基于MSP430F147的智能三相电力计量仪表的设计与实现

基于MSP430F147的智能三相电力计量仪表的设计与实现

刘翠玲1李珊2

1福建福清核电有限公司350318；2福建奔驰汽车工业有限公司

摘要：在本文中，将就基于MSP430F147的智能三相电力计量仪表的设计与实现进行一定的研究，在对三相电参数计算、测量方式进行探入探讨的基础上在仪表中增加现场编程以及组网能力。

关键词：MSP430F147；智能三相电力计量仪表；设计；实现

1引言

电力计量仪表是电力工作开展中的重要设备类型。在本设计中，在以MSP430F147为核心的基础上，对三相电信号进行了采集、处理、分析以及显示，并在对通信扩展功能进行实现的同时对仪表的组网管理进行了实现。

2仪表功能设计

2.1输入信号调理电路

对于信号调理电路而言，其主要通过电路以及互感器的应用将三相电流信号以及电压信号调理成转换器能够接收的电压信号。如何能够使信号具有最小的失真特点，则成为了具体功能实现的关键内容。在本系统中，其调理部分原理如下图所示：

图1

信号输入范围方面，其为0至500V，A/D所使用的为25V基准。这就说明，在系统模拟转换的过程中，其最高电压需要在控制在25V以下：

2.1.1电压部分

以UA为例，对电压调理部分进行分析。在结构中，采样电阻为R17，由于电路处理交流信号，我们在将R17对下端接地进行设置后，在交流半轴大于UN，并使A__IN3一端的值在0V以上。单片机方面，其A/D方面仅仅能够以单端的方式进行测量，且需要抬高信号。根据此种要求，我们则将A/D基准输入在分压之后将其同R17下端进行相接，并将被测量信号在抬高1/2个基准电平之后抬到零电平上，以此使其能够被正常测量。同时，在1mA线性以内，电压互感器具有着较好的线性度，以输入最大值500V进行计算，在AD工作范围内在进行滤波后对相关数据进行采样。

2.1.2电流部分

以I_IN1为例对电流的处理转换进行分析，在电流方面，其偏置电路同上述我们分析的电压部分十分相似，同样使用A/D输出信号对基准电平进行抬高，以此使A/D能够对相关信号进行正常测量。其中，采样电阻为R1，其前端输入最大电流为5A，流经采样电阻的电流值最大为2.5mA。在取R1为330Ω的情况下，其电压有效值最大为0.825V，在低滤波之后能够被采样。

2.2数据采集

2.2.1数据采样技术

对于单片机而言，其在2kHz速度的情况下对三相交流电的电流以及电压进行采样，并对瞬时的三相电流以及电压进行获得。在对上部分数据获得之后，则可以通过硬件乘法器的应用对瞬时功率进行计算，通过软件方式的应用对正弦波过零点进行判断，之后通过定时器的应用对其内部信号频率进行测量，在对后续处理工作的开展提供状态标识的同时能够对数据计算处理进行触发。在本系统设计中，使用的是多通道定时器触发的连续采样模式，即通过定时器的应用对ADC12进行触发，以此能够在较短的时间内对多个通道的瞬时电参数进行获取，以此使被测电参数值具有更高的准确性。之后，单片机则会将本次获取的数据同之前获得的采样数据进行比较，对信号是否过零点进行判断，并对数据处理函数采样进行触发。

2.2.2显示通信设计

在本设计中，共使用了三排数码管对三相电参数进行显示，具有着较好的可靠性以及稳定性。同时，相关仪表能够严格按照参数对数据进行显示，并能够由用户根据自身需求选择手动切换或者定时自动显示。

在此基础上，为了能够使仪表具有更强的应用以及综合处理能力，在本设计中，共具有两路继电器开关量以及模拟量输出，且具有基于ModBus协议的通信接口。在上述各个分路中，每路上输出都能够对其所代表的物理量信息进行选择，如电流、无功功率、交流电频率、三相电压以及有功功率等。继电器输出方面，其主要功能是根据所测得的信号信息选择报警，在本研究中，其也具有着较强的独立性，即根据实际需求对适合的参数进行选择，并能够对报警的上下限进行设定，其范围为代表信号的120%以内。同时，也可以对继电器延迟输出时间进行设定，以此使系统能够具有更强的抗干扰能力，在同ModBus实现配合的同时对更为复杂的现场控制进行实现。模拟量输入方面，则根据相应的指示灯进行显示，能够以更为直观、便捷的方式对所获得的信号以及不同通路的连接情况进行显示，以此帮助我们更好的实现系统的故障检测以及现场控制工作。此外，在通信方式上，我们选择了以ModBus为基础的通信方式，以此使仪表能够在远程实现控制以及访问工作。对于该协议而言，其在运行中将仪表视为一个虚拟存储器空间，并能够将相关数据放在指定的存储器位置当中。之后，上位机软件则能够根据0x03命令对相关数据进行读取，并在读取完成后选择对其处理或者显示。而在控制信息方面，则将其放置在存储器空间当中，在实际运行中，这部分信息将直接由仪表进行控制，以此对程序的运行情况实现控制，且上位机也能够在0x06命令的发出后修改控制寄存器，以此对远程控制仪表功能进行实现。可以说，通过ModBus在该设计的应用，则能够使系统的仪表系统同之前相比具有了更为智能化的特征，在对仪表设备组网能力进行提升的同时有效实现远程网络控制功能。

3软件程序设计

在该系统的软件部分，则将仪表工作分为两大部分。对于具有较高实时性要求的任务，会将其放置在具有较高优先级的事件处理进程中，而如果其对于实时性没有较高的要求、或者该任务的处理时间较长，则需要将其放置在背景进程当中。同时，该程序通过定时器的应用作为系统运行中的协调信号，并通过背景进程以及标志的应用对控制信号以及状态信息进行传递。

4结论

在工业电力工作中，电力计量仪表可以说是非常重要的一项设备类型，对于电力工作的开展具有十分积极意义。在上文中，我们对基于MSP430F147的智能三相电力计量仪表的设计与实现进行了一定的研究。在该设计中，我们在MSP430F147的基础上对三相电参数的处理、采样以及显示等功能进行了实现，且对基于ModBus的远程通信进行了实现，能