多路電能表脈沖數據采集裝置的設計

張廣順　李有明

摘 要：智能電表在計量精度上的要求越來越高，對測試計量輸出設備的準確性要求也更加嚴格。針對當前測試設備一方面無法同時采集脈沖個數和檢測脈沖寬度，另一方面不支持多個計量通道同時采集脈沖數據。本文設計了一種應用于計量電能表的多路脈沖數據采集裝置，該裝置能高精度計量電能表脈沖輸出個數和脈沖寬度。測試結果表明，本文設計的采集器可同時得到四路脈沖數據的精確采集，適用于脈沖常數不同的各類國內以及海外表型的脈沖數據采集，為電能表計量輸出脈沖檢測提供應用規范。

關鍵詞：脈沖個數;脈沖寬度;四路采集;脈沖常數

0 引言

智能電表的普及應用，對計量的精度有了更高的要求。電表計量檢測需要對脈沖輸出與計量電量的一致性進行衡量，對脈沖輸出的精度和輸出脈寬也有相應檢測規范[1]。為了檢測電能表脈沖輸出的準確性和脈沖寬度的合理性，需要合適的工具計量脈沖個數和查看輸出脈沖寬度。電能表脈沖輸出通常有以下常見問題：無脈沖和誤差顯示，低頻脈沖輸出不觸發誤差計算器，只有高頻脈沖，脈沖無法輸出[2]。為了檢測脈沖輸出的準確性，當前通用的單路測試系統中脈沖個數采集方法有中斷檢測法和電平檢測法[3]。中斷檢測法對抗電磁干擾要求高但實現方法簡單，電平檢測法抗干擾能力強但軟件實現復雜。電量測試中，脈沖寬度檢測必不可少，需要測量電表的當前脈寬，查看電能計量產生的脈沖寬度是否達到技術要求，通常測試需要用示波器檢測脈沖寬度，增加了測試脈沖輸出的復雜度。電表一般需要檢測有功和無功2路計量輸出，需要對兩種計量脈沖輸出進行檢驗。脈沖檢測端子一般有電脈沖和光脈沖的區分，部分電表僅有光脈沖，無電脈沖，而且光脈沖和電脈沖輸出會有上升沿和下降沿輸出差別，文獻[4]提出的電平檢測方法對脈沖精確性采集上有很大提高，但脈沖處理上僅可檢測上升沿脈沖，下降沿脈沖未做區分，也無法檢測脈沖寬度。一路采集無法滿足同時采集光脈沖和電脈沖的區分，需要多個通道對光電脈沖分別處理，也可同時測量有功無功通道。

為了解決上述存在的問題，結合電能表測試要求，本文設計了一種高精度計量電能表輸出的脈沖個數和脈沖寬度，多路同時采集脈沖數據的采集裝置。在脈沖判斷上選用電平檢測法來保證脈沖個數判斷準確，在檢測脈寬上采用中斷檢測法能快速計算有效脈寬;電路設計四路采集輸入，可同時采集光脈沖和電脈沖解決多余工裝問題和測試效率低的問題;電源電路選用電表開關電源電路來更好適應采集裝置連接電表隨臺測試;增加警報模塊，滿足一定采集個數會觸發聲警報，測試人員可根據采集需求設置警報閾值;同時添加紅外和485通信功能，使用智能電表通信協議，為后續采集裝置軟件升級和設置參數提供支撐。測試結果表明本文設計脈沖采集裝置適用電表產品類型廣泛，脈沖采集精確性和測試效率提升明顯。

1 系統硬件設計

本文是基于銳能微RN8213MCU芯片設計的脈沖采集裝置，其硬件連接模塊如圖1所示。

首先四路采集模塊采集脈沖和脈寬數據，經MCU處理后將數據存儲到EEROM中，MCU也可從EEROM中提取當前四路脈沖數據。然后將MCU處理脈沖數據顯示到液晶上，就可查詢相應的脈寬和脈沖個數，當采集脈沖達到警報閥值會出發聲警報，提醒用戶查看所需脈沖數據。利用通信功能設置顯示內容和輪顯時間，設置警報閾值和采集脈寬范圍。

結合已有電能表脈沖輸出情況，電能表脈沖輸出最高每秒60個脈沖，也需要多個脈沖檢測端口。RN8213B計量芯片是一款低功耗、高性能、高集成度、高可靠的單相SOC 芯片，能夠滿足脈沖采集裝置目前及將來持續增長的功能、性能要求。多個I/O口可為多路脈沖采集提供高速的數據交互;內嵌32 位ARM Cortex-M0核為采集脈沖數據處理提供完善的集成開發軟硬件環境;且該芯片具有一定的濾波處理能力，對提高脈沖采集精度有很大改善。

為了實現四路脈沖采集功能。脈沖采集部分電路利用光耦實現信號的傳輸，并對電路進行隔離保護。此部分電路的原理：當光耦輸入端無電脈沖信號輸入時，光耦輸出端不導通，光耦輸出端光電三極管的發射極電壓為0 V;當光耦輸入端有電脈沖信號輸入時，光耦輸出端光電三極管處于飽和導通狀態（V_ce≈0.4 V），此時光耦輸出端光電三極管發射極電壓約為2.9 V;基于此，通過MCU對光耦輸出信號的上升沿或下降沿進行計數和計算相應脈沖寬度，則可得到電能表的脈沖個數和輸出脈寬。

光耦選用LTV-816S-TA1-D3能很好滿足當前通訊波特率需求，響應時間4 us，能快速傳輸采集脈沖信號，達到脈沖信號傳輸要求。通過R7/C3濾除噪聲誤差，濾除高頻雜波干擾，避免雜波信號干擾誤判。VD3用來保護光耦，防止輸入端加入過高電壓擊穿光耦。輸入脈沖從引腳通過輸入緩沖進入內部總線，此時CPU自動使MUX向下，并向P0口寫’1’，讀引腳脈沖數據有效，然后打開緩沖器，將脈沖數據讀入總線，從而精確的將脈沖數據傳入CPU中處理。四路采集電路中電脈沖與光脈沖電路輸入端的差異：電脈沖采集電路需要添加上拉電壓;光脈沖采集電路不需添加上拉電壓（脈沖燈輸出已有上拉電壓）。四路脈沖采集電路見圖2所示。

為了提升采集工具的電源適用范圍，在開關電源方案設計中選用智能電表開關電源的設計方案。該方案兩路輸出，一路給通訊電路供電，帶載能力280 mA，18 V;一路給主板供電，帶載能力100 mA，18 V 。電源模塊給脈沖采集裝置和各個功能模塊和芯片提供穩定的電源。電源方案該方案具有電壓工作范圍寬50 V～300 V，輸出電流大，轉換效率高的優點，可適應不同電表的隨臺測試。

為了實現警報功能，電路使用低成本的無源蜂鳴器。在蜂鳴器引腳兩端反向并聯一個二極管，防止突然斷電時產生的高壓反向電動勢擊穿其他元器件，防止蜂鳴器使用壽命縮短。警報功能用于提醒測試人員已采集所需脈沖數據，方便測試人員收集脈沖測試數據。

為了實現測試電表參數的配置功能，支持近紅外和485通訊功能。近紅外通信遵循IEC62056-21光學通信物理接口標準，信號波長：900 nm～1 000 nm（紅外光）。用戶可通過PC/HHU軟件對采集裝置進行數據抄讀和參數設置。初始波特率為300 bps（工廠狀態下9 600 bps）、7位數據位、1位偶檢驗位、1位停止位;握手成功后以預先設定好波特率（9 600 bps）、8位數據位、0位偶檢驗位、1位停止位的波特率通信。RS485通信符合DLMS標準（IEC 62056-46），波特率為9 600 bps、8位數據位、0位偶檢驗位、1位停止位。

2 系統軟件設計

系統軟件設計主要包含主程序、脈沖數據采集和處理部分、顯示部分以及通訊部分。主程序完成單片機的初始化，調用脈沖采集數據和顯示相關內容。主流程圖見圖3所示。

主程序一直作標志檢測、通訊、顯示、警報檢測、送復位脈沖等循環。脈沖采集裝置主要注重的是脈沖數據的處理過程，本文軟件部分主要講述處理脈沖的過程。采集裝置分四路采集，采集端口互不干擾，只做硬件區分，軟件分塊處理，軟件處理流程基本一致。流程描述如下：

輸入信息：脈沖信號。

輸出信息：當前脈沖總個數count，當前脈沖寬度plase和檢測端口電平flag。

初始化采集端口狀態標志位默認為0。

1）將當前脈沖信號輸入y（t） ，并檢測信號電平變化，定時器掃描中斷處理，同時掃描四個中斷口數據;

2）檢測端口發生電平變化后，和基準電平比較，如果檢測到高電平，當前狀態flag為1，進入步驟3，如果檢測到低電平，當前狀態flag為0，進入步驟4;

3）程序判斷01，確認脈沖信號為上升沿傳輸;

4）程序判斷00，確認脈沖信號為下降沿傳輸;

5）確認輸入信號的高低電平后，接下來檢測脈沖個數和脈沖寬度 。首先判斷當前脈沖個數是否有效，如果count+<0xffff，那么這個脈沖個數count=count，否則count=0重新計算;

6）然后處理脈沖寬度。若檢測到的脈沖寬度1 ms<plase

<1 000 ms，該脈沖為有效脈沖;

7）調用脈沖個數和脈沖寬度檢測函數;

8）輸出當前脈沖個數，脈沖寬度和當前脈沖狀態。

確認信號上升沿和下降沿輸出能增加脈沖檢測裝置的適用性，為接下來脈寬判斷提供依據。確認脈沖信號上升沿還是下降沿后觸發相應的脈寬檢測中斷，脈沖寬度處理采用500 us定時器中斷判斷。以下降沿信號為例，下降沿脈沖邊沿判斷方法見圖4，脈沖寬度及個數計算流程見圖5。當脈沖確認信號為下降沿信號會觸發中斷，每500 us檢測一次，為防止抖動誤差，連續2次檢測為低電平點亮對應通道的脈沖燈，相應的脈沖寬度加1，當檢測到高電平時，如果1 ms

<脈沖寬度<1 000 ms該脈沖為有用脈沖，當前脈沖寬度更新，對應通道的脈沖個數+1。否則該脈沖為無用脈沖，繼續下一次脈沖檢測。脈沖燈起指示作用，代表當前檢測通道有脈沖輸入。脈沖指示燈由30 ms寄存器控制，檢測為有效脈沖后點亮，延時30 ms后熄滅。 上升沿信號檢測到高電平信號觸發脈沖個數和脈沖寬度計算，檢測流程同下降沿信號。

常用的脈沖檢測方法可選用表決法[5]、中斷方式或電平查詢方式采集[6]。本文采用的是中斷和查詢結合方式對脈沖計數，提高脈沖計數的精確性。采集裝置采用的是直接接入電表的方式，然后經過硬件電路濾波處理得到規整的信號波形，軟件方面采用先判斷脈沖寬度在計算脈沖有效性，很好規避其余脈沖噪聲干擾。而且，計算脈沖采用先判斷輸出高低電平，確認脈沖方向后，再進行脈沖寬度和脈沖個數計算，這種方式能確保采集脈寬為有效脈寬，避免占空比較大時對脈沖誤判的情況。部分采集裝置僅就電平變化判斷脈沖個數[7]，僅判斷采集脈沖個數，無法確認脈沖輸出電平情況，也無法采集對應的脈沖寬度，本文方法可規避這種情況。

3 測試結果分析

為了驗證所設計脈沖采集裝置的性能，本節進行了測試驗證及本產品性能分析。測試驗證不同規格的脈沖常數的電表輸出的脈寬和脈沖個數精確度。選取不同規格脈沖常數的表型8種。測試電壓和電流分別加1.3Un、1.2Imax輸出，上電約2個小時，計算輸出脈沖個數和脈沖寬度與脈沖采集裝置采集的數據做比對試驗，測試結果見下表1：

查看表1所示結果，本文設計采集裝置單位時間輸出脈沖小于60個/秒脈沖采集器均能正常采集，相比原有采集裝置單位時間輸出高于30個/秒會出現漏記，高于50個/秒不會記錄，本文方法始終將誤差控制在1個誤差范圍內，測量脈沖寬度精度在1 ms范圍內均可精確計算。電表實際要求計量脈沖輸出誤差在萬分之1，脈沖寬度只要求查看整數值，本文設計很好滿足電能表輸出脈沖測試要求。采集裝置能很好測量不同脈沖常數的各類規格電能表，說明本文方法適用于各類規格表型的脈沖個數和脈沖寬度采集。

4 結論

本文依據智能電表脈沖對脈沖精度和輸出脈沖檢測要求，設計出一款支持多路脈沖數據采集的脈沖檢測裝置。與其他的脈沖檢測裝置相比，本文設計支持脈沖個數和脈沖寬度的雙重檢測，適用各種規格電表的計量輸出脈沖性能測試，支持多路采集提高測試效率，而且適用電表的隨臺測試。測試結果表明，本文設計采集裝置為電能表計量輸出脈沖檢測提供應用規范。當前本文設計采集器已替代原有采集器用于各類電表測試中，數據記錄精確，運行穩定。

參考文獻：

[1]單/三相智能電能表技術規范[S].國家電網有限公司發布.

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[5]李曉蕾.電能表數據采集器研發及應用[J].自動化與儀器儀表，2013（3）：59.

[6]吳清收.基于A/D轉換的多路脈沖數據采集器的設計[D].山東科技大學，2006.

[7]徐晨光.電能表數據采集器的設計與應用[J].區域治理，2018（43）：156.