CN201173949Y - 基于niosⅱ微处理器的三相电能表 - Google Patents
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Abstract
本实用新型一种基于NIOSII微处理器的三相电能表，具体包括：传感器，输出端与信号调理模块连接；信号调理模块，输入端与传感器输出端连接；信号采集模块，输入端与信号调理模块输出端相连；电能计量SOPC芯片，与信号采集模块连接，是整个电能表系统的核心；锁相倍频，与信号调理模块和信号采集模块相连；通用异步收发器，采用RS－232接口方式实现电能表与上位机或抄表系统的通信；LCD显示/键盘模块，连接电能计量SOPC芯片；日历时钟模块，与电能计量SOPC芯片连接；IIC存储器，与电能计量SOPC芯片连接。该电能表体积小、集成度高，可靠性强，具有可重构性。
Description
(一)技术领域：
本实用新型一种基于NIOS II微处理器的三相电能表，属于仪器仪表技术领域。
(二)背景技术：
2003年城乡电网改造结束后，电力系统对三相多功能表的需求量迅速增长。由此，国际、国内电表企业纷纷看好商机，抓紧新技术开发，不断推出三相多功能表的新产品，以满足电能表市场的应用需求。据不全完统计，国家电网和南方电网拥有计费电能表总量为19500万台。其中，两网直接管理用于计费的11800万台，非直接管理用于计费的7700万台。
这几年国内电子电能表的需求稳中有升，造成市场增长的原因有三：一是电子电能表将逐步替代机械式电能表；二是前几年安装的电子电能表功能简单，目前已经开始更新换代；三是近年来国外电子电能表市场有所扩大，使国内企业出口量增加。
业内人士分析，电子电表将成为未来电表市场的主角。有资料表明，目前全球至少已经安装了10亿块电表(电子电表和机械电表总和)。未来10年，中国电表市场可能占全球电表市场的40％，而且这个比例还在不断攀升。
在中国的电能表市场上，电子式电能表约占30～40％，其中单相电子式电能表的年需求量稳定为2000万只左右，三相电子式电能表已增长到600万只以上。电子式电能表具有精度高、功能强、寿命长等优点，剩余60～70％的传统机械表正逐渐被电子式电能表所替代。
目前在国内，单、三相电能表的设计规范还不是很严格。各个电能表制造厂家在对三相电能表的功能设计上都没有明确的标准，基本上是按照客户提出的要求，选择市场上已有的CPU、电能计量芯片及外围硬件模块进行具体的设计。这样，每次不同功能要求的设计项目都需要对原有的软硬件设计方案做出相应的调整。其中，对硬件设计方案的改变可能会对产品安全可靠性造成很大的影响，同时也会给设计制造厂家带来更多的投资及不便。
如果能够将电能表所需的全部核心电路(例如微处理器，电能计量芯片、各种控制器与通信接口等)放在同一芯片上，就可以大幅缩小整个系统所占的面积，同时还会减少外围驱动接口单元及电路板间的信号传递，加快微处理器数据处理的速度，内嵌的线路还可以避免外部电路板上信号传递所造成的系统干扰。
(三)实用新型内容：
本实用新型的目的在于提供一种基于NIOS II微处理器的三相电能表。该电能表将所需的全部核心电路(微处理器，电能计量芯片、各种控制器与通信接口等)放在同一芯片上，从而可以大幅缩小整个系统所占的面积，电能表的体积小，可靠性高。设计者可以根据用户需求对其硬件结构、功能特点、资源占用等进行灵活构建，从而在相当短的周期内用很低的成本就可以开发出目标产品，而不是被动地跟随和使用市场上已有的MCU进行“僵硬的硬件连结和拼装”。
本实用新型一种基于NIOS II微处理器的三相电能表，该电能表采用Altera公司的推出的NIOS II软核微处理器做为CPU，采用三相电能计量片上可编程系统(即SOPC，System On Programmable Chip)芯片作为计量单元，外配相应的外围电路。
该三相电能表具体包括传感器、信号调理、信号采集、电能计量SOPC芯片、锁相倍频、LCD显示/键盘、通用异步收发器、IIC存储器和日历时钟等模块。
传感器，输出端与信号调理模块连接，将电力线上的三相电压和三相电流转为小信号送给信号调理模块。三相电压是通过电阻分压网络降为小信号的，三相电流信号是通过电流互感器转为小信号的。
信号调理模块，输入端与传感器输出端连接，该信号调理模块具体包含：抗混叠低通滤波器、参考电压电平和A/D转换模块；传感器送来的小电压信号经过抗混叠低通滤波器滤波后偏置到A/D转换模块的参考电压电平上，供A/D转换模块电流。
信号采集模块，输入端与信号调理模块输出端相连，把信号调理模块送来的电压信号转为数字信号后送给电能计量SOPC芯片。
电能计量SOPC芯片，与信号采集模块连接，是整个电能表系统的核心，主要包含两大部分：电能计量和NIOS II软核微处理器；电能计量部分完成电压电流有效值计算，有功/无功/视在功率计算，有功/无功/视电能计量等，部分功能由硬件实现；NIOS II软核微处理器完成整个电能表的调度工作，如实现费率时段切换，响应串口命令，冻结历史电量数据，LCD显示刷新，故障记录报警等功能。该电能计量SOPC芯片作为一项单独的实用新型另案申请。
锁相倍频，与信号调理模块和信号采集模块相连，用于控制A/D转换模块的采样频率。由于该三相电能表具有谐波分析功能，考虑到谐波分析时要作FFT变换(即快速傅立叶变换)，为了使频谱不泄漏要确保同步采样；当电网电压频率波动时需要对电网每个周波的采样点数一致，从而设计了锁相倍频电路以控制A/D采样。
通用异步收发器，即UART(Universal Asynchronous Receiver Transmitter)，采用RS-232接口方式实现电能表与上位机或抄表系统的通信。
LCD显示/键盘模块，连接电能计量SOPC芯片，是整个电能表系统人机交互的界面，LCD显示模块显示当前三相电压有效值，三相电流有效值，有功电能，无功电能，视在电能，上月历史电量数据等；通过键盘可以设置电表的数据，加快LCD刷新频率等，同时也可以方便系统调试。
日历时钟模块，与电能计量SOPC芯片连接，选用美国达拉斯公司的涓流充电时间芯片DS1302，主要用来产生一个包括年、月、日、时、分、秒的时钟。
IIC存储器，与电能计量SOPC芯片连接，选用的是美国ATMEL公司的二线串行电擦写可编程只读存储器存储器AT24C256，用来存储程序信息。
本实用新型一种基于NIOS II微处理器的三相电能表，其优点及功效在于：该电能表采用Altera公司的推出的NIOS II软核微处理器做为CPU，采用三相电能计量SOPC(System On Programmable Chip)芯片作为计量单元，外配相应的外围电路。使用者可以根据需要对三相电能计量芯片的硬件结构、功能特点、资源占用等进行灵活构建与编程，从而在相当短的周期内用很低的成本就可以开发出目标产品。由于三相电能计量芯片集成了三相电能表所需的全部核心电路(微处理器，计量芯片、各种控制器与通信接口等)，可以大幅缩小三相电能表的体积，同时还会减少外围驱动接口单元及电路板间的信号传递，加快微处理器数据处理的速度，内嵌的线路还可以避免外部电路板上信号传递所造成的系统干扰；电能表体积小、集成度高，可靠性强，具有可重构性。
(四)附图说明：
图1所示为三相电能表设计总体框图。
图2所示为电能计量SOPC芯片内部框图。
(五)具体实施方式：
下面结合附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步阐述。
本实用新型一种基于NIOS II微处理器的三相电能表，提出了一个完整的三相电能计量的设计方案。该设计方案同样可以应用到单相电能表SOPC芯片设计中，只是需要修改相应的计量算法和调整系统软件中相应的模块就可以了。
1.本实用新型采用NIOS II软核微处理器的原因
Altera公司的推出的NIOS II软核微处理器主要特性包括：高效灵活的处理器模块，可以通过软件配置成16位或32位的中央处理单元(RISC，即RelegateImportant Stuff to the Compiler结构)，并可选择不同的内部存储器大小，其最高执行速度可达50MHz；具有多种其它功能模块的选择(同步动态随机存储器、UART、PCI接口模块、LCD接口模块、MAC接口模块等多种功能模块)。
目前，基于FPGA(Field Programmable Gate Array)设计片上系统即SOC(System On Chip)，有两种方案：基于FPGA嵌入IP硬核以及基于FPGA嵌入IP软核。IP硬核(例如ARM核，Power PC核，以及单片机核)，IP软核(Altera公司的NIOSII软核以及Xilinx公司的MicroBlaze软核)。
●IP软核相对于IP硬核植入FPGA的优越性：
(1)硬核一般来自第3方公司，FPGA厂商通常无法直接控制其知识产权费用，从而导致FPGA器件价格相对偏高。软核是FPGA厂商推出的非第3方产品，通常用户无需支付知识产权费用。
(2)硬核是预先植入的，设计者无法根据实际需要改变处理器的结构。软核则是用户可随意配置和构建的嵌入式系统微处理器IP核。
(3)硬核无法裁减处理器硬件资源以降低FPGA成本。而软核则可以随意裁减。
●NIOSII软核与MicroBlaze软核的对比：
(1)NIOSII可植入的FPGA系列几乎没有限制。
(2)在开发工具的完备性、对常用的嵌入式操作系统支持方面，NIOSII都优于MicroBlaze。
(3)就成本而言，NIOSII是Altera推出的非第3方产品，故用户通常无需支付知识产权费用。NIOSII的使用费用仅仅是其占用的FPGA逻辑资源。
2.电能计量SOPC芯片设计方案
如图2所示，该芯片内部包括AD控制器，FIFO(First In First Out，即先进先出数据缓存器)，电能计量、配置寄存器、NIOSII软核微处理器、日历时钟接口，DFC(Digital to Frequency Converter，即数字频率变换器)，IIC接口，以及LCD控制器等部分。
其中，AD控制器的输入为信号采集板上采集到的三相电压和三相电流(6个通道的串行数据)，AD控制器是按照美国AD公司16位的∑-ΔA/D芯片AD73360的时序，将输入的6个通道的串行数据转换成并行数据并存储在相应的FIFO中；6通道的FIFO保存AD控制器送来的6通道1个周波的AD数据，以便后面的运算使用，这样做还有一个好处就是电能计量模块可以实现流水线结构，加快运算速度；电能计量模块主要是利用FPGA实现电能的有功、无功和视在功率的计量。配置寄存器中保存配置数据、历史电量数据、冻结数据等等；NIOS II软核微处理器完成整个电能计量芯片的调度工作；日历时钟接口与外部的日历时钟芯片相连，为芯片提供时钟信息，供NIOS II软核微处理器使用，从而构成复费率电能表。日历时钟芯片选用美国达拉斯公司的涓流充电时间芯片DS1302；DFC变换就是将计量后的电能值转换成脉冲的个数输出，以便校表；IIC接口控制外部的IIC只读存储器AT24C256，AT24C256是美国ATMEL公司的二线串行电擦写可编程只读存储器存储器；LCD控制器实现外部LCD的驱动功能，LCD选用北京青云的LCM128645ZK。3.三相电能表总体设计
3、三相电能表设计总体框图如附图1所示。
基于NIOS II微处理器的三相电能表，包括传感器、信号调理、信号采集、电能计量SOPC芯片、锁相倍频、LCD显示/键盘、通用异步收发器、IIC存储器和日历时钟等模块。
传感器输出端与信号调理模块连接，将电力线上的三相电压和三相电流转为小信号送给信号调理模块。三相电压是通过电阻分压网络降为小信号的，三相电流信号是通过电流互感器转为小信号的。
信号调理模块，输入端与传感器输出端连接，该信号调理模块具体包含：抗混叠低通滤波器、参考电压电平和A/D转换模块；传感器送来的小电压信号经过抗混叠低通滤波器滤波后偏置到A/D转换模块的参考电压电平上，供A/D转换模块电流。
信号采集模块，输入端与信号调理模块输出端相连，把信号调理模块送来的6路电压信号转为数字信号后送给电能计量SOPC芯片。
电能计量SOPC芯片，与信号采集模块连接，是整个电能表系统的核心，主要包含两大部分：电能计量和NIOS II软核微处理器；电能计量部分完成电压电流有效值计算，有功/无功/视在功率计算，有功/无功/视电能计量等，部分功能由硬件实现；NIOS II软核微处理器完成整个电能表的调度工作，如实现费率时段切换，响应串口命令，冻结历史电量数据，LCD显示刷新，故障记录报警等功能。该电能计量SOPC芯片作为一项单独的实用新型另案申请。
锁相倍频，与信号调理模块和信号采集模块相连，用于控制A/D转换模块的采样频率。由于该三相电能表具有谐波分析功能，考虑到谐波分析时要作FFT变换(即快速傅立叶变换)，为了使频谱不泄漏要确保同步采样；当电网电压频率波动时需要对电网每个周波的采样点数一致，从而设计了锁相倍频电路以控制A/D采样。
通用异步收发器，即UART(Universal Asynchronous Receiver Transmitter)，采用RS-232接口方式实现电能表与上位机或抄表系统的通信。
LCD显示/键盘模块，连接电能计量SOPC芯片，是整个电能表系统人机交互的界面，LCD显示模块显示当前三相电压有效值，三相电流有效值，有功电能，无功电能，视在电能，上月历史电量数据等；通过键盘可以设置电表的数据，加快LCD刷新频率等，同时也可以方便系统调试。
日历时钟模块，与电能计量SOPC芯片连接，选用美国达拉斯公司的涓流充电时间芯片DS1302，主要用来产生一个包括年、月、日、时、分、秒的时钟。
IIC存储器，与电能计量SOPC芯片连接，选用的是美国ATMEL公司的二线串行电擦写可编程只读存储器存储器AT24C256，用来存储程序信息。
Claims (2)
1、一种基于NIOS II微处理器的三相电能表，其特征在于：该三相电能表具体包括传感器、信号调理、信号采集、电能计量片上可编程系统芯片、锁相倍频、LCD显示/键盘、通用异步收发器、IIC存储器和日历时钟模块；
传感器，输出端与信号调理模块连接，将电力线上的三相电压和三相电流转为小信号送给信号调理模块；
信号调理模块，输入端与传感器输出端连接，该信号调理模块具体包含：抗混叠低通滤波器、参考电压电平和A/D转换模块；
信号采集模块，输入端与信号调理模块输出端相连，把信号调理模块送来的电压信号转为数字信号后送给电能计量SOPC芯片；
电能计量SOPC芯片，与信号采集模块连接，是整个电能表系统的核心，主要包含两大部分：电能计量和NIOS II软核微处理器；
锁相信频，与信号调理模块和信号采集模块相连，用于控制A/D转换模块的采样频率。
通用异步收发器，采用RS-232接口方式实现电能表与上位机或抄表系统的通信。
LCD显示/键盘模块，连接电能计量SOPC芯片，是整个电能表系统人机交互的界面；
日历时钟模块，与电能计量SOPC芯片连接，选用美国达拉斯公司的涓流充电时间芯片DS1302；
IIC存储器，与电能计量SOPC芯片连接，选用的是美国ATMEL公司的二线串行电擦写可编程只读存储器存储器AT24C256。
2、根据权利要求1所述的基于NIOS II微处理器的三相电能表，其特征在于：所述的信号调理模块将传感器送来的小电压信号经过抗混叠低通滤波器滤波后偏置到A/D转换模块的参考电压电平上，供A/D转换模块电流。
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| CN102680838A (zh) * | 2012-05-31 | 2012-09-19 | 重庆大学 | 基于双树复小波变换的电能质量监测识别方法及系统 |
| WO2018014750A1 (zh) * | 2016-07-21 | 2018-01-25 | 中国恩菲工程技术有限公司 | 低压配电系统及用于低压配电系统的多功能仪表 |
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|---|---|---|---|---|
| CN102680838A (zh) * | 2012-05-31 | 2012-09-19 | 重庆大学 | 基于双树复小波变换的电能质量监测识别方法及系统 |
| CN102680838B (zh) * | 2012-05-31 | 2014-08-13 | 重庆大学 | 基于双树复小波变换的电能质量监测识别方法及系统 |
| WO2018014750A1 (zh) * | 2016-07-21 | 2018-01-25 | 中国恩菲工程技术有限公司 | 低压配电系统及用于低压配电系统的多功能仪表 |
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