ADE7758在同步發(fā)電機測控系統(tǒng)中的應(yīng)用
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ADE7758在同步發(fā)電機測控系統(tǒng)中的應(yīng)用
介紹了ADE7758的主要特點和工作原理，提出了基于ADUC814和ADE7758的同步發(fā)電機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計方案。通過測試，該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)適用于現(xiàn)代同步發(fā)電機測控要求，具有精度高、實時性好，價格低的特點。
關(guān)鍵詞：ADE7758；ADUC814；同步發(fā)電機；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
目前同步發(fā)電機的數(shù)據(jù)采集大多是以通用AD轉(zhuǎn)換芯片配合單片機進(jìn)行交流采樣，這種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲得的發(fā)電機運行的電參量基本全靠軟件計算實現(xiàn)，不僅計算量大、精度低、實時性也受到很大限制。本研究針對以上缺點提出了以具有DSP內(nèi)核的專用電能計量芯片ADE7758和具有C52核的8位微處理器ADUC814組成的高精度、高可靠性、快速的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以實現(xiàn)對同步發(fā)電機的電壓和電流進(jìn)行快速采樣并實時地將最終的處理結(jié)果送去顯示和控制，完成對發(fā)電機進(jìn)行快速測控。
1 系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)及功能
該系統(tǒng)可以分為發(fā)電機現(xiàn)場模擬量采集模塊、開關(guān)量采集模塊、信號調(diào)理模塊、交直流量計量與轉(zhuǎn)換模塊、實時數(shù)據(jù)的處理與控制模塊、實時數(shù)據(jù)顯示模塊6大部分（系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示）。
該系統(tǒng)可以快速采集同步發(fā)電機的各種運行參量包括模擬量和開關(guān)量，對發(fā)電機運行狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)控。發(fā)電機的機端電壓和定子電流是由ADE7758完成測量和轉(zhuǎn)換的，即發(fā)電機機端電壓U、定子電流I為三相交流電，分別經(jīng)電壓互感器（ ）和電流互感器（CT）轉(zhuǎn)換成三相100 V、5 A的二次信號，再經(jīng)過信號調(diào)理電路處理后送入計量芯片ADE7758進(jìn)行轉(zhuǎn)換。發(fā)電機轉(zhuǎn)子電壓、轉(zhuǎn)子電流經(jīng)過電壓變送器、電流變送器后送入ADUC814進(jìn)行轉(zhuǎn)換，同時ADUC814還對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、完成控制等任務(wù)。當(dāng)ADUC814接收到ADE7758轉(zhuǎn)換結(jié)束中斷后，通過高速SPI接口對ADE7758采樣一次，讀取相應(yīng)緩沖區(qū)中數(shù)據(jù)如：機端電壓、定子電流、有功、無功、頻率、等機組運行量，然后根據(jù)互感器、變送器的變換比例計算出發(fā)電機運行參量的實際值并將結(jié)果保存到相應(yīng)的數(shù)據(jù)區(qū)中，與此同時ADUC814處理器通過MAX232進(jìn)行RS232標(biāo)準(zhǔn)電平轉(zhuǎn)換，將最新采集的發(fā)電機運行參量通過串口與PC機進(jìn)行通信，利用上位機軟件將實時數(shù)據(jù)顯示出來。
在本系統(tǒng)中ADUC814與芯片計量芯片ADE7758采用高速SPI總線；ADUC814與上位計算機之間通過普通雙絞線連接以串行方式進(jìn)行通信。
2 系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計
本系統(tǒng)選擇ADUC814單片機作為系統(tǒng)的主控制器，以電能計量專用芯片ADE7758作為A／D芯片。
2．1 ADE7758簡介
ADE7758是一款高集成度的三相電能專用計量芯片，集成了6路2階Sigma—Delta ADC采樣通道，帶有一個SPI兼容的串行通信接口，兩路脈沖輸出。采用數(shù)字校準(zhǔn)技術(shù)，可通過標(biāo)準(zhǔn)的SPI的三線串行通信接口完成對芯片的設(shè)置、電量數(shù)據(jù)的傳輸和校準(zhǔn)。
ADE7758內(nèi)部集成有溫度傳感器，單5V供電，低功耗，適用于三相三線和三相四線電力系統(tǒng)中。ADE7758的電流通道和電壓通道各有一個可編程增益放大器，放大增益為1，2或4，除了PGA功能外，還用于A／D轉(zhuǎn)換時滿刻度量程的選擇。增益的大小由用戶編程來決定。
ADE7758具有一個波形取樣寄存器，其值來自于ADC的輸出。波形采樣部分集成有一個用于短時持續(xù)低電平或高電平的檢測電路，門檻電平和持續(xù)時間是由用戶編程來決定的。三相中任一相過零檢測是同步進(jìn)行的，過零檢測的結(jié)果可用于測量三路電壓輸人中任一路的周期。ADE7758的所有功能都是通過讀、寫片上寄存器來實現(xiàn)的，即ADE7758的各種設(shè)定和操作主要是對寄存器的讀和寫。每個寄存器在讀、寫時，首先要執(zhí)行一個寫通信寄存器的操作，然后開始傳輸數(shù)據(jù)。監(jiān)測終端的測控命令和測量信息可以多種方式與MCU通信。數(shù)據(jù)接口部分采用中斷IRQ、片選cs和3線的SPI接口方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換；整個過程可描述為ADE7758數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完成后中斷申請IRQ（低電平）輸出給MCU，MCU通過低電平片選ADE7758的cs，然后通過SPI總線的MOSI、SCLK、MISO和ADE7758的DIN、SCK、DOUT相連，完成數(shù)據(jù)操作。ADE7758內(nèi)部集成多種數(shù)據(jù)寄存器，這些寄存器分成讀和寫兩種，通過訪問這些寄存器可以完成對ADE7758的配置和數(shù)據(jù)采集。
2、2 ADUC814簡介
本系統(tǒng)中，核心部分采用AD公司的ADuC814。該芯片集成有6通道A／D（12位精度）、2個D／A（12位精度，15 s建立時間）和8052 MCU內(nèi)核（8 KB Flash程序存儲器，640 B數(shù)據(jù)存儲器，256 B靜態(tài)存儲器，最高時鐘頻率16 MHz）3大模塊，28腳TSSOP封裝，面積僅43 mm 。尤其重要的是它在系統(tǒng)編程（ISP）的特性，這很大程度上避免了以往實驗中因頻繁插拔而對CPU造成的物理損壞。同時，該系統(tǒng)的軟件采用高級C語言編寫，以串口通信方式實現(xiàn)了基于Pc的用戶界面，以提供方便的交互操作。在單片機端，可采用C51編程控制；在PC端，提供基于超級終端（HyperTermina1）程序的方式和基于VC環(huán)境的ANSI C或C++編程設(shè)計方式?？朔诉^去控制界面和操作方法不明晰，使用者常有誤操作的問題。
2．3 系統(tǒng)硬件連接
基于ADUC814和ADE7758的同步發(fā)電機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件連接如圖2所示。
ADE7758的電壓和電流采集通道，其交流信號幅值最大為500 mV。三相電壓、電流的模擬量經(jīng)過cT、變換之后，輸人到ADE7758芯片中，通過6路A／D采樣通道完成同步采樣。ADE7758的微處理器對數(shù)字化的被測信號進(jìn)行各種判斷、處理和運算，并將結(jié)果儲存在18個只讀寄存器中。ADUC814通過SPI接口對ADE7758進(jìn)行讀寫操作，ADE7758內(nèi)部有一個中斷屏蔽寄存器MASK，可以選擇中斷源。當(dāng)相關(guān)的中斷產(chǎn)生時，IRQ腳被置低，等待ADUC814跳人中斷服務(wù)子程序讀取同步發(fā)電機各種運行參量。
同步發(fā)電機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用于監(jiān)測同步發(fā)電機機端電壓、定子電流和轉(zhuǎn)子電流，根據(jù)所實現(xiàn)的基本功能和要求，硬件系統(tǒng)設(shè)計包括：模擬量采集模塊、信號調(diào)理模塊、交直流電量計量與轉(zhuǎn)換模塊、實時數(shù)據(jù)的處理與控制模塊、顯示模塊。模擬量采集模塊由電流互感器CT和電壓互感器 組成。通過CT和采集同步發(fā)電機端的電壓和電流信號，將高電壓、大電流轉(zhuǎn)換成低電壓、小電流的信號，并起高低壓隔離作用。信號調(diào)理電路完成信號進(jìn)入電能計量芯片前的調(diào)整和濾波，濾除信號中的高頻部分。根據(jù)電能計量芯片ADE7758的要求，電流信號需轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓信號輸入。實時數(shù)據(jù)的處理與控制模塊從速度和容量的要求考慮選擇ADUC814，該芯片內(nèi)置有8 KB Flash，640 BRAM，256 B SRAM，有9個中斷源，2個中斷優(yōu)先級，3個16位定時數(shù)器，32個可編程IO口；可實現(xiàn)串行在系統(tǒng)編程（ISP），在沒有并行編程器的情況下，片內(nèi)ROM中固化的默認(rèn)加載程序允許ISP通過UART將程序代碼裝入Flash存儲器，而Flash代碼中則不需要加載程序。
3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計
系統(tǒng)的軟件設(shè)計包括單片機程序和Pc機應(yīng)用程序設(shè)計兩部分。
3．1 單片機程序設(shè)計
以ADUC814單片機為核心的程序框圖如圖3所示。
對于中斷的判斷和處理是該程序的核心部分。根據(jù)具體的功能需要，中斷包括外部中斷INTO、定時中斷和串行中斷3種。
3．1，1 外部中斷INTO
ADE7758的IRQ腳連接ADUC814單片機P3．2的INT0腳，IRQ腳置低即表示ADE7758有中斷產(chǎn)生，單片機通過SPI口將線電壓、頻率值、電壓和電流值取出。ADE7758為用戶提供中斷屏蔽寄存器MASK，通過設(shè)置MASK可以根據(jù)自己的需要放開相應(yīng)的中斷，實現(xiàn)多種
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