專利名稱：一種單相電參數(shù)采集裝置及對單相電信號分析處理的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種數(shù)據(jù)采集裝置及數(shù)據(jù)處理方法，具體地說是一種單相電參數(shù)采集裝置及對單相電信號分析處理的方法。
背景技術(shù)：
隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，電能表的集成度越來越高，在單相多功能電表市場上，主要是電能計(jì)量芯片加微控制器的設(shè)計(jì)方案；但是，這種方案精度低，功能少，功能主要取決于電能芯片，微控制器不能進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理，能計(jì)量的電參數(shù)也比較少 ，不具有諧波分析等功能，應(yīng)用不靈活。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述不足，本發(fā)明提供了一種單相電參數(shù)采集裝置及對單相電信號分析處理的方法，其根據(jù)采集的信號能夠直接計(jì)算出各種電參數(shù)，不但計(jì)算的電參數(shù)種類豐富，而且具備諧波分析功能。為了解決上述存在的技術(shù)問題，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案一種單相電參數(shù)采集裝置，其特征是，包括信號采集單元、信號調(diào)理電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、主控單元、存儲(chǔ)單元、通信單元和基準(zhǔn)源電路單元，所述信號采集單元、信號調(diào)理電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊依次連接，所述主控單元分別與模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、存儲(chǔ)單元、通信單元和基準(zhǔn)源電路單元連接；其中，信號采集單元用以采集單相電的信號并發(fā)送給信號調(diào)理電路，所述信號調(diào)理電路對采集的單相電信號進(jìn)行初步調(diào)理處理，并將初步調(diào)理處理后的單相電信號發(fā)送給數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，所述數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊將采集到的單相電的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并將單相電的數(shù)字信號發(fā)送給主控單元，所述主控單元對接收到的單相電信號進(jìn)行分析處理，計(jì)算各種電參數(shù)，并將分析處理后的單相電參數(shù)通過通信單元發(fā)送給上位機(jī)，同時(shí)將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到存儲(chǔ)單元；所述基準(zhǔn)源電路單元用以為主控單元提供一個(gè)信號采集的基準(zhǔn)電壓信號。上述單相電參數(shù)采集裝置中，所述信號采集單元包括電壓互感器和電流互感器。上述單相電參數(shù)采集裝置中，所述主控單元包括微控制器以及分別與之連接SPI接口、RS485 接口和 IIC 接口。上述單相電參數(shù)采集裝置中，所述存儲(chǔ)單元包括EEPROM存儲(chǔ)器。一種對單相電信號進(jìn)行分析處理的方法，其特征是，包括以下過程系統(tǒng)初始化；對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算單相電參數(shù)； 上傳單相電參數(shù)數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。上述對單相電進(jìn)行分析處理的方法中，還包括采樣中斷過程，所述采樣中斷過程包括以下過程判斷是否到達(dá)一個(gè)采樣周期，如果是，則計(jì)算單相電參數(shù)，然后結(jié)束采樣中斷過程；如果不是，則直接結(jié)束采樣中斷過程。
上述對單相電進(jìn)行分析處理的方法中，還包括通信中斷過程，所述通信中斷過程包括以下過程是否中斷指令，如果沒有，則結(jié)束通信中斷過程；如果有中斷指令，則根據(jù)指令進(jìn)行相關(guān)操作，如果是設(shè)置參數(shù)指令，則對模塊參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，如果是讀取數(shù)據(jù)指令，則返回采集的單相電參數(shù)。上述對單相電進(jìn)行分析處理的方法中，還包括定時(shí)中斷過程，所述定時(shí)中斷過程包括以下過程是否進(jìn)行定時(shí)中斷，如果是，則對累加數(shù)據(jù)進(jìn)行累加，并將最新的累加數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到存儲(chǔ)單元，然后結(jié)束定時(shí)中斷過程；如果否，則直接結(jié)束定時(shí)中斷過程。上述對單相電進(jìn)行分析處理的方法中，所述數(shù)據(jù)處理過程包括以下過程采集多個(gè)周期的單相電的電壓、電流瞬時(shí)值；通過數(shù)字積分公式計(jì)算單相電的電壓平均值、電流平均值、電壓有效值、周波、功率因素、有功功率、無功功率、視在功率等電參數(shù)；通過功率值和累積的時(shí)間計(jì)算出正向有功總電能，反向有功總電能，正向無功總電能，反向無功總電能； 對電壓、電流瞬時(shí)值做傅里葉變換，將時(shí)域信號轉(zhuǎn)換到頻域分析單相電壓各次諧波及總畸變率，單相電流各次諧波及總畸變率。本發(fā)明的有益效果是，本發(fā)明采用了 A/D轉(zhuǎn)換芯片加微處理器，微處理器根據(jù)采集的信號能夠直接計(jì)算出各種電參數(shù)，不但計(jì)算的電參數(shù)種類豐富，而且具備諧波分析功能。本發(fā)明能夠進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理，不僅完成更多的電參數(shù)測量，且測量精度高，而且裝置體積小、設(shè)置簡便。


圖I是本發(fā)明的原理框圖；圖2是本發(fā)明所述微控制器的電原理圖；圖3是本實(shí)用所述基準(zhǔn)源電路單元的電原理圖；圖4是本發(fā)明所述信號采集單元、信號調(diào)理電路和數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊的電原理圖；圖5是本發(fā)明所述存儲(chǔ)單元的電原理圖；圖6是本發(fā)明所述通信單的元電原理圖；圖7是本發(fā)明的方法流程圖；圖8是本發(fā)明所述采樣中斷過程的流程圖；圖9是本發(fā)明所述通信中斷過程的流程圖；圖10是本發(fā)明所述定時(shí)中斷過程的流程圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖與具體實(shí)施方式
對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述如圖I所示，本發(fā)明的一種單相電參數(shù)采集裝置，其特征是，包括信號采集單元、信號調(diào)理電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、主控單元、存儲(chǔ)單元、通信單元和基準(zhǔn)源電路單元，所述主控單元包括微控制器以及分別與之連接SPI接口、RS485接口和IIC接口 ；所述信號采集單元、信號調(diào)理電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊依次連接；所述微控制器分別通過SPI接口與模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊連接、通過IIC接口與存儲(chǔ)單元連接、通過RS485接口與通信單元連接；所述基準(zhǔn)源電路單元與微控制器連接；所述存儲(chǔ)單元包括EEPROM存儲(chǔ)器；其中，信號采集單元用以采集單相電的信號并發(fā)送給信號調(diào)理電路，所述信號調(diào)理電路對采集的單相電信號進(jìn)行初步調(diào)理處理，并將初步調(diào)理處理后的單相電信號發(fā)送給數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，所述數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊將采集到的單相電的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并將單相電的數(shù)字信號發(fā)送給主控單元，所述主控單元對接收到的單相電信號進(jìn)行分析處理，計(jì)算各種電參數(shù)，并將分析處理后的單相電參數(shù)通過通信單元發(fā)送給上位機(jī)，同時(shí)將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到存儲(chǔ)單元；所述基準(zhǔn)源電路單元用以為主控單元提供一個(gè)信號采集的基準(zhǔn)電壓信號。圖2是本發(fā)明所述微控制器的電原理圖。如圖2所示，所述微控制器U3采用的32位ARM芯片STM32F103，運(yùn)算速度快，性價(jià)比高，并提供豐富的常用外設(shè)接口。內(nèi)部具備2個(gè)12位的逐次比較型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，有多達(dá)16個(gè)通道，Iii S轉(zhuǎn)換時(shí)間，可使用DMA操作。圖3是本實(shí)用所述基準(zhǔn)源電路單元的電原理圖。如圖3所示，所述基準(zhǔn)源電路單元
主要由一片TL431基準(zhǔn)芯片組成，TL431是一個(gè)具有良好熱穩(wěn)定性能的三端可調(diào)分流基準(zhǔn)源，它的輸出電壓用兩個(gè)電阻就可以任意設(shè)置到2. 5V基準(zhǔn)電壓，應(yīng)用在各種電源電路中。圖4是本發(fā)明所述信號采集單元、信號調(diào)理電路和數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊的電原理圖。如圖4所示，所述信號采集單元包括電壓互感器和電流互感器；電壓互感器T8通過R29將采集的電壓信號調(diào)理成為小電壓信號，由R30采樣電阻采樣，經(jīng)R32、R33組成的鉗位電路鉗位發(fā)送給主控制器。電流互感器17將采集的電流信號調(diào)理成為小電流信號，由R31采樣電阻采樣，經(jīng)R34、R35組成的鉗位電路鉗位發(fā)送給主控制器。圖5是本發(fā)明所述存儲(chǔ)單元的電原理圖。如圖5所示，所述數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元主要由一片EEPROM組成，將系統(tǒng)運(yùn)行的保護(hù)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)保存，完成一些累積參數(shù)的累積功能。圖6是本發(fā)明所述通信單的元電原理圖。如圖6所示，所述通信單元主要由一片SP485芯片組成，R22、R23、D4、D5共同組成485接口防浪涌保護(hù)電路，提高電路的可靠性。圖7是本發(fā)明的方法流程圖。如圖7所示，一種對三相電信號進(jìn)行分析處理的方法，包括以下步驟工作開始。系統(tǒng)初始化微控制器初始化外設(shè)電路，讀取EEPROM中的保護(hù)數(shù)據(jù)，恢復(fù)掉電數(shù)據(jù)，初始化累積數(shù)據(jù)等。數(shù)據(jù)處理對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并計(jì)算三相電參數(shù)。上傳數(shù)據(jù)定時(shí)或者根據(jù)上位機(jī)的指令,上傳三相電參數(shù)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)定時(shí)將需要累積的數(shù)據(jù)更新到外部掉電數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元中。采樣中斷進(jìn)行采樣中斷事件處理。通信中斷進(jìn)行通斷中斷事件處理。定時(shí)中斷進(jìn)行采樣中斷事件處理。返回輸出處理步驟，進(jìn)行循環(huán)操作。圖8是本發(fā)明所述采樣中斷過程的流程圖。如圖8所示，所述采樣中斷過程包括以下過程判斷是否到達(dá)一個(gè)采樣周期，如果是，則計(jì)算三相電參數(shù)，然后結(jié)束采樣中斷過程；如果不是，則直接結(jié)束采樣中斷過程。圖9是本發(fā)明所述通信中斷過程的流程圖。如圖9所示，所述通信中斷過程包括以下過程是否中斷指令，如果沒有，則結(jié)束通信中斷過程；如果有中斷指令，則根據(jù)指令進(jìn)行相關(guān)操作，如果是設(shè)置參數(shù)指令，則對模塊參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，如果是讀取數(shù)據(jù)指令，則返回采集的三相電參數(shù)。圖10是本發(fā)明所述定時(shí)中斷過程的流程圖。如圖10所示，所述定時(shí)中斷過程包括以下過程是否進(jìn)行定時(shí)中斷，如果是，則對累加數(shù)據(jù)進(jìn)行累加，并將最新的累加數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到存儲(chǔ)單元，然后結(jié)束定時(shí)中斷過程；如果否，則直接結(jié)束定時(shí)中斷過程。本發(fā)明所述數(shù)據(jù)處理過程包括以下過程采集多個(gè)周期的單相電的電壓、電流瞬時(shí)值；通過數(shù)字積分公式計(jì)算單相電的電壓平均值、電流平均值、電壓有效值、周波、功率因素、有功功率、無功功率、視在功率等電參數(shù)；通過功率值和累積的時(shí)間計(jì)算出正向有 功總電能，反向有功總電能，正向無功總電能，反向無功總電能；對電壓、電流瞬時(shí)值做傅里葉變換，將時(shí)域信號轉(zhuǎn)換到頻域分析單相電壓各次諧波及總畸變率，單相電流各次諧波及總畸變率。本發(fā)明測量計(jì)算的參數(shù)設(shè)計(jì)了電壓瞬時(shí)值、電流瞬時(shí)值、電壓平均值、電流平均值、電壓有效值、周波、功率因素、有功功率、無功功率、視在功率、正向有功電能、反向有功電能、正向無功電能、反向無功電能，電壓各次諧波及畸變率，電流各次諧波及畸變率等。三相相電壓、線電壓，三相相電壓平均值，三相線電壓平均值，三相不平衡電壓，三相電壓不平衡度，三相電流值，三相不平衡電流，三項(xiàng)電流不平衡度，周波，功率因素，三相有功功率，三相無功功率，三相視在功率，正向有功總電能，反向有功總電能，正向無功總電能，反向無功總電能，三相電壓各次諧波及總畸變率，三相電流各次諧波及總畸變率等。因此，本發(fā)明測量計(jì)算參數(shù)豐富，可以達(dá)到高精度測量計(jì)算，不僅設(shè)置簡便，成本低廉，而且滿足了多種應(yīng)用場合。
權(quán)利要求
1.ー種單相電參數(shù)采集裝置，其特征是，包括信號采集單元、信號調(diào)理電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、主控單元、存儲(chǔ)單元、通信単元和基準(zhǔn)源電路單元，所述信號采集單元、信號調(diào)理電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊依次連接，所述主控単元分別與模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、存儲(chǔ)単元、通信単元和基準(zhǔn)源電路單元連接；其中，信號采集單元用以采集單相電的信號并發(fā)送給信號調(diào)理電路，所述信號調(diào)理電路對采集的單相電信號進(jìn)行初步調(diào)理處理，并將初步調(diào)理處理后的單相電信號發(fā)送給數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，所述數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊將采集到的單相電的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并將單相電的數(shù)字信號發(fā)送給主控單元，所述主控単元對接收到的單相電信號進(jìn)行分析處理，計(jì)算各種電參數(shù)，并將分析處理后的単相電參數(shù)通過通信単元發(fā)送給上位機(jī)，同時(shí)將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到存儲(chǔ)單元；所述基準(zhǔn)源電路單元用以為主控單元提供ー個(gè)信號采集的基準(zhǔn)電壓信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種單相電參數(shù)采集裝置，其特征是，所述信號采集單元包括電壓互感器和電流互感器。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種單相電參數(shù)采集裝置，其特征是，所述主控単元包括微控制器以及分別與之連接SPI接ロ、RS485接口和IIC接ロ。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種單相電參數(shù)采集裝置，其特征是，所述存儲(chǔ)単元包括EEPROM存儲(chǔ)器。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種對單相電信號進(jìn)行分析處理的方法，其特征是，包括以下過程 系統(tǒng)初始化； 對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算単相電參數(shù)； 上傳單相電參數(shù)數(shù)據(jù)； 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的ー種對單相電信號進(jìn)行分析處理的方法，其特征是，還包括采樣中斷過程，所述采樣中斷過程包括以下過程判斷是否到達(dá)ー個(gè)采樣周期，如果是，則計(jì)算單相電參數(shù)，然后結(jié)束采樣中斷過程；如果不是，則直接結(jié)束采樣中斷過程。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的ー種對單相電信號進(jìn)行分析處理的方法，其特征是，還包括通信中斷過程，所述通信中斷過程包括以下過程是否中斷指令，如果沒有，則結(jié)束通信中斷過程；如果有中斷指令，則根據(jù)指令進(jìn)行相關(guān)操作，如果是設(shè)置參數(shù)指令，則對模塊參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，如果是讀取數(shù)據(jù)指令，則返回采集的単相電參數(shù)。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的ー種對單相電信號進(jìn)行分析處理的方法，其特征是，還包括定時(shí)中斷過程，所述定時(shí)中斷過程包括以下過程是否進(jìn)行定時(shí)中斷，如果是，則對累加數(shù)據(jù)進(jìn)行累加，并將最新的累加數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到存儲(chǔ)單元，然后結(jié)束定時(shí)中斷過程；如果否，則直接結(jié)束定時(shí)中斷過程。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的ー種對單相電信號進(jìn)行分析處理的方法，其特征是，所述數(shù)據(jù)處理過程包括以下過程 采集多個(gè)周期的單相電的電壓、電流瞬時(shí)值； 通過數(shù)字積分公式計(jì)算單相電的電壓平均值、電流平均值、電壓有效值、周波、功率因素、有功功率、無功功率、視在功率等電參數(shù)；通過功率值和累積的時(shí)間計(jì)算出正向有功總電能，反向有功總電能，正向無功總電能，反向無功總電能；對電壓、電流 瞬時(shí)值做傅里葉變換，將時(shí)域信號轉(zhuǎn)換到頻域分析単相電壓各次諧波及總畸變率，単相電流各次諧波及總畸變率。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種單相電參數(shù)采集模塊，旨在提供一種小體積，高精度，功能全，結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉的單相電參數(shù)采集模塊。它包括信號采集單元、信號調(diào)理電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、主控單元、存儲(chǔ)單元、通信單元和基準(zhǔn)源電路單元。本發(fā)明還提供了一種對單相電信號進(jìn)行分析處理的方法，包括以下過程系統(tǒng)初始化；對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算單相電參數(shù)；上傳單相電參數(shù)數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。本發(fā)明采用了A/D轉(zhuǎn)換芯片加微處理器，微處理器根據(jù)采集的信號能夠直接計(jì)算出各種電參數(shù)，不但計(jì)算的電參數(shù)種類豐富，而且具備諧波分析功能。本發(fā)明能夠進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理，不僅完成更多的電參數(shù)測量,且測量精度高，而且裝置體積小、設(shè)置簡便。
文檔編號G01R22/06GK102735921SQ201210222598
公開日2012年10月17日 申請日期2012年6月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月30日
發(fā)明者李鋼 申請人:李鋼