ADE7758在同步发电机测控系统中的应用

ADE7758在同步发电机测控系统中的应用

介绍了ADE7758的主要特点和工作原理，提出了基于ADUC814和ADE7758的同步发电机数据采集系统硬件和软件设计方案。通过测试，该数据采集系统适用于现代同步发电机测控要求，具有精度高、实时性好，价格低的特点。
关键词：ADE7758；ADUC814；同步发电机；串行通信

Application of ADE775 8 Chip in Generator Data Acquisition System
JIANG Xiao—zhou 。WU Xiao—pei ，CHENG Ruo—fa
（ 1．School of Computer Science＆ Technology，Anhui College，Hefei 230039，China；
2． Institute of Plasma Physics Chinese Academy of Science，Hefei 230031，China；
3．School of Computer Science＆Technology，Anhui Xinhua University，Hefei 230088，China）
Abstract：The characteristics and work principle of ADE7758 are introduced，and the hardware and software design of the data acquisition system based on ADUC814 and ADE7758 is also given．Through debugging，this terminal unit is high characteristics，accurate with real-time and low•price．
Key words：ADE7758；ADUC814；synchronous generator；serial communication
      目前同步发电机的数据采集大多是以通用AD转换芯片配合单片机进行交流采样，这种数据采集系统获得的发电机运行的电参量基本全靠软件计算实现，不仅计算量大、精度低、实时性也受到很大限制。本研究针对以上缺点提出了以具有DSP内核的专用电能计量芯片ADE7758和具有C52核的8位微处理器ADUC814组成的高精度、高可靠性、快速的数据采集系统。该系统可以实现对同步发电机的电压和电流进行快速采样并实时地将最终的处理结果送去显示和控制，完成对发电机进行快速测控。
1 系统的整体结构及功能
      该系统可以分为发电机现场模拟量采集模块、开关量采集模块、信号调理模块、交直流量计量与转换模块、实时数据的处理与控制模块、实时数据显示模块6大部分（系统结构如图1所示）。
      该系统可以快速采集同步发电机的各种运行参量包括模拟量和开关量，对发电机运行状态进行实时监控。发电机的机端电压和定子电流是由ADE7758完成测量和转换的，即发电机机端电压U、定子电流I为三相交流电，分别经电压互感器（ ）和电流互感器（CT）转换成三相100 V、5 A的二次信号，再经过信号调理电路处理后送入计量芯片ADE7758进行转换。发电机转子电压、转子电流经过电压变送器、电流变送器后送入ADUC814进行转换，同时ADUC814还对采集的数据进行处理、完成控制等任务。当ADUC814接收到ADE7758转换结束中断后，通过高速SPI接口对ADE7758采样一次，读取相应缓冲区中数据如：机端电压、定子电流、有功、无功、频率、等机组运行量，然后根据互感器、变送器的变换比例计算出发电机运行参量的实际值并将结果保存到相应的数据区中，与此同时ADUC814处理器通过MAX232进行RS232标准电平转换，将最新采集的发电机运行参量通过串口与PC机进行通信，利用上位机软件将实时数据显示出来。

  
      在本系统中ADUC814与芯片计量芯片ADE7758采用高速SPI总线；ADUC814与上位计算机之间通过普通双绞线连接以串行方式进行通信。
2 系统的硬件电路设计
      本系统选择ADUC814单片机作为系统的主控制器，以电能计量专用芯片ADE7758作为A／D芯片。
2．1 ADE7758简介
      ADE7758是一款高集成度的三相电能专用计量芯片，集成了6路2阶Sigma—Delta ADC采样通道，带有一个SPI兼容的串行通信接口，两路脉冲输出。采用数字校准技术，可通过标准的SPI的三线串行通信接口完成对芯片的设置、电量数据的传输和校准。
      ADE7758内部集成有温度传感器，单5V供电，低功耗，适用于三相三线和三相四线电力系统中。ADE7758的电流通道和电压通道各有一个可编程增益放大器，放大增益为1，2或4，除了PGA功能外，还用于A／D转换时满刻度量程的选择。增益的大小由用户编程来决定。
      ADE7758具有一个波形取样寄存器，其值来自于ADC的输出。波形采样部分集成有一个用于短时持续低电平或高电平的检测电路，门槛电平和持续时间是由用户编程来决定的。三相中任一相过零检测是同步进行的，过零检测的结果可用于测量三路电压输人中任一路的周期。ADE7758的所有功能都是通过读、写片上寄存器来实现的，即ADE7758的各种设定和操作主要是对寄存器的读和写。每个寄存器在读、写时，首先要执行一个写通信寄存器的操作，然后开始传输数据。监测终端的测控命令和测量信息可以多种方式与MCU通信。数据接口部分采用中断IRQ、片选cs和3线的SPI接口方式实现数据交换；整个过程可描述为ADE7758数据转换完成后中断申请IRQ（低电平）输出给MCU，MCU通过低电平片选ADE7758的cs，然后通过SPI总线的MOSI、SCLK、MISO和ADE7758的DIN、SCK、DOUT相连，完成数据操作。ADE7758内部集成多种数据寄存器，这些寄存器分成读和写两种，通过访问这些寄存器可以完成对ADE7758的配置和数据采集。
2、2 ADUC814简介
      本系统中，核心部分采用AD公司的ADuC814。该芯片集成有6通道A／D（12位精度）、2个D／A（12位精度，15 s建立时间）和8052 MCU内核（8 KB Flash程序存储器，640 B数据存储器，256 B静态存储器，最高时钟频率16 MHz）3大模块，28脚TSSOP封装，面积仅43 mm 。尤其重要的是它在系统编程（ISP）的特性，这很大程度上避免了以往实验中因频繁插拔而对CPU造成的物理损坏。同时，该系统的软件采用高级C语言编写，以串口通信方式实现了基于Pc的用户界面，以提供方便的交互操作。在单片机端，可采用C51编程控制；在PC端，提供基于超级终端（HyperTermina1）程序的方式和基于VC环境的ANSI C或C++编程设计方式。克服了过去控制界面和操作方法不明晰，使用者常有误操作的问题。
2．3 系统硬件连接
      基于ADUC814和ADE7758的同步发电机数据采集系统的硬件连接如图2所示。

      ADE7758的电压和电流采集通道，其交流信号幅值最大为500 mV。三相电压、电流的模拟量经过cT、变换之后，输人到ADE7758芯片中，通过6路A／D采样通道完成同步采样。ADE7758的微处理器对数字化的被测信号进行各种判断、处理和运算，并将结果储存在18个只读寄存器中。ADUC814通过SPI接口对ADE7758进行读写操作，ADE7758内部有一个中断屏蔽寄存器MASK，可以选择中断源。当相关的中断产生时，IRQ脚被置低，等待ADUC814跳人中断服务子程序读取同步发电机各种运行参量。
      同步发电机数据采集系统用于监测同步发电机机端电压、定子电流和转子电流，根据所实现的基本功能和要求，硬件系统设计包括：模拟量采集模块、信号调理模块、交直流电量计量与转换模块、实时数据的处理与控制模块、显示模块。模拟量采集模块由电流互感器CT和电压互感器 组成。通过CT和采集同步发电机端的电压和电流信号，将高电压、大电流转换成低电压、小电流的信号，并起高低压隔离作用。信号调理电路完成信号进入电能计量芯片前的调整和滤波，滤除信号中的高频部分。根据电能计量芯片ADE7758的要求，电流信号需转换成相应的电压信号输入。实时数据的处理与控制模块从速度和容量的要求考虑选择ADUC814，该芯片内置有8 KB Flash，640 BRAM，256 B SRAM，有9个中断源，2个中断优先级，3个16位定时数器，32个可编程IO口；可实现串行在系统编程（ISP），在没有并行编程器的情况下，片内ROM中固化的默认加载程序允许ISP通过UART将程序代码装入Flash存储器，而Flash代码中则不需要加载程序。
3 系统的软件设计
      系统的软件设计包括单片机程序和Pc机应用程序设计两部分。
3．1 单片机程序设计
       以ADUC814单片机为核心的程序框图如图3所示。

      对于中断的判断和处理是该程序的核心部分。根据具体的功能需要，中断包括外部中断INTO、定时中断和串行中断3种。
3．1，1 外部中断INTO
       ADE7758的IRQ脚连接ADUC814单片机P3．2的INT0脚，IRQ脚置低即表示ADE7758有中断产生，单片机通过SPI口将线电压、频率值、电压和电流值取出。ADE7758为用户提供中断屏蔽寄存器MASK，通过设置MASK可以根据自己的需要放开相应的中断，实现多种功能，如三相电压、电流越限报警、相序错报警和三相失压报警等。
3、1．2 定时中断
      ADUC814单片机内部有3个定时器，分别为定时器0，1，2。定时器2又有3种操作模式，即捕获、自动重新装载、计数和波特率发生器。此处采用定时器2的捕获模式做一个1 ms的定时器中断，在中断产生时，单片机通过SPI El读取有功功率、无功功率和视在功率。
3．1．3 串行中断
      ADUC814内部有一个8位的串行口控制字SCON，通过设置该寄存器的相应位可方便改变单片机的串口通信模式，本系统采用9位UART，波特率为9 600 b／s。ADE7758的标定及三相电流、电压、有功功率、无功功率、视在功率、有功电能量、无功电能量、视在电能量、功率因数等测量数据，按照一定的通信规约，将所测量的数据打包成串口通信报文的工作均在该中断里完成。
3、1．4 上位机的通信程序
      上位机程序设计是以Visual Basic 6．0为平台，利用MSComm控件，以事件驱动方式实现计算机与ADUC814之间串行通信，完成数据的交换。上位机程序包括用户界面设计、通信和数据处理程序、显示程序等。
3．2 上位机用户界面设计
      在本系统中，设计了一个窗体（Form1）。主要显示实时数据和有关状态量。在Form 1中设计了一个MSComm控件、一个定时器控件（Timer）、两个按钮控件（Commandl，Command2）Commandl是“刷新数据”按钮，即按下时开始和ADUC814通信接收实时采样数据，对接收数据进行校验，如正确就在相应的位置显示，此时按钮变成“停止刷新”；如再按该按钮则停止界面实时数据刷新，按钮又为“刷新数据”。Command2是“退出”按钮，按下它则退出该应用程序。
设置Timer的Interval属性都等于100，Timer定时提取从串口接收来的数据并刷新主界面实时显示数据。串口在一定时间内没有收到数据提示通信错误信息。Timer在装载主界面时Enable=True。MSComm的InputMode属性为0即文本方式。在正常接收实时数据时RThreshold属性设为100。
      PC机通过定时器TIMER每1 ms向下位机ADUC814下发传送命令，该命令只包含2 B开始符      具体帧格式为：

4 系统的运行与测试
      以深圳凯旋K66计算机继电保护测试系统作为标准源，对本系统电压、电流测量精度进行试验验证。在实验室实测数据如表1，表2所示。
      从表中可以看出，输人端电压为0～100 V时，测量误差小于4-0．3％ ；输入电流范围为0～5 A时，测量误差不超过4-0、5％ 。根据交流采样远动终端技术条件的规定，此系统的准确度等级为0．5级，属于精密级测量仪表。
5 结束语
      本系统采用了三相电能专用计量芯片ADE7758代替通用AD芯片，克服了由通用AD组成的同步发电机数据采集系统，硬件复杂、计算量大、精度低、实时性差等缺点，节省了主CPU的时问，提高了对发电机电参数的测量精度；采用高集成度芯片ADUC814作为主CPU，其内部资源丰富，包括高精度AD、DA、SPI、I c等，在本系统中充分利用了芯片的内置功能模块，减少了外围电路，降低了成本，提高了产品的可靠性。该系统具有很好的应用前景，可用于同步发电机电能测量、实时监控、励磁控制、故障记录、故障分析等方面。
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