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基于ARM的两主一备备自投终端的设计
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基于ARM的两主一备备自投终端的设计
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摘要: 文章介绍了一种三相交流电参数综合监测仪的设计，该监测仪以AT89S52单片机为核心，运用DSP智能芯片ATT7022B代替了传统仪器中的大量硬件，将多种测量功能集于一身，用一台仪器就可以测量三相交流电的电流电压有效值、有功功率、功率因数、频率等电参数。文中论述了系统的硬件组成、各功能部分的电路设计和系统的软件设计，给出了关键部分的电路图、单片机的数据采集和分析处理程序。
一种三相交流电参数综合监测仪的设计
张鑫 ，谭卫斌 ，肖朵艳
(1．中石油克拉玛依石化热电维修厂，新疆克拉玛依．西南石油大学，四川成都610500)
摘要： 文章介绍了一种三相交流电参数综合监测仪的设计，该监测仪以AT89S52单片机为核心，运用DSP智能芯片
ATT7022B代替了传统仪器中的大量硬件，将多种测量功能集于一身，用一台仪器就可以测量三相交流电的电流电压有效值、有功
功率、功率因数、频率等电参数。文中论述了系统的硬件组成、各功能部分的电路设计和系统的软件设计，给出了关键部分的电路
图、单片机的数据采集和分析处理程序。
关键词：电参数；监测仪；单片机
中图分类号：TM933 文献标识码：A 文章编号：(24—04
The Design of a Three-phase AC Parameter M onitor
ZHANG Xin ．TAN W ei—bin ．XIAO Duo—yan‘
(1．Karamay Petrochemical Company of China Petroleum Thermoelectric Repair Workshop，Karamay 834003，China；
2．Southwest Petroleum University，Chengdu 610500，China)
Abstract：The article describes the design of a three—phase alternating current parameters monitor with AT89 S52 mi·
crocontroller as the core．The monitor uses the smart DSP chip ATT7022 B instead of a lot of hardware in traditional in
struments．A variety of measurement functions rolled with an instrument can measure three—phase alternating current
voltage，active power，power factor，frequency and other electrical parameters．This paper discusses the hardware com—
ponents of the system ，the functional part of the circuit design and system software design．It presents the key features of
the circuit diagram ．data collection and analysis process of the microc0ntrol1er．
Key words：electrical parameters；monitor；microcontroller
本文设计开发了一种三相交流电参数综合监测仪，
它采用AT89S52单片机为数据处理和控制核心，结合专
用的三相电能专用计量芯片A337022B用于测量三相三
线和三相四线接法的交流工频信号的相电压和线电压、
电流、功率(有功功率和无功功率)、功率因数等参数，有
效地解决了环境恶劣的工业现场用电监测问题。
1 电能计量芯片ATT7022B简介
AqqT022B是一颗精度高且功能强的多功能防窃电
基波谐波三相电能专用计量芯片，它集成了七路二阶s酶
ma—delta ADC，其中三路用于三相电压采样，三路用于三
相电流采样，还有一路可用于零线电流或其他防窃电参
数的采样，该芯片适用于三相三线和三相四线应用。
ATI'7022B内部的电压监测电路可以保证加电和断电时
正常工作，提供了一个SPI接口，方便与外部MCU之间
进行计量参数以及校表参数的传递；支持全数字域的增
益、相位校正，即纯软件校表；有功、无功电能脉冲输出
CF1、CF2，可以直接接到标准表，进行误差校正，而CF3、
CF4输出基波／谐波下的有功和无功电能脉冲或者RMS、
PQS视在电能脉冲。
ATT7022B芯片集成了参考电压电路以及所有包
括基波、谐波和全波(基波+谐波，以下简称全波)的
各项电参数测量的数字信号处理电路，能够测量各相
及合相包括基波、谐波和全波有功功率、无功功率、视
在功率、有功能量以及无功能量，同时还能测量频率、
各相电流及电压有效值、功率因数、相角等参数，提供
两种视在电能(PQS、RMS)，充分满足三相多功能电能
表以及基波谐波电能表制作的需求。
2 系统结构图
三相交流电参数综合监测仪总体设计方框图如
图IN示，系统主要包括：三相电信号采集端、信号前
端处理电路、三相电能计量、单片机处理模块、LCD液
晶显示、报警提示以及按键输入。
收稿日期：2012—09
作者简介：张鑫(1988一)，男，助理工程师，研究方向为电气自动化。
2013年第2期 仪表技术 ·25·
三相电能 信号前端 三相电能
计量芯片 AT89$52
信号采集 处理电路 ATT7O22B 单片机
图l 三相交流电参数综合监测仪系统结构图
其中单片机信号处理模块不但要与电能计量芯片
通信读取相应的测量值，还要通过检测按键输入的信
号，控制LCD液晶显示电路显示出相应测量值。
3 系统硬件设计
3．1 信号采集电路的设计
本设计中要对三相交流电每相的电压和电流信号
进行采集，由于三相交流电的相电压一般都大于380 V，
而电能计量芯片只能工作在5 V的电压下，只能对标准
的0～5 V电压信号进行采集，故在采集信号端采用互
感器进行电气隔离。图2给出了单相电压和电流的采
样电路原理图。
REF()1兀’
图2 电压电流采样采用互感器输入
3．2 ATT7022B应用电路
Am 022B的外围电路比较简单，从通道CH0接入模
拟电压信号，通过单片机的IO口P1．4～P1．7分别接CS、
SCLK、DI和DOUT，通过微控制器中的程序，控制SCLK、
DI和cs就能从DOUT读取到8 bit的数字信号。单片机
AT89S52核心电路及扩展电路除了必要的显示驱动外，包
括单片机时钟电路、复位电路、SPI通信接口电路、按键输
入电路以及蜂鸣器报警电路。显示单元采用的是
LCD1602字符型液晶显示模块，将LCD1602的各个引脚
同MCU的1／O直接相连就可以通过单片机控制液晶显
示模块的信息显示；在单片机AT89S52的XTAL1和
XTAL2引脚上并联一枚12 MHz的石英振荡晶体，且在两
脚与地之间各加一枚30 pF的小电容就构成了MCU的时
钟电路；考虑到SPI传输信号线有可能受到干扰或者出现
抖动，可以在SPI信号线上串联一个小电阻与Ic输入端
的寄生电容结合起来构成一个低通滤波器，可以消除SPI
接口信号上的振荡；如果数字输入端的内部电容不够大，
可在输入端外接一个l0 pF的电容。图3给出的是三相交
流电参数综合监测仪整体设计的电路原理图。
4 系统软件设计
4．1 系统主程序设计
三相交流电参数综合监测仪的软件主要完成对
ATT7022B的SPI读写控制、读取数据的处理及显示，
按键信息处理和报警的设置。程序采用C语言编写，
结构化设计使得程序逻辑清晰，层次分明，便于调试和
修改维护。设计主程序流程图如图4所示。
4．2 SPI通信程序设计
4．2．1 SPI读操作
ATT7022B的计量参数以及校表参数寄存器是通
过SPI提供给外部MCU。本设计中AT89S52通过SPI
读取ATT7022B数据的时序图如图5所示。
通过SPI写入1个8 bits的命令字之后，可能需要一
个等待时间然后才能通过SPI读取24 bits的数据。在
SCLK低于200 kHz时，可以不需要等待(即等待时间为
0 S)；当SCLK频率高于200 kHz时，则需要等待大约
3 s。注意发送命令时MSB在前LSB在后，接收数据时
也是MSB在前LSB在后。SCLK为高时更新DIN或
DOUT上的数据，每个寄存器的读或写需操作一次cs。
4．2．2 SPI写操作
外部MCU可以通过SPI对ATT7022B的校表寄
存器进行写操作。本设计中AT89S52通过SPI对
ATT7022B进行写操作的时序图如图6所示。
通过SPI写入1个8 bits的命令字之后不需等待，
继续通过SPI写入24 bits的数据即可，注意发送命令
和数据时，MSB在前LSB在后。
4．3 电参数获取程序设计
ATT7022B通过对电压、电流采样值进行平方、开方
以及数字滤波等一系列运算可以得到相电压和相电流
的有效值。电压、电流通道输人10～1 000 mV的信号
· 26· 仪表技术 2013年第2期
时电压、电流有效值的误差小于0．5％ 。单片机
AT89S52要获取相电压、相电流的有效值，只要通过SPI
与ATTT022B通信获取相应寄存器中的测量值即可。
同样，对于其他电参数的测量都是与ATT7022B进行
SPI通信读取对应的寄存器内的测量数据。表1所示的
是程序设计中对部分电参数获取的子函数列表。
图3 硬件原理图
表1 部分电参数测量寄存器及参数获取子函数列表
电参数测量值 寄存器地址 名称 参数获取子函数
A相电压有效值 OXOD r URrosa
B相电压有效值 0X0E r URmsb float GetVohage(INT8U addr，INT8U temp—data)
C相电压有效值 0X0F r URm$c
A相电流有效值 0X10 r IRrosa
B相电流有效值 OX11 r IRmsb fl
oat GetCurrent(INT8U addr，C相 电流有效值 OX12 INT8U }temp—data)
ABC相电流矢量和的有效值 OX13 r IRmst
合相有功功率 OX04 R Pt float GetPowerSingle(INT8U addr，INT8U temp—data)
合相无功功率 OXO8 R—Qt float GetPowerSingle(INT8U addr，INT8U temp—data)
合相功率因素 0X17 r Pi float GetPowerFactor(INT8U addr，INT8U temp—data)
通过查找ATT7022B 的输出寄存器表得到
ATTT022B内部寄存器地址0xOD，名称为17 URmsa即
可获取到A相电压有效值；同理，读取ATT7022B内部
寄存器地址0x0E，名称为r URmsb获取到B相电压
有效值；读取ATT7022B内部寄存器地址0x0F，名称为
URmsc获取到c相电压有效值。程序设计中直接
调用float GetVoltage(INT8U addr，INT8U temp—da—
ta)子函数，修改对应地址参数和寄存器参数即可返回
获取到各个相电压的有效值。对于其他电参数的获取
也采用上述同样的方法。
2013年第2期 仪表技术 ．27．
图4 主程序流程图
● ^ ● ^ _ _ _ _ _ — —
SCLK Ii ㈣ 』 哪 010 nn i 姗l
D0I7T - 捌t t q，s 6 5 4 3 2 1 0
图5 SPI读时序
SCLK『 n』l咖』1『 00 唧』 1 0叫』 姗删f l
DIN il z ,i，lflJl^l^I．J，i 忡-Hl神 1 叫一 t判l1，· 6 5 4 3 2 1
图6 SPI写操作时序
本三相交流电参数综合监测仪的设计，采用了现
代DSP智能芯片ATT7022B代替了传统仪器中的大量
硬件，将多种测量功能集于一身，用一台仪器就可以测
量三相交流电的电流电压有效值、有功功率、功率因
数、频率等电参数；同时采用LCD液晶显示器实现了
对各个交流电参数的实时显示，满足实时监控的需求。
经过使用证明，该检测仪具有集成度高、功能强大、可
靠性高、测量精度高等特点，具有极高的性价比和实用
性，并且具有较好的推广应用价值。
参考文献：
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仪的设计[J]．天津科技大学学报，2008(4)：69—75．
(丁云编发)
(上接第23页)
两种。硬件设置方法是可以根据实装原理打开训练系
统相应组合，拨动故障设置开关设置故障，由各组合状
态读取板读取状态向主控机发送故障码，改变软件电
路模型工作状态，从而表现出故障现象；软件设置法是
可以在训练控制台提供的软件界面上直接设置故障案
例，由软件直接触发电路模型中的故障向量，从而表现
出故障现象。受训人员分析确定故障点后，只需打开
相应组合复位相应故障开关，即视为排除故障，完成维
通过某型地空导弹维修保障训练系统的应用，证
明基于电路模型建模技术，采用软件模拟故障、硬件模
拟故障排除过程的方法实现复杂装备维修保障模拟训
练，不仅能够提高操作模拟的真实度，而且可以进行故
障状态和维修过程的模拟训练。该套维修训练设备可
以进行装备操作的模拟训练教学，也可以开展贴近实
际装备故障案例的故障现象发现、故障分析、故障排除
等维修过程的模拟训练。
参考文献：
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[J]．兵工学报，2006(1)：79—83．
(郁菁编发)】
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