、數(shù)字濾波等一系列數(shù)字信號(hào)處理后得到有有功功率。前端的ADC采用過采樣技術(shù)，可充分保證電流、電壓采樣速率，根據(jù)采樣定理可知電流、電壓采樣數(shù)據(jù)中包含高達(dá)21次的諧波信息，依據(jù)公式（1）計(jì)算得到的有功功率也至少包含21次諧波信息信號(hào)[2]。

功率芯片與單片機(jī)系統(tǒng)的接口是通過ATT7022提供的一個(gè)SPI接口，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。在系統(tǒng)中采取在功率芯片中計(jì)算采樣得到的有功功率，然后輸入到C8051F041中對(duì)其求半個(gè)周期的平均功率的方法，這樣得到的功率誤差更小，精度可以得到很好的保證[3]。此外，ATT7022內(nèi)部的電壓監(jiān)測(cè)電路可以保證加電和斷電時(shí)正常工作。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

硬件電路設(shè)計(jì)采取模塊化設(shè)計(jì)，主要的模塊主要包括：CAN總線接口模塊、電流源電路、功功率檢測(cè)模塊、高速光電耦合器6N137、編程調(diào)試接口電路、電源電路和振蕩器電路、以及信號(hào)輸出模塊等組成。

2.1 CAN總線模塊

C8051F041具有控制器局域網(wǎng)（CAN）控制器，基于CAN協(xié)議下位機(jī)與上位機(jī)進(jìn)行串行通信。為提高CAN總線節(jié)點(diǎn)的抗干擾能力，C8051F041的CANTX和CANRX通過高速光耦6N137與82C250與82C250的TXD和RXD相連。Silicon Labs CAN控制器符合Bosch規(guī)范2.0A和2.0B，CAN網(wǎng)絡(luò)通信十分方便，它的工作速率可達(dá)1M位/秒。CAN控制器包含一個(gè)CAN核、消息RAM（獨(dú)立于CIP-51的RAM）、消息處理狀態(tài)和控制寄存器。Silicon Labs CAN是一個(gè)協(xié)議控制器，不提供物理層驅(qū)動(dòng)器（收發(fā)器）。

Silicon Labs的CAN有32個(gè)消息對(duì)象，每個(gè)消息對(duì)象有其自己的標(biāo)識(shí)掩碼，標(biāo)識(shí)掩碼用于對(duì)接收到的消息進(jìn)行過濾。輸入數(shù)據(jù)、消息對(duì)象和標(biāo)識(shí)掩碼存儲(chǔ)在CAN消息RAM中。與數(shù)據(jù)發(fā)送和接收過濾有關(guān)的所有協(xié)議處理均由CAN控制器完成，不需C8051 MCU干預(yù)。這可使得用于CAN通信的CPU帶寬最小。C8051通過特殊功能控制器（SFR）配置CAN控制器，讀取接收的數(shù)據(jù)，寫入要發(fā)送的數(shù)據(jù)。

2.2 電流源模塊

功率信號(hào)及三相電流有效值經(jīng)過C8051F041后，再經(jīng)過光電耦合器把電壓轉(zhuǎn)換為電流的電路（即電流源），把電壓信號(hào)變成4~20 mA的電流信號(hào)，具體電路如圖2所示。

圖2 電流源原理圖Fig.2 Schematic diagram of current source

圖2中的TLP250起驅(qū)動(dòng)作用，信號(hào)經(jīng)過雙路放大整流，把脈沖電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為與之成線性關(guān)系的電流信號(hào)。這樣保證了輸入與輸出的對(duì)應(yīng)關(guān)系，使得輸出能準(zhǔn)確的反映采集到的信號(hào)變化情況。

2.3 電源電路

DC/DC定電壓隔離穩(wěn)壓?jiǎn)屋敵觯ㄕ龎夯蜇?fù)壓）轉(zhuǎn)換器，具體電路圖如圖3所示，圖中的電源轉(zhuǎn)換電路輸出穩(wěn)壓精度高，隔離特性好，無需外接任何外轉(zhuǎn)元件即可工作。特別適用于對(duì)輸出電壓精度和紋波噪聲抑制率要求高的DC電壓變換器系統(tǒng)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本程序的編寫和調(diào)試的開發(fā)環(huán)境是Keil 51，采用C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言混合編程，基于C程序中調(diào)用匯編的設(shè)計(jì)思想[4]。軟件設(shè)計(jì)主要包括：I/O口的初始化配置，電壓管理系統(tǒng)的設(shè)置，系統(tǒng)時(shí)鐘、中斷，PCA定時(shí)器以及輸出8位占空比可變化的PWM子程序[5]。

初始化CAN控制器的步驟如下：

1）將SFRPAGE寄存器設(shè)置為CAN0_PAGE；

2）將CAN0CN寄存器中的INIT和CCE位設(shè)置為1；

圖3 DC/DC電路圖Fig.3 DC/DC circuit diagram

3）設(shè)置位定時(shí)寄存器和BRP擴(kuò)展寄存器中的時(shí)序參數(shù)；

4）初始化每個(gè)消息對(duì)象或?qū)⑵?MsgVal位設(shè)置為NOT VALID（無效）；

5）將 INIT 位清‘0’。

數(shù)據(jù)采集采用中斷采集方式，程序主要包括主程序，初始化子程序，串行通信子程序，平滑濾波程序以及中斷PWM輸出子程序。數(shù)據(jù)測(cè)量中斷子程序框圖以及主程序框圖如圖4和圖5所示。

圖4 數(shù)據(jù)測(cè)量中斷子程序框圖Fig.4 Interrupt subprogram diagram of data-measure

圖5 數(shù)據(jù)測(cè)量主程序框圖Fig.5 Main-program diagram of data-measure

軟件系統(tǒng)采用匯編語(yǔ)言方便了調(diào)試、修改，滿足系統(tǒng)在時(shí)間上的精確要求。本系統(tǒng)中三相電壓和電流信號(hào)每半個(gè)周期采樣1 000點(diǎn)，在功率芯片ATT7022中計(jì)算出每次對(duì)應(yīng)的功率值，設(shè)定通過C8051F041每隔10 ms的時(shí)間進(jìn)行中斷請(qǐng)求采樣。分四路采樣，分別是平均功率和三相電流有效值。對(duì)采集到的數(shù)據(jù)信號(hào)采取平滑濾波處理，避免輸出產(chǎn)生較大的波動(dòng)。

4 系統(tǒng)誤差分析

實(shí)際電力系統(tǒng)中，連接了許多外在電氣設(shè)備，這將給電網(wǎng)注入各種諧波電流。交流信號(hào)并非單一的50HZ正弦波，這些高次諧波危害電氣設(shè)備的正常運(yùn)行或縮短其壽命，是必須要加以去除的。總體上高次諧波幅度隨著次數(shù)的增高而變小，然而同頻率諧波電壓和諧波電流將構(gòu)成諧波功率，且是有功功率的一個(gè)部分，諧波電壓和諧波電流也是電壓有效值和電流有效值的一部分，因此，在交流采樣技術(shù)中應(yīng)該考慮諧波分量。

ATT7022支持全數(shù)字校表，經(jīng)過校正的儀表，有功功率可以達(dá)到0.5 s。功率校正主要分為比差校正和角差校正。本次設(shè)計(jì)我們先采取比差校正，ATT7022可以將比差進(jìn)行分段補(bǔ)償，根據(jù)電流大小設(shè)置補(bǔ)償分段區(qū)域。完成比差修正后做角差校正。比差校正在功率因數(shù)為1.0時(shí)進(jìn)行，而角差校正在功率因數(shù)為0.5時(shí)完成。 需要進(jìn)行軟件校表的寄存器有：功率增益補(bǔ)償寄存器、相位校正寄存器、電壓校正寄存器、電流校正寄存器和啟動(dòng)電流設(shè)置寄存器。通過這些設(shè)置之后所得到的信號(hào)，在精度上可以達(dá)到更高指標(biāo)。

5 結(jié)束語(yǔ)

文中介紹的系統(tǒng)，已經(jīng)在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了試運(yùn)行，各項(xiàng)目標(biāo)均達(dá)到項(xiàng)目書的要求。采用CAN總線更能使得信號(hào)傳輸?shù)木嚯x、可靠性得到更好的保證。通過對(duì)供電電源，信號(hào)采集通道，以及信號(hào)輸出通道進(jìn)行必要的抗干擾設(shè)計(jì)，光電隔離、短路保護(hù)以及過載保護(hù)等措施，使系統(tǒng)很好的適應(yīng)了工作環(huán)境的復(fù)雜性。在現(xiàn)場(chǎng)的試運(yùn)行中得到很好的效果。特別是在電磁干擾較強(qiáng)的工作環(huán)境，也具有很好的應(yīng)用前景。

[1]潘琢金，施國(guó)君.C8051Fxxx高速SOC單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2002.

[2]劉磊.諧波對(duì)電能計(jì)量影響的測(cè)試及分析 [J].電測(cè)與儀表，2006（7）:14-17.LIU Lei.The test and analysis for the influence of harmonic on the power metering[J].Electrical Measurement and Instrumenttation，2006（7）:14-17.

[3]郝迎吉.基于C8051F350的帶有數(shù)據(jù)變送器功能的高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2007（2）:58-62.HAO Ying-ji.High accuracy data acquisition system based on C8051F350 with transducer[J].Instrument Technique and Sensor，2007（2）:58-62.

[4]童長(zhǎng)飛.C8051F系列單片機(jī)開發(fā)與C語(yǔ)言編程 [M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005.

[5]任玉才，李富超.電動(dòng)機(jī)控制中的PWM和測(cè)頻在C8051中的實(shí)現(xiàn)[J].船電技術(shù)，2004（6）:20-23.REN Yu-cai，LI Fu-chao.PWMand measure frequency of motor based on C8051[J].Electric Ship Technology，2004（6）:20-23.

[6]吳凌燕.基于Proteus的單片機(jī)仿真設(shè)計(jì)[J].儀表技術(shù)，2011（7）:31-33，37.WU Ling-yan.The simulation design of microcontroller based on Proteus[J].Instrumentation Technology，2011（7）:31-33，37.