專利名稱：基于niosⅱ微處理器的三相電能表的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型一種基于Niosn微處理器的三相電能表，屬于儀器儀表技術(shù)領(lǐng)域。(二) 背景技術(shù)2003年城鄉(xiāng)電網(wǎng)改造結(jié)束后，電力系統(tǒng)對(duì)三相多功能表的需求量迅速增 長。由此，國際、國內(nèi)電表企業(yè)紛紛看好商機(jī)，抓緊新技術(shù)開發(fā)，不斷推出三 相多功能表的新產(chǎn)品，以滿足電能表市場(chǎng)的應(yīng)用需求。據(jù)不全完統(tǒng)計(jì)，國家電 網(wǎng)和南方電網(wǎng)擁有計(jì)費(fèi)電能表總量為19500萬臺(tái)。其中，兩網(wǎng)直接管理用于計(jì) 費(fèi)的11800萬臺(tái)，非直接管理用于計(jì)費(fèi)的7700萬臺(tái)。這幾年國內(nèi)電子電能表的需求穩(wěn)中有升，造成市場(chǎng)增長的原因有三 一是 電子電能表將逐步替代機(jī)械式電能表;二是前幾年安裝的電子電能表功能簡單， 目前已經(jīng)開始更新?lián)Q代；三是近年來國外電子電能表市場(chǎng)有所擴(kuò)大，使國內(nèi)企 業(yè)出口量增加。業(yè)內(nèi)人士分析，電子電表將成為未來電表巿場(chǎng)的主角。有資料表明，目前 全球至少已經(jīng)安裝了 10億塊電表(電子電表和機(jī)械電表總和)。未來10年，中 國電表市場(chǎng)可能占全球電表巿場(chǎng)的40%，而且這個(gè)比例還在不斷攀升。在中國的電能表市場(chǎng)上，電子式電能表約占30 40%，其中單相電子式電 能表的年需求量穩(wěn)定為2000萬只左右，三相電子式電能表已增長到600萬只以 上。電子式電能表具有精度高、功能強(qiáng)、壽命長等優(yōu)點(diǎn)，剩余60 70%的傳統(tǒng) 機(jī)械表正逐漸被電子式電能表所替代。目前在國內(nèi)，單、三相電能表的設(shè)計(jì)規(guī)范還不是很嚴(yán)格。各個(gè)電能表制造 廠家在對(duì)三相電能表的功能設(shè)計(jì)上都沒有明確的標(biāo)準(zhǔn)，基本上是按照客戶提出 的要求，選擇市場(chǎng)上已有的CPU、電能計(jì)量芯片及外圍硬件模塊進(jìn)行具體的設(shè) 計(jì)。這樣，每次不同功能要求的設(shè)計(jì)項(xiàng)目都需要對(duì)原有的軟硬件設(shè)計(jì)方案做出相應(yīng)的調(diào)整。其中，對(duì)硬件設(shè)計(jì)方案的改變可能會(huì)對(duì)產(chǎn)品安全可靠性造成很大 的影響，同時(shí)也會(huì)給設(shè)計(jì)制造廠家?guī)砀嗟耐顿Y及不便。如果能夠?qū)㈦娔鼙硭璧娜亢诵碾娐?例如微處理器，電能計(jì)量芯片、 各種控制器與通信接口等)放在同一芯片上，就可以大幅縮小整個(gè)系統(tǒng)所占的 面積，同時(shí)還會(huì)減少外圍驅(qū)動(dòng)接口單元及電路板間的信號(hào)傳遞，加快微處理器 數(shù)據(jù)處理的速度，內(nèi)嵌的線路還可以避免外部電路板上信號(hào)傳遞所造成的系統(tǒng) 干擾。(三)實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于提供一種基于Niosn微處理器的三相電能表。該 電能表將所需的全部核心電路(微處理器，電能計(jì)量芯片、各種控制器與通信 接口等)放在同一芯片上，從而可以大幅縮小整個(gè)系統(tǒng)所占的面積，電能表的 體積小，可靠性高。設(shè)計(jì)者可以根據(jù)用戶需求對(duì)其硬件結(jié)構(gòu)、功能特點(diǎn)、資源 占用等進(jìn)行靈活構(gòu)建，從而在相當(dāng)短的周期內(nèi)用很低的成本就可以開發(fā)出目標(biāo)產(chǎn)品，而不是被動(dòng)地跟隨和使用市場(chǎng)上已有的MCU進(jìn)行"僵硬的硬件連結(jié)和拼裝"。本實(shí)用新型一種基于NIOSn微處理器的三相電能表，該電能表采用Altera 公司的推出的NIOSII軟核微處理器做為CPU，采用三相電能計(jì)量片上可編程 系統(tǒng)(即SOPC， System On Programmable Chip)芯片作為計(jì)量單元，外配相應(yīng) 的外圍電路。該三相電能表具體包括傳感器、信號(hào)調(diào)理、信號(hào)采集、電能計(jì)量SOPC芯 片、鎖相倍頻、LCD顯示/鍵盤、通用異步收發(fā)器、nc存儲(chǔ)器和日歷時(shí)鐘等模塊。傳感器，輸出端與信號(hào)調(diào)理模塊連接，將電力線上的三相電壓和三相電流 轉(zhuǎn)為小信號(hào)送給信號(hào)調(diào)理模塊。三相電壓是通過電阻分壓網(wǎng)絡(luò)降為小信號(hào)的， 三相電流信號(hào)是通過電流互感器轉(zhuǎn)為小信號(hào)的。信號(hào)調(diào)理模塊，輸入端與傳感器輸出端連接，該信號(hào)調(diào)理模塊具體包含 抗混疊低通濾波器、參考電壓電平和A/D轉(zhuǎn)換模塊；傳感器送來的小電壓信號(hào) 經(jīng)過抗混疊低通濾波器濾波后偏置到A/D轉(zhuǎn)換模塊的參考電壓電平上，供A/D轉(zhuǎn)換模塊電流。信號(hào)采集模塊，輸入端與信號(hào)調(diào)理模塊輸出端相連，把信號(hào)調(diào)理模塊送來的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào)后送給電能計(jì)量SOPC芯片。電能計(jì)量SOPC芯片，與信號(hào)采集模塊連接，是整個(gè)電能表系統(tǒng)的核心，主要包含兩大部分電能計(jì)量和NIOSII軟核微處理器；電能計(jì)量部分完成電壓電流有效值計(jì)算，有功/無功/視在功率計(jì)算，有功/無功/視電能計(jì)量等，部分功能由硬件實(shí)現(xiàn)；NIOSII軟核微處理器完成整個(gè)電能表的調(diào)度工作，如實(shí)現(xiàn)費(fèi) 率時(shí)段切換，響應(yīng)串口命令，凍結(jié)歷史電量數(shù)據(jù)，LCD顯示刷新，故障記錄報(bào) 警等功能。該電能計(jì)量SOPC芯片作為一項(xiàng)單獨(dú)的實(shí)用新型另案申請(qǐng)。鎖相倍頻，與信號(hào)調(diào)理模塊和信號(hào)采集模塊相連，用于控制A/D轉(zhuǎn)換模塊 的采樣頻率。由于該三相電能表具有諧波分析功能，考慮到諧波分析時(shí)要作FFT變換(即快速傅立葉變換)，為了使頻譜不泄漏要確保同步采樣；當(dāng)電網(wǎng)電壓頻 率波動(dòng)時(shí)需要對(duì)電網(wǎng)每個(gè)周波的采樣點(diǎn)數(shù)一致，從而設(shè)計(jì)了鎖相倍頻電路以控制A/D采樣。通用異歩收發(fā)器，民卩UART (Universal Asynchronous Receiver Transmitter)， 采用RS-232接口方式實(shí)現(xiàn)電能表與上位機(jī)或抄表系統(tǒng)的通信。LCD顯示/鍵盤模塊，連接電能計(jì)量SOPC芯片，是整個(gè)電能表系統(tǒng)人機(jī) 交互的界面，LCD顯示模塊顯示當(dāng)前三相電壓有效值，三相電流有效值，有功 電能，無功電能，枧在電能，上月歷史電量數(shù)據(jù)等；通過鍵盤可以設(shè)置電表的 數(shù)據(jù)，加快LCD刷新頻率等，同時(shí)也可以方便系統(tǒng)調(diào)試。日歷時(shí)鐘模塊，與電能計(jì)量SOPC芯片連接，選用美國達(dá)拉斯公司的涓 流充電時(shí)間芯片DS1302,主要用來產(chǎn)生一個(gè)包括年、月、日、時(shí)、分、 秒的吋鐘。IIC存儲(chǔ)器，與電能計(jì)量SOPC芯片連接，選用的是美國ATMEL公司的 二線串行電擦寫可編程只讀存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器AT24C256，用來存儲(chǔ)程序信息。本實(shí)用新型一種基于NIOSII微處理器的三相電能表，其優(yōu)點(diǎn)及功效在于 該電能表采用Altera公司的推出的NIOSII軟核微處理器做為CPU,采用三相 電能計(jì)量SOPC (System On Programmable Chip)芯片作為計(jì)量單元，外配相應(yīng) 的外圍電路。使用者可以根據(jù)需要對(duì)三相電能計(jì)量芯片的硬件結(jié)構(gòu)、功能特點(diǎn)、資源P^用等進(jìn)行靈活構(gòu)建與編程，從而在相當(dāng)短的周期內(nèi)用很低的成本就可以 開發(fā)出目標(biāo)產(chǎn)品。由于三相電能計(jì)量芯片集成了三相電能表所需的全部核心電 路(微處理器，計(jì)量芯片、各種控制器與通信接口等)，可以大幅縮小三相電能 表的體積，同時(shí)還會(huì)減少外圍驅(qū)動(dòng)接口單元及電路板間的信號(hào)傳遞，加快微處 理器數(shù)據(jù)處理的速度，內(nèi)嵌的線路還可以避免外部電路板上信號(hào)傳遞所造成的 系統(tǒng)干擾；電能表體積小、集成度高，可靠性強(qiáng)，具有可重構(gòu)性。(四)
圖1所示為三相電能表設(shè)計(jì)總體框圖。圖2所示為電能計(jì)量SOPC芯片內(nèi)部框圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本實(shí)用新型的技術(shù)方案做進(jìn)一步闡述。本實(shí)用新型一種基于NIOSII微處理器的三相電能表，提出了一個(gè)完整的 三相電能計(jì)量的設(shè)計(jì)方案。該設(shè)計(jì)方案同樣可以應(yīng)用到單相電能表SOPC芯片 設(shè)計(jì)中，只是需要修改相應(yīng)的計(jì)量算法和調(diào)整系統(tǒng)軟件中相應(yīng)的模塊就可以了。1.本實(shí)用新型采用NIOSII軟核微處理器的原因Altera公司的推出的NIOS II軟核微處理器主要特性包括高效靈活的處理 器?！缐?，可以通過軟件配置成16位或32位的中央處理單元(RISC，即Relegate Important Stuffto the Compiler結(jié)構(gòu))，并可選擇不同的內(nèi)部存儲(chǔ)器大小，其最高 執(zhí)行速度可達(dá)50MHz;具有多種其它功能模塊的選擇(同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器、 UART、 PCI接口模塊、LCD接口模塊、MAC接口模塊等多種功能模塊)。目前，基于FPGA( Field Programmable Gate Array)設(shè)計(jì)片上系統(tǒng)即SOC (System On Chip),有兩種方案基于FPGA嵌入IP硬核以及基于FPGA嵌 入IP軟核。IP硬核(例如ARM核，Power PC核，以及單片機(jī)核)，IP軟核(Altera 公司的NIOSII軟核以及Xilinx公司的MicroBlaze軟核)。 * IP軟核相對(duì)于IP硬核植入FPGA的優(yōu)越性 (1)硬核一般來自第3方公司，F(xiàn)PGA廠商通常無法直接控制其知識(shí)產(chǎn)權(quán) 費(fèi)用，從而導(dǎo)致FPGA器件價(jià)格相對(duì)偏高。軟核是FPGA廠商推出的非第3方產(chǎn)品，通常用戶無需支付知識(shí)產(chǎn)權(quán)費(fèi)用。(2) 硬核是預(yù)先植入的，設(shè)計(jì)者無法根據(jù)實(shí)際需要改變處理器的結(jié)構(gòu)。 軟核則是用戶可隨意配置和構(gòu)建的嵌入式系統(tǒng)微處理器IP核。(3) 硬核無法裁減處理器硬件資源以降低FPGA成本。而軟核則可以隨意裁減。* NIOSII軟核與MicroBlaze軟核的對(duì)比(1) NIOSII可植入的FPGA系列幾乎沒有限制。(2) 在開發(fā)工具的完備性、對(duì)常用的嵌入式操作系統(tǒng)支持方面，NIOSII 都優(yōu)于MicroBlaze。(3) 就成本而言，NIOSII是Altera推出的非第3方產(chǎn)品，故用戶通常無 需支付知識(shí)產(chǎn)權(quán)費(fèi)用。NIOSII的使用費(fèi)用僅僅是其占用的FPGA邏輯資源。2.電能計(jì)量SOPC芯片設(shè)計(jì)方案如圖2所示，該芯片內(nèi)部包括AD控制器，F(xiàn)IFO (First In First Out,即先 進(jìn)先出數(shù)據(jù)緩存器)，電能計(jì)量、配置寄存器、NIOSII軟核微處理器、日歷時(shí) 鐘接口， DFC (Digital to Frequency Converter,即數(shù)字頻率變換器)，IIC接 口，以及LCD控制器等部分。其中，AD控制器的輸入為信號(hào)采集板上采集到的三相電壓和三相電流(6 個(gè)通道的串行數(shù)據(jù))，AD控制器是按照美國AD公司16位的E-AA/D芯片 AD73360的時(shí)序，將輸入的6個(gè)通道的串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成并行數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)在相應(yīng) 的FIFO中；6通道的FIFO保存AD控制器送來的6通道1個(gè)周波的AD數(shù) 據(jù)，以便后面的運(yùn)算使用，這樣做還有一個(gè)好處就是電能計(jì)量模塊可以實(shí)現(xiàn)流 水線結(jié)構(gòu)，加快運(yùn)算速度；電能計(jì)量模塊主要是利用FPGA實(shí)現(xiàn)電能的有功、 無功和視在功率的計(jì)量。配置寄存器中保存配置數(shù)據(jù)、歷史電量數(shù)據(jù)、凍結(jié)數(shù) 據(jù)等等；NIOSII軟核微處理器完成整個(gè)電能計(jì)量芯片的調(diào)度工作；日歷時(shí)鐘接 口與外部的日歷吋鐘芯片相連，為芯片提供吋鐘信息，供NIOS n軟核微處理 器使用，從而構(gòu)成復(fù)費(fèi)率電能表。日歷時(shí)鐘芯片選用美國達(dá)拉斯公司的涓流 充電吋間芯片DS1302; DFC變換就是將計(jì)量后的電能值轉(zhuǎn)換成脈沖的個(gè)數(shù)輸 出，以便校表；IIC接口控制外部的IIC只讀存儲(chǔ)器AT24C256, AT24C256是 美國ATMEL公司的二線串行電擦寫可編程只讀存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器；LCD控制器實(shí)現(xiàn)外部LCD的驅(qū)動(dòng)功能，LCD選用北京青云的LCM128645ZK。 3.三相電 能表總體設(shè)計(jì)3、三相電能表設(shè)計(jì)總體框圖如附圖1所示?；贜IOSII微處理器的三相電能表，包括傳感器、信號(hào)調(diào)理、信號(hào)采集、 電能計(jì)量SOPC芯片、鎖相倍頻、LCD顯示/鍵盤、通用異步收發(fā)器、IIC存儲(chǔ) 器和日歷時(shí)鐘等模塊。傳感器輸出端與信號(hào)調(diào)理模塊連接，將電力線上的三相電壓和三相電流轉(zhuǎn) 為小信號(hào)送給信號(hào)調(diào)理模塊。三相電壓是通過電阻分壓網(wǎng)絡(luò)降為小信號(hào)的，三 相電流信號(hào)是通過電流互感器轉(zhuǎn)為小信號(hào)的。信號(hào)調(diào)理模塊，輸入端與傳感器輸出端連接，該信號(hào)調(diào)理模塊具體包含 抗混疊低通濾波器、參考電壓電平和A/D轉(zhuǎn)換模塊；傳感器送來的小電壓信號(hào) 經(jīng)過抗混疊低通濾波器濾波后偏置到A/D轉(zhuǎn)換模塊的參考電壓電平上，供A/D 轉(zhuǎn)換模塊電流。信號(hào)采集模塊，輸入端與信號(hào)調(diào)理模塊輸出端相連，把信號(hào)調(diào)理模塊送來 的6路電壓信號(hào)轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào)后送給電能計(jì)量SOPC芯片。電能計(jì)量SOPC芯片，與信號(hào)采集模塊連接，是整個(gè)電能表系統(tǒng)的核心， 主要包含兩大部分電能計(jì)量和NIOSII軟核微處理器；電能計(jì)量部分完成電 壓電流有效值計(jì)算，有功/無功/視在功率計(jì)算，有功/無功/視電能計(jì)量等，部分 功能由硬件實(shí)現(xiàn)；NIOSn軟核微處理器完成整個(gè)電能表的調(diào)度工作，如實(shí)現(xiàn)費(fèi) 率時(shí)段切換，響應(yīng)串口命令，凍結(jié)歷史電量數(shù)據(jù)，LCD顯示刷新，故障記錄報(bào) 警等功能。該電能計(jì)量SOPC芯片作為一項(xiàng)單獨(dú)的實(shí)用新型另案申請(qǐng)。鎖相倍頻，與信號(hào)調(diào)理模塊和信號(hào)采集模塊相連，用于控制A/D轉(zhuǎn)換模塊 的采樣頻率。由于該三相電能表具有諧波分析功能，考慮到諧波分析時(shí)要作FFT 變換(即快速傅立葉變換)，為了使頻譜不泄漏要確保同步采樣；當(dāng)電網(wǎng)電壓頻 率波動(dòng)時(shí)需要對(duì)電網(wǎng)每個(gè)周波的采樣點(diǎn)數(shù)一致，從而設(shè)計(jì)了鎖相倍頻電路以控 制A/D采樣。通用異歩收發(fā)器，民卩UART (Universal Asynchronous Receiver Transmitter)， 采用RS-232接口方式實(shí)現(xiàn)電能表與上位機(jī)或抄表系統(tǒng)的通信。LCD顯示/鍵盤模塊，連接電能計(jì)量SOPC芯片，是整個(gè)電能表系統(tǒng)人機(jī)交互的界面，LCD顯示模塊顯示當(dāng)前三相電壓有效值，三相電流有效值，有功 電能，無功電能，視在電能，上月歷史電量數(shù)據(jù)等；通過鍵盤可以設(shè)置電表的 數(shù)據(jù)，加快LCD刷新頻率等，同時(shí)也可以方便系統(tǒng)調(diào)試。日歷時(shí)鐘模塊，與電能計(jì)量SOPC芯片連接，選用美國達(dá)拉斯公司的涓 流充電時(shí)間芯片DS1302，主要用來產(chǎn)生一個(gè)包括年、月、日、時(shí)、分、 秒的時(shí)鐘。IIC存儲(chǔ)器，與電能計(jì)量SOPC芯片連接，選用的是美國ATMEL公司的 二線串行電擦寫可編程只讀存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器AT24C256，用來存儲(chǔ)程序信息。
權(quán)利要求1、一種基于NIOS II微處理器的三相電能表，其特征在于該三相電能表具體包括傳感器、信號(hào)調(diào)理、信號(hào)采集、電能計(jì)量片上可編程系統(tǒng)芯片、鎖相倍頻、LCD顯示/鍵盤、通用異步收發(fā)器、IIC存儲(chǔ)器和日歷時(shí)鐘模塊；傳感器，輸出端與信號(hào)調(diào)理模塊連接，將電力線上的三相電壓和三相電流轉(zhuǎn)為小信號(hào)送給信號(hào)調(diào)理模塊；信號(hào)調(diào)理模塊，輸入端與傳感器輸出端連接，該信號(hào)調(diào)理模塊具體包含抗混疊低通濾波器、參考電壓電平和A/D轉(zhuǎn)換模塊；信號(hào)采集模塊，輸入端與信號(hào)調(diào)理模塊輸出端相連，把信號(hào)調(diào)理模塊送來的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào)后送給電能計(jì)量SOPC芯片；電能計(jì)量SOPC芯片，與信號(hào)采集模塊連接，是整個(gè)電能表系統(tǒng)的核心，主要包含兩大部分電能計(jì)量和NIOS II軟核微處理器；鎖相信頻，與信號(hào)調(diào)理模塊和信號(hào)采集模塊相連，用于控制A/D轉(zhuǎn)換模塊的采樣頻率。通用異步收發(fā)器，采用RS-232接口方式實(shí)現(xiàn)電能表與上位機(jī)或抄表系統(tǒng)的通信。LCD顯示/鍵盤模塊，連接電能計(jì)量SOPC芯片，是整個(gè)電能表系統(tǒng)人機(jī)交互的界面；日歷時(shí)鐘模塊，與電能計(jì)量SOPC芯片連接，選用美國達(dá)拉斯公司的涓流充電時(shí)間芯片DS1302；IIC存儲(chǔ)器，與電能計(jì)量SOPC芯片連接，選用的是美國ATMEL公司的二線串行電擦寫可編程只讀存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器AT24C256。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于NIOSII微處理器的三相電能表，其特征在 于所述的信號(hào)調(diào)理模塊將傳感器送來的小電壓信號(hào)經(jīng)過抗混疊低通濾波器濾 波后偏置到A/D轉(zhuǎn)換模塊的參考電壓電平上，供A/D轉(zhuǎn)換模塊電流。
專利摘要本實(shí)用新型一種基于NIOS II微處理器的三相電能表，具體包括傳感器，輸出端與信號(hào)調(diào)理模塊連接；信號(hào)調(diào)理模塊，輸入端與傳感器輸出端連接；信號(hào)采集模塊，輸入端與信號(hào)調(diào)理模塊輸出端相連；電能計(jì)量SOPC芯片，與信號(hào)采集模塊連接，是整個(gè)電能表系統(tǒng)的核心；鎖相倍頻，與信號(hào)調(diào)理模塊和信號(hào)采集模塊相連；通用異步收發(fā)器，采用RS-232接口方式實(shí)現(xiàn)電能表與上位機(jī)或抄表系統(tǒng)的通信；LCD顯示/鍵盤模塊，連接電能計(jì)量SOPC芯片；日歷時(shí)鐘模塊，與電能計(jì)量SOPC芯片連接；IIC存儲(chǔ)器，與電能計(jì)量SOPC芯片連接。該電能表體積小、集成度高，可靠性強(qiáng)，具有可重構(gòu)性。
文檔編號(hào)G01R21/133GK201173949SQ200820079589
公開日2008年12月31日 申請(qǐng)日期2008年3月26日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月26日
發(fā)明者永 關(guān), 袁慧梅 申請(qǐng)人:首都師范大學(xué)