三相電參數快速採集模塊的製作方法
2023-08-22 17:48:16 2
三相電參數快速採集模塊的製作方法
【專利摘要】本發明提供一種三相電參數快速採集模塊，包括電源電路、電參數輸入電路、電參數處理電路、單片機工作電路、信號隔離電路及RS-485通信電路。電源電路分別與電參數輸入電路、電參數處理電路、單片機工作電路、信號隔離電路、RS-485通信電路相連接；電參數處理電路與電參數輸入電路、信號隔離電路相連接；單片機工作電路與信號隔離電路、RS-485通信電路相連接。本發明的優點在於：通過實時採集各相電的電流和電壓，能夠獲得各相電的電流有效值、電壓有效值、功率因數、有功功率、無功功率，以及三相電總的有功功率、無功功率、視在功率、有功電能、無功電能；上述電參數可通過RS-485接口向外傳輸，符合MODBUS通訊協議；該模塊兼容三相三線或三相四線等接線方式。
【專利說明】三相電參數快速採集模塊
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種採集模塊，特別涉及一種三相電參數快速採集模塊。
【背景技術】
[0002]中國是全球人均能源保有量最低的國家之一。人均能源消費量僅為世界平均水平的一半。但能源利用效率僅為30%左右，比發達國家約低10個百分點。產值能耗比世界平均水平高2倍多，是世界上產值能耗最高的國家之一。火力發電是中國電力的最主要來源(約佔81%)，發電原料是煤，但中國已由原來最大的煤炭生產國和消費國轉變為進口國，電力成本將因此而不斷上揚。隨著城市建設的快速發展，特別是近年來大型公共建築的迅速增長，建築能耗的日益增長問題也越來越凸顯。造成這一問題的一個重要原因就是目前建築能耗的監督管理信息化水平不高，導致了監管手段的滯後，行業監管信息不能動態、準確、實時地採集，數據資源無法實現共享，從而致使主管部門在制定建築節能管理和宏觀調控時缺乏科學有效的依據。
[0003]另一方面，隨著自動化及智能化技術的發展和推進，越來越多的大功率設備開始進入傳統行業。與之相反，供電設施，如變壓器、線纜、插座、繼電器等的使用年限一般較長，更新速度較慢，尤其是在建設初期難以預測若干年後的負荷量，而供電設施的老化將進一步削弱電力設施負荷能力，因此容易造成供電設施因過載而導致事故，如頻繁跳閘甚至火災。而若能對大功率設備和重要的電力設施、電力線的電壓、電流或其它參數進行實時監測，並根據電力設施的工作參數設置預警值，當監測到的電參數達到其閾值時，進行實時報警，則可大大增加用電的安全性。
[0004]基於此以上兩種情況，開發能快速監測電參數的採集模塊是很有必要的。大功率設備、大功率開關、繼電器等電力設備及設施通常以三相電為主，且三相電參數的監測難度要大於單相電。目前市面上已有的三相電參數採集模塊種類較少，在現有產品中以電流互感器採集電流為主。電流互感器儘管價格較低，但是存在因相移導致的遲滯和飽和現象，導致測量時產生相位誤差，影響測量精度；同時電流互感器的動態電流感應範圍較小，不具備快速監測的特點。霍爾效應電流傳感器響應速度快，檢測精度高，動態電流感應範圍廣，非常適合在電參數的快速採集中。
【發明內容】
[0005]本發明的目的在於提供一種三相電參數快速採集模塊，利用該三相電參數快速採集模塊能夠實時採集三相電中每相電的電流有效值、電壓有效值、功率因數、有功功率、無功功率，以及三相電總的有功功率、無功功率、視在功率、有功電能、無功電能，採集到的數據可通過RS-485總線向外傳輸。
[0006]本發明採用以下技術方案解決上述技術問題的:一種三相電參數快速採集模塊，包括電源電路、電參數輸入電路、電參數處理電路、單片機工作電路、信號隔離電路及RS-485通信電路，電源電路分別與電參數輸入電路、電參數處理電路、單片機工作電路、信號隔離電路、RS-485通信電路相連接；電參數處理電路與電參數輸入電路、信號隔離電路相連接；單片機工作電路與信號隔離電路、RS-485通信電路相連接。
[0007]具體的，所述的電源電路包括電源晶片V1、V3、電源模塊V2、電感L1、L2、電容Cl?C9、電阻Rl?R3、發光二極體LED1、LED2、二極體Dl?D3、電源輸入接口 Jl ；
[0008]Jl為24V電源輸入接口，Jl的24V電源正極輸入端接Dl的正極，Jl的24V電源負極輸入端為三相電參數快速採集模塊的一個地(GND2)，該腳(GND2)與電容Cl的負極、電容C2的負極、電源晶片Vl的3腳和5腳、二極體D2的正極、電容C3的負極、發光二極體LEDl的負極相連接，二極體Dl的負極與電容Cl的正極、電容C2的正極、電源晶片Vl的I腳相連接，電源晶片Vl的2腳與二極體D2的負極相連，並通過電感LI與電源晶片Vl的4腳、電容C3的正極、電阻Rl的一端相連接，Rl的另一端與發光二極體LEDl的正極相連接，電源晶片Vl的4腳為第一組3.3V電源(3.3-MCU)輸出端；
[0009]電源模塊V2的I腳通過電阻R2與電容C2的正極相連，電源模塊V2的2腳接地GND2,電源模塊V2的3腳為-15V電源輸出端，該腳與電容C5的負極和電容C4的一端相連接，電源模塊V2的4腳為三相電參數快速採集模塊的另一個地(八6冊1)，該腳與電容05的正極、電容C4的另一端、電容C6的負極、電容C7的一端相連接，電源模塊V2的5腳為+15V電源輸出端，該腳與電容C6的正極和電容C7的另一端相連接；
[0010]電源晶片V3的I腳和電容CS的正極相連後，與電源模塊V2的5腳相連接，電源晶片V3的3腳和5腳相連後，與電源模塊V2的4腳、電容C8的負極、二極體D3的正極、電容C9的負極、發光二極體LED2的負極相連，電源晶片V3的2腳與二極體D3的負極相連，並通過電感L2與電源晶片V3的4腳、電容C9的正極、電阻R3的一端相連接，R3的另一端與發光二極體LED2的正極相連接，電源晶片V3的4腳為第二組3.3V電源(3.3-2)輸出端；
[0011]電源晶片Vl的4腳與單片機工作電路中單片機U2的3腳、13腳、30腳、48腳及仿真器接口 J4的I腳相連接，電源晶片Vl的4腳與信號隔離電路中數字隔離晶片U3的I腳及數字隔離晶片U4的16腳相連接，電源晶片Vl的4腳與信號隔離電路中電容C34、C35的一端相連接，電源晶片Vl的4腳與RS-485通信電路中RS-485晶片U5的8腳及電阻R37的一端相連接。
[0012]具體的，所述的電參數輸入電路包括電流傳感器TA、TB、TC、電阻R3?R22、電容ClO?C19、磁珠El?E10、電壓輸入接口 J2、J3 ;
[0013]電流傳感器TA的I腳和2腳分別接+15V電源和-15V電源，TA的3腳通過電阻R4接地AGNDl，並通過磁珠El與電阻R5的一端相連接，R5的另一端通過電容ClO接地AGND1，並與電參數處理電路的7腳相連接，磁珠E2的一端接地AGNDl，另一端與電阻R6的一端相連接，R6的另一端通過電容Cll接地AGNDl，並與電參數處理電路的8腳相連接；
[0014]電流傳感器TB的I腳和2腳分別接+15V電源和-15V電源，TB的3腳通過電阻R7接地AGNDl，並通過磁珠E3與電阻R8的一端相連接，R8的另一端通過電容Cl2接地AGNDl，並與電參數處理電路的9腳相連接，磁珠E4的一端接地AGNDl，另一端與電阻R9的一端相連接，R9的另一端通過電容C13接地AGNDl，並與電參數處理電路的12腳相連接；
[0015]電流傳感器TC的I腳和2腳分別接+15V電源和-15V電源，TC的3腳通過電阻RlO接地AGNDl，並通過磁珠E5與電阻RlI的一端相連接，Rll的另一端通過電容C14接地AGND1，並與電參數處理電路的13腳相連接，磁珠E6的一端接地AGND1，另一端與電阻R12的一端相連接，R12的另一端通過電容C15接地AGNDl，並與電參數處理電路的14腳相連接；
[0016]電壓輸入接口 J2的一端通過磁珠E7與電阻R13的一端相連接，R13的另一端通過電阻RH與電參數處理電路的23腳相連接，R15和C16並聯，兩者的一個公共端與電參數處理電路的23腳相連接，另一個公共端接地AGND1，電壓輸入接口 J2的另一端通過磁珠E8接電阻R16的一端，R16的另一端通過電阻R17與電參數處理電路的22腳相連接，R18和C17並聯，兩者的一個公共端與電參數處理電路的22腳相連接，另一個公共端接地AGNDl ；
[0017]電壓輸入接口 J3的一端通過磁珠E9與電阻R19的一端相連接，R19的另一端通過電阻R20與電參數處理電路的19腳相連接，R21和C18並聯，兩者的一個公共端與電參數處理電路的19腳相連接，另一個公共端接地AGND1，電壓輸入接口 J3的另一端通過磁珠ElO接電阻R22的一端，R22的另一端與電參數處理電路的18腳相連接，並通過電容C19接地 AGM)I。
[0018]具體的，所述的電參數處理電路包括電量檢測晶片U1、電容C20?C31、電阻R23?R31、場效應管Ql?Q3、發光二極體LED3?LED5、晶振Yl ；
[0019]電量檢測晶片Ul的5腳與電容C22的一端和電容C23的正極相連接，電容C22的另一端和電容C23的負極相連接後接地DGNDl，電量檢測晶片Ul的24腳與電容C20的一端和電容C21的正極相連接，電容C20的另一端和電容C21的負極相連接後接地AGNDl，電量檢測晶片Ul的26腳與電容C24的一端和電容C25的正極相連接，電容C24的另一端和電容C25的負極相連接後接地AGNDl，電量檢測晶片Ul的17腳與電容C26的一端和電容C27的正極相連接，電容C26的另一端和電容C27的負極相連接後接地AGNDl，電量檢測晶片Ul的28腳通過電容C28接地AGNDI，電量檢測晶片Ul的27腳通過電容C29接地AGNDl，並通過晶振Yl與電量檢測晶片Ul的28腳相連接，電量檢測晶片Ul的I腳、10腳、11腳、20腳、6腳均接地DGNDl ；電量檢測晶片Ul的26腳通過電阻R308與電源電路中電源晶片V3的4腳(第二組3.3V電源3.3-2)相連接；
[0020]電量檢測晶片Ul的21腳、30腳、31腳、40腳、41腳、25腳相連後均接地AGNDl，Ul的33腳與電阻R23的一端及場效應管Ql的I腳相連接，場效應管Ql的3腳通過電阻R26與發光二極體LED3的正極相連接，LED3的負極接地DGND1，電量檢測晶片Ul的21腳、30腳、31腳、40腳、41腳、25腳相連後均接地AGND1，Ul的34腳與電阻R24的一端及場效應管Q2的I腳相連接，場效應管Q2的3腳通過電阻R27與發光二極體LED4的正極相連接，LED4的負極接地DGNDI,電量檢測晶片Ul的15腳、16腳、21腳、30腳、31腳、40腳、41腳、25腳相連後均接地AGND1，Ul的35腳與電阻R25的一端及場效應管Q3的I腳相連接，場效應管Q3的3腳通過電阻R28與發光二極體LED5的正極相連接，LED5的負極接地DGND1，電阻R23的另一端、電阻R24的另一端、電阻R25的另一端、場效應管Ql的2腳、場效應管Q2的2腳、場效應管Q3的2腳、電容C31的正極、電容C30的一端相連接後與通過電阻R31與電源電路中電源晶片V3的4腳(第二組3.3V電源3.3-2)相連接，電容C31的負極、電容C30的另一端相連後接地DGNDlJi DGNDl通過電阻R29與地AGNDl相連接；
[0021]電量檢測晶片Ul的3腳、4腳、29腳、32腳分別與信號隔離電路中數字隔離晶片U4的5腳、6腳、3腳、4腳相連接，電量檢測晶片Ul的36腳、37腳、38腳、39腳分別與信號隔離電路中數字隔離晶片U3的5腳、11腳、3腳、4腳相連接13腳、12腳、11腳、14腳相連接。
[0022]具體的，所述的單片機工作電路包括單片機U2、仿真器接口 J4、晶振Y2、電阻R32、電容 C32、C33 ；
[0023]單片機U2的32腳通過電阻R32與單片機U2的33腳相連接，單片機U2的32腳通過電容C32接地GND2，並與晶振Y2的3腳相連接，晶振Y2的I腳與單片機U2的33腳相連接，並通過電容C33接地GND2，晶振Y2的2腳、4腳接地GND2，單片機U2的22腳、25腳、34腳分別與仿真器接口 J4的4腳、2腳、10腳相連接；
[0024]單片機U2的49?52腳分別與信號隔離電路中數字隔離晶片U3的3?6腳相連接，單片機U2的I腳、2腳分別與RS-485通信電路中RS-485晶片U5的I腳、4腳相連接，單片機U2的9腳與RS-485通信電路中RS-485晶片U5的2腳、3腳相連接。
[0025]具體的，所述的信號隔離電路包括數字隔離晶片U3、U4、電阻R33?R36、電容C34 ?C37 ；
[0026]數字隔離晶片U3的I腳通過電阻R33接U3的7腳，並與電源電路中電源晶片Vl的4腳(3.3-MCU)相連接，數字隔離晶片U3的2腳和8腳相連接後接地GND2，數字隔離晶片U3的9腳和15腳相連接後接地DGNDl，數字隔離晶片U3的16腳通過電阻R34與U3的10腳相連接，並與電參數處理電路中電阻R31的一端(VDD2)相連接；
[0027]數字隔離晶片U4的I腳通過電阻R35接U4的7腳，並與電參數處理電路中電阻R31的一端(VDD2)相連接，數字隔離晶片U4的2腳和8腳相連接後接地DGNDl，數字隔離晶片U4的9腳和15腳相連接後接地GND2，數字隔離晶片U4的16腳通過電阻R36與U4的10腳相連接，並與電源電路中電源晶片Vl的4腳(3.3-MCU)相連接；
[0028]電容C34和電容C35並聯，其中一個公共端接數字隔離晶片U3的I腳，另一個公共端接地GND2，電容C36和電容C37並聯，其中一個公共端接數字隔離晶片U3的16腳，另一個公共端接地DGNDl。
[0029]具體的，所述的RS-485通信電路包括RS-485晶片U5、電阻R37?R42、雙向二極體D4?D6、RS-485通信接口 J5 ；
[0030]RS-485晶片U5的2腳、3腳相連接後通過電阻R41接地，RS-485晶片U5的8腳通過電阻R37與RS-485晶片U5的7腳相連接，RS-485晶片U5的5腳通過電阻R40與RS-485晶片U5的6腳相連接，RS-485晶片U5的6腳通過雙向二極體D5接地GND2，並通過R39接RS-485通信接口 J5的一端，通信接口 J5的另一端通過電阻R38與RS-485晶片U5的7腳相連接，電阻R38通過電阻R42與電阻R39相連接，RS-485晶片U5的7腳通過雙向二極體D4接地GND2，RS-485晶片U5的7腳通過雙向二極體D6與RS-485晶片U5的6腳相連接，U5的8腳與電源電路中電源晶片Vl的4腳(3.3-MCU)相連接。
[0031]本發明的三相電參數採集模塊具有的有益效果是:
[0032]1、快速採集每相電的電流有效值、電壓有效值、功率因數、有功功率、無功功率、有功電能、無功電能；
[0033]2、快速採集三相電的總的有功功率、無功功率、有功電能、無功電能；
[0034]3、採集到的所有數據可通過RS-485總線進行傳輸，符合MODBUS通訊協議；
[0035]4、兼容三相三線或三相四線等接線方式。【專利附圖】
【附圖說明】
[0036]圖1是本發明的總體結構框圖。
[0037]圖2是本發明的電源電路圖。
[0038]圖3是本發明的電參數輸入電路圖。
[0039]圖4是本發明的電參數處理電路。
[0040]圖5是本發明的單片機工作電路。
[0041]圖6是本發明的信號隔離電路。
[0042]圖7是本發明的RS-485通信電路。
【具體實施方式】
[0043]為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。
[0044]圖1是本發明總體結構框圖。本發明三相電參數快速採集模塊包括電源電路、電參數輸入電路、電參數處理電路、單片機工作電路、信號隔離電路及RS-485通信電路。電源電路分別與電參數輸入電路、電參數處理電路、單片機工作電路、信號隔離電路、RS-485通信電路相連接；電參數處理電路與電參數輸入電路、信號隔離電路依序連接；單片機工作電路與信號隔離電路、RS-485通信電路相連接。
[0045]圖2是本發明的電源電路圖，並請同時參閱圖3至圖7。Jl為24V電源輸入接口，Jl的24V電源正極輸入端接二極體Dl的正極，Jl的24V電源負極輸入端為三相電參數快速採集模塊的一個地腳(GND2)，該地腳(GND2)與電容Cl的負極、電容C2的負極、電源晶片Vl的3腳和5腳、二極體D2的正極、電容C3的負極、發光二極體LEDl的負極相連接，二極體Dl的負極與電容Cl的正極、電容C2的正極、電源晶片Vl的I腳相連接，電源晶片Vl的2腳與二極體D2的負極相連，並通過電感LI與電源晶片Vl的4腳、電容C3的正極、電阻Rl的一端相連接，Rl的另一端與發光二極體LEDl的正極相連接，電源晶片Vl的4腳為第一組3.3V電源(3.3-MCU)輸出端；
[0046]電源模塊V2的I腳通過電阻R2與電容C2的正極相連，電源模塊V2的2腳接地GND2,電源模塊V2的3腳為-15V電源輸出端，該腳與電容C5的負極和電容C4的一端相連接，電源模塊V2的4腳為三相電參數快速採集模塊的另一個地腳(AGND1)，該地腳與電容C5的正極、電容C4的另一端、電容C6的負極、電容C7的一端相連接，電源模塊V2的5腳為+15V電源輸出端，該腳與電容C6的正極和電容C7的另一端相連接；
[0047]電源晶片V3的I腳和電容CS的正極相連後，與電源模塊V2的5腳相連接，電源晶片V3的3腳和5腳相連後，與電源模塊V2的4腳、電容C8的負極、二極體D3的正極、電容C9的負極、發光二極體LED2的負極相連，電源晶片V3的2腳與二極體D3的負極相連，並通過電感L2與電源晶片V3的4腳、電容C9的正極、電阻R3的一端相連接，R3的另一端與發光二極體LED2的正極相連接，電源晶片V3的4腳為第二組3.3V電源(3.3-2)輸出端；
[0048]電源晶片Vl的4腳與單片機工作電路中單片機U2的3腳、13腳、30腳、48腳及仿真器接口 J4的I腳相連接，電源晶片Vl的4腳與信號隔離電路中數字隔離晶片U3的I腳及數字隔離晶片U4的16腳相連接，電源晶片Vl的4腳與信號隔離電路中電容C34、C35的一端相連接，電源晶片Vl的4腳與RS-485通信電路中RS-485晶片U5的8腳及電阻R37
的一端相連接。
[0049]在一個示例中，電源晶片V1、V3是LM2575-3.3，電源模塊V2是輸入端和輸出端相互隔離的電源模塊，在一個示例中為WRD24D15-10W。
[0050]圖3是本發明的電參數輸入電路圖，並請同時參閱圖4。電流傳感器TA的I腳和2腳分別接+15V電源和-15V電源，TA的3腳通過電阻R4接地AGNDl，並通過磁珠El與電阻R5的一端相連接，R5的另一端通過電容ClO接地AGNDl，並與電參數處理電路的7腳相連接，磁珠E2的一端接地AGNDl，另一端與電阻R6的一端相連接，R6的另一端通過電容Cll接地AGNDl，並與電參數處理電路的8腳相連接；
[0051]電流傳感器TB的I腳和2腳分別接+15V電源和-15V電源，TB的3腳通過電阻R7接地AGNDl，並通過磁珠E3與電阻R8的一端相連接，R8的另一端通過電容Cl2接地AGNDl，並與電參數處理電路的9腳相連接，磁珠E4的一端接地AGNDl，另一端與電阻R9的一端相連接，R9的另一端通過電容C13接地AGND1，並與電參數處理電路的12腳相連接；
[0052]電流傳感器TC的I腳和2腳分別接+15V電源和-15V電源，TC的3腳通過電阻RlO接地AGNDl，並通過磁珠E5與電阻RlI的一端相連接，Rll的另一端通過電容C14接地AGND1，並與電參數處理電路的13腳相連接，磁珠E6的一端接地AGND1，另一端與電阻R12的一端相連接，R12的另一端通過電容C15接地AGND1，並與電參數處理電路的14腳相連接；
[0053]電壓輸入接口 J2的一端通過磁珠E7與電阻R13的一端相連接，R13的另一端通過電阻RH與電參數處理電路的23腳相連接，R15和C16並聯，兩者的一個公共端與電參數處理電路的23腳相連接，另一個公共端接地AGND1，電壓輸入接口 J2的另一端通過磁珠E8接電阻R16的一端，R16的另一端通過電阻R17與電參數處理電路的22腳相連接，R18和C17並聯，兩者的一個公共端與電參數處理電路的22腳相連接，另一個公共端接地AGNDl ；
[0054]電壓輸入接口 J3的一端通過磁珠E9與電阻R19的一端相連接，R19的另一端通過電阻R20與電參數處理電路的19腳相連接，R21和C18並聯，兩者的一個公共端與電參數處理電路的19腳相連接，另一個公共端接地AGND1，電壓輸入接口 J3的另一端通過磁珠ElO接電阻R22的一端，R22的另一端與電參數處理電路的18腳相連接，並通過電容C19接地 AGM)I。
[0055]在一個示例中，TA、TB、TC是 LA125-P。
[0056]圖4是本發明的電參數處理電路。電量檢測晶片Ul的5腳與電容C22的一端和電容C23的正極相連接，電容C22的另一端和電容C23的負極相連接後接地DGNDl，電量檢測晶片Ul的24腳與電容C20的一端和電容C21的正極相連接，電容C20的另一端和電容C21的負極相連接後接地AGNDl，電量檢測晶片Ul的26腳與電容C24的一端和電容C25的正極相連接，電容C24的另一端和電容C25的負極相連接後接地AGNDl，電量檢測晶片Ul的17腳與電容C26的一端和電容C27的正極相連接，電容C26的另一端和電容C27的負極相連接後接地AGND1，電量檢測晶片Ul的28腳通過電容C28接地AGND1，電量檢測晶片Ul的27腳通過電容C29接地AGNDl，並通過晶振Yl與電量檢測晶片Ul的28腳相連接，電量檢測晶片Ul的I腳、10腳、11腳、20腳、6腳均接地DGNDl ;電量檢測晶片Ul的26腳通過電阻R30與電源電路中電源晶片V3的4腳(第二組3.3V電源3.3-2)相連接。[0057]電量檢測晶片Ul的15腳、16腳、21腳、30腳、31腳、40腳、41腳、25腳相連後均接地AGNDl，Ul的33腳與電阻R23的一端及場效應管Ql的I腳相連接，場效應管Ql的3腳通過電阻R26與發光二極體LED3的正極相連接，LED3的負極接地DGND1，Ul的34腳與電阻R24的一端及場效應管Q2的I腳相連接，場效應管Q2的3腳通過電阻R27與發光二極體LED4的正極相連接，LED4的負極接地DGNDl，Ul的35腳與電阻R25的一端及場效應管Q3的I腳相連接，場效應管Q3的3腳通過電阻R28與發光二極體LED5的正極相連接，LED5的負極接地DGNDl，電阻R23的另一端、電阻R24的另一端、電阻R25的另一端、場效應管Ql的2腳、場效應管Q2的2腳、場效應管Q3的2腳、電容C31的正極、電容C30的一端相連接後通過電阻R31與電源電路中電源晶片V3的4腳(第二組3.3V電源3.3-2)相連接，電容C31的負極、電容C30的另一端相連後接地DGNDUi DGNDl通過電阻R29與地AGNDl相連接;
[0058]同時參閱圖6，電量檢測晶片Ul的3腳、4腳、29腳、32腳分別與信號隔離電路中數字隔離晶片U4的5腳、6腳、3腳、4腳相連接，電量檢測晶片Ul的36腳、37腳、38腳、39腳分別與信號隔離電路中數字隔離晶片U3的5腳、11腳、3腳、4腳相連接13腳、12腳、11腳、14腳相連接。
[0059]在一個示例中Ul 是 ADE7878ACPZ。
[0060]圖5是本發明的單片機工作電路。單片機U2的32腳通過電阻R32與單片機U2的33腳相連接，單片機U2的32腳通過電容C32接地GND2，並與晶振Y2的3腳相連接，晶振Y2的I腳與單片機U2的33腳相連接，並通過電容C33接地GND2，晶振Y2的2腳、4腳接地GND2，單片機U2的22腳、25腳、34腳分別與仿真器接口 J4的4腳、2腳、10腳相連接；
[0061]單片機U2的49?52腳分別與信號隔離電路中數字隔離晶片U3的3?6腳相連接，單片機U2的I腳、2腳分別與RS-485通信電路中RS-485晶片U5的I腳、4腳相連接，單片機U2的9腳與RS-485通信電路中RS-485晶片U5的2腳、3腳相連接。
[0062]在一個示例中，U2是 MKL25Z128VLH4。
[0063]圖6是本發明的信號隔離電路。數字隔離晶片U3的I腳通過電阻R33接U3的7腳，並與電源電路中電源晶片Vl的4腳(3.3-MCU)相連接，數字隔離晶片U3的2腳和8腳相連接後接地GND2，數字隔離晶片U3的9腳和15腳相連接後接地DGNDl，數字隔離晶片U3的16腳通過電阻R34與U3的10腳相連接，並與電參數處理電路中電阻R31的一端(VDD2)相連接；
[0064]數字隔離晶片U4的I腳通過電阻R35接U4的7腳，並與電參數處理電路中電阻R31的一端(VDD2)相連接，數字隔離晶片U4的2腳和8腳相連接後接地DGNDl，數字隔離晶片U4的9腳和15腳相連接後接地GND2，數字隔離晶片U4的16腳通過電阻R36與U4的10腳相連接，並與電源電路中電源晶片Vl的4腳(3.3-MCU)相連接；
[0065]電容C34和電容C35並聯，其中一個公共端接數字隔離晶片U3的I腳，另一個公共端接地GND2，電容C36和電容C37並聯，其中一個公共端接數字隔離晶片U3的16腳，另一個公共端接地DGNDl。
[0066]在一個示例中，U3、U4是 ADUM1401BRWZ。
[0067]圖7是本發明的RS-485通信電路。RS-485晶片U5的2腳、3腳相連接後通過電阻R41接地，RS-485晶片U5的8腳通過電阻R37與RS-485晶片U5的7腳相連接，RS-485晶片U5的5腳通過電阻R40與RS-485晶片U5的6腳相連接，RS-485晶片U5的6腳通過雙向二極體D5接地GND2，並通過R39接RS-485通信接口 J5的一端，通信接口 J5的另一端通過電阻R38與RS-485晶片U5的7腳相連接，電阻R38通過電阻R42與電阻R39相連接，RS-485晶片U5的7腳通過雙向二極體D4接地GND2，RS-485晶片U5的7腳通過雙向二極體D6與RS-485晶片U5的6腳相連接，U5的8腳與電源電路中電源晶片Vl的4腳(3.3-MCU)相連接。
[0068]在一個示例中，U5是 MAX3485ESA，D4 ?D6 是 P6KE6.8CA。
[0069]本發明的三相電參數採集模塊工作過程如下:電源電路為三相電參數採集模塊提供各個採集電路工作所需要的電源，分別是±15V電源及兩組不共地的3.3V電源。該三相電參數採集模塊可同時採集三相電的電流值，各相採集原理一致，以A相採樣電路進行說明。電力線由電流傳感器TA的監測孔中穿過，TA的3腳為檢測電流輸出端，其輸出電流為電力線電流的1/2000 ;電阻R4將檢測到的電流轉換為電壓信號；磁珠E1、E2用於濾去線路上的高頻幹擾；電阻R5、電容ClO組成轉折頻率約為5kHz的抗混疊網絡，以提高採樣精度；電阻R5和電容ClO的公共端(IAP)、電阻R6、電容Cll的公共端(IAN)為將A相電流信號輸入到電量檢測晶片U1。該三相電參數採集模塊可同時採集三相電的電壓值，各相採集原理一致，以A相電壓採用電路進行說明。A相電由電壓輸入接口 J2的一端(VAP_IN)輸入，磁珠E3用於濾去線路上的高頻噪聲，電阻R13?R15組成採樣分壓網絡，經分壓後的交流電由電阻R14、R15的公共端(VAP)輸入電量檢測晶片Ul，C17為旁路電容，濾去高頻噪聲。電壓輸入接口 J3的一端(VN_IN)為零線電壓輸入端，磁珠E10、電阻R22、電容C19組成濾波電路，零線經濾波電路濾波後，由電阻R22、電容C19的公共端輸入電量檢測晶片U1，從而為各相電壓提供參考電位。
[0070]各相電流、電壓信號輸入到電參數處理電路，由電量檢測晶片Ul進行運算，得到各相電的電流有效值、電壓有效值、功率因數、有功功率、無功功率，以及三相電總的有功功率、無功功率、視在功率、有功電能、無功電能。發光二極體LED3?LED5由電量檢測晶片Ul的33?35腳控制，可用於現場調試的指示，以及根據用戶需要設定閃爍報警。電量檢測晶片Ul的輸入和輸出分別為模擬信號和數位訊號，因此採用了數字地(DGNDl)和模擬地(AGNDl)分開的接法，數字地(DGND1)和模擬地(AGND1)最終將通過I個O歐的電阻R29接至一處。電量檢測晶片Ul的36?39腳為SPI通信腳，需與單片機U2進行通信，從而通過單片機U2對電路檢測晶片Ul進行配置以及數據讀取。但是為了由於電量檢測晶片Ul的地(DGND1和AGND1)與三相電的零線在同一電位上，因此為了保護單片機U2及後續傳輸電路，在於單片機U2與電量檢測晶片Ul之間增加了數字隔離晶片U3、U4，從而實現電量檢測晶片Ul和單片機U2的通信隔離。
[0071]單片機U2將通過SPI通信由電量檢測晶片Ul獲取電參數，並在內部進行暫存，在用戶需要的時候通過RS-485總線將數據傳輸出去。雙向二極體D4?D6用於保護RS485晶片U5不被線路上的過壓所損壞，上拉電阻R37、下拉電阻R40保證RS485晶片U5處於總線空閒狀態時，防止接收器輸出未定義狀態。電阻R38、R39為限流電阻，作用是在接收器被擊穿後，能夠保護總線，防止影響其他晶片的通信。下拉電阻R41保證單片機U2處於上電狀態時，RS485晶片U5處於接收狀態，防止其輸出隨機數，破壞總線通信。
【權利要求】
1.一種三相電參數快速米集模塊，其特徵在於:包括電源電路、電參數輸入電路、電參數處理電路、單片機工作電路、信號隔離電路及RS-485通信電路，電源電路分別與電參數輸入電路、電參數處理電路、單片機工作電路、信號隔離電路、RS-485通信電路相連接；電參數處理電路與電參數輸入電路、信號隔離電路相連接；單片機工作電路與信號隔離電路、RS-485通信電路相連接。
2.如權利要求1所述的三相電參數快速採集模塊，其特徵在於:所述的電參數輸入電路包括電流傳感器TA、TB、TC、電阻R3~R22、電容ClO~C19、磁珠El~E10、電壓輸入接口 J2、J3 ； 電流傳感器TA的I腳和2腳分別接+15V電源和-15V電源，TA的3腳通過電阻R4接地AGNDl，並通過磁珠El與電阻R5的一端相連接，R5的另一端通過電容ClO接地AGNDl，並與電參數處理電路的7腳相連接，磁珠E2的一端接地AGND1，另一端與電阻R6的一端相連接，R6的另一端通過電容Cll接地AGND1，並與電參數處理電路的電量檢測晶片Ul的8腳相連接； 電流傳感器TB的I腳和2腳分別接+15V電源和-15V電源，TB的3腳通過電阻R7接地AGNDl，並通過磁珠E3與電阻R8的一端相連接，R8的另一端通過電容C12接地AGNDl，並與電參數處理電路的電量檢測晶片Ul的9腳相連接，磁珠E4的一端接地AGND1，另一端與電阻R9的一端相連接，R9的另一端通過電容C13接地AGNDl，並與電參數處理電路的電量檢測晶片Ul的12腳相連接； 電流傳感器TC的I腳和2腳分別接+15V電源和-15V電源，TC的3腳通過電阻RlO接地AGNDl，並通過磁珠E5與電阻RlI的一端相連接，Rll的另一端通過電容C14接地AGND1，並與電參數處理電路的電量檢測晶片Ul的13腳相連接，磁珠E6的一端接地AGNDl，另一端與電阻R12的一端相連接，R12的另一端通過電容C15接地AGND1，並與電參數處理電路的電量檢測晶片Ul的14腳相連接`； 電壓輸入接口 J2的一端通過磁珠E7與電阻R13的一端相連接，R13的另一端通過電阻RH與電參數處理電路的電量檢測晶片Ul的23腳相連接，R15和C16並聯，兩者的一個公共端與電參數處理電路的23腳相連接，另一個公共端接地AGNDl，電壓輸入接口 J2的另一端通過磁珠E8接電阻R16的一端,R16的另一端通過電阻R17與電參數處理電路的電量檢測晶片Ul的22腳相連接，R18和C17並聯，兩者的一個公共端與電參數處理電路電量檢測晶片Ul的的22腳相連接，另一個公共端接地AGNDl ； 電壓輸入接口 J3的一端通過磁珠E9與電阻R19的一端相連接，R19的另一端通過電阻R20與電參數處理電路的電量檢測晶片Ul的19腳相連接，R21和C18並聯，兩者的一個公共端與電參數處理電路的電量檢測晶片Ul的19腳相連接，另一個公共端接地AGNDl，電壓輸入接口 J3的另一端通過磁珠ElO接電阻R22的一端，R22的另一端與電參數處理電路的電量檢測晶片Ul的18腳相連接，並通過電容C19接地AGNDl。
3.如權利要求2所述的三相電參數快速採集模塊，其特徵在於:所述的電參數處理電路包括電量檢測晶片U1、電容C20~C31、電阻R23~R31、場效應管Ql~Q3、發光二極體LED3 ~LED5、晶振 Yl ； 電量檢測晶片Ul的5腳與電容C22的一端和電容C23的正極相連接，電容C22的另一端和電容C23的負極相連接後接地DGND1，電量檢測晶片Ul的24腳與電容C20的一端和電容C21的正極相連接，電容C20的另一端和電容C21的負極相連接後接地AGNDl，電量檢測晶片Ul的26腳與電容C24的一端和電容C25的正極相連接，電容C24的另一端和電容C25的負極相連接後接地AGNDl，電量檢測晶片Ul的17腳與電容C26的一端和電容C27的正極相連接，電容C26的另一端和電容C27的負極相連接後接地AGNDl，電量檢測晶片Ul的28腳通過電容C28接地AGNDI，電量檢測晶片Ul的27腳通過電容C29接地AGNDl，並通過晶振Yl與電量檢測晶片Ul的28腳相連接，電量檢測晶片Ul的I腳、10腳、11腳、20腳、6腳均接地DGNDl ；電量檢測晶片Ul的26腳通過電阻R308與電源電路中電源晶片V3的4腳(第二組3.3V電源3.3-2)相連接； 電量檢測晶片Ul的15腳、16腳、21腳、30腳、31腳、40腳、41腳、25腳相連後均接地AGNDl，Ul的33腳與電阻R23的一端及場效應管Ql的I腳相連接，場效應管Ql的3腳通過電阻R26與發光二極體LED3的正極相連接，LED3的負極接地DGNDl，Ul的34腳與電阻R24的一端及場效應管Q2的I腳相連接，場效應管Q2的3腳通過電阻R27與發光二極體LED4的正極相連接，LED4的負極接地DGNDl，Ul的35腳與電阻R25的一端及場效應管Q3的I腳相連接，場效應管Q3的3腳通過電阻R28與發光二極體LED5的正極相連接，LED5的負極接地DGNDl，電阻R23的另一端、電阻R24的另一端、電阻R25的另一端、場效應管Ql的2腳、場效應管Q2的2腳、場效應管Q3的2腳、電容C31的正極、電容C30的一端相連接後與通過電阻R31與電源電路中電源晶片V3的4腳相連接，電容C31的負極、電容C30的另一端相連後接地DGNDUi DGNDl通過電阻R29與地AGNDl相連接； 電量檢測晶片Ul的3腳、4腳、29腳、32腳分別與信號隔離電路中數字隔離晶片U4的5腳、6腳、3腳、4腳相連接，電量檢測晶片Ul的36腳、37腳、38腳、39腳分別與信號隔離電路中數字隔離晶片U3的5腳、11腳、3腳、4腳相連接13腳、12腳、11腳、14腳相連接。
4.如權利要求3所述的三相電參數快速採集模塊，其特徵在於:所述的單片機工作電路包括單片機U2、仿真器接口 J4、晶振Y2、電阻R32、電容C32、C33 ； 單片機U2的32腳通過電阻R32與單片機U2的33腳相連接，單片機U2的32腳通過電容C32接地GND2，並與晶振Y 2的3腳相連接，晶振Y2的I腳與單片機U2的33腳相連接，並通過電容C33接地GND2，晶振Y2的2腳、4腳接地GND2，單片機U2的22腳、25腳、34腳分別與仿真器接口 J4的4腳、2腳、10腳相連接； 單片機U2的49~52腳分別與信號隔離電路中數字隔離晶片U3的3~6腳相連接，單片機U2的I腳、2腳分別與RS-485通信電路中RS-485晶片U5的I腳、4腳相連接，單片機U2的9腳與RS-485通信電路中RS-485晶片U5的2腳、3腳相連接。
5.如權利要求4所述的三相電參數快速採集模塊，其特徵在於:所述的信號隔離電路包括數字隔離晶片U3、U4、電阻R33~R36、電容C34~C37 ； 數字隔離晶片U3的I腳通過電阻R33接U3的7腳，並與電源電路中電源晶片Vl的4腳相連接，數字隔離晶片U3的2腳和8腳相連接後接地GND2，數字隔離晶片U3的9腳和15腳相連接後接地DGNDl，數字隔離晶片U3的16腳通過電阻R34與U3的10腳相連接，並與電參數處理電路中電阻R31的一端(VDD2)相連接； 數字隔離晶片U4的I腳通過電阻R35接U4的7腳，並與電參數處理電路中電阻R31的一端(VDD2)相連接，數字隔離晶片U4的2腳和8腳相連接後接地DGND1，數字隔離晶片U4的9腳和15腳相連接後接地GND2，數字隔離晶片U4的16腳通過電阻R36與U4的10腳相連接，並與電源電路中電源晶片Vl的4腳相連接； 電容C34和電容C35並聯，其中一個公共端接數字隔離晶片U3的I腳，另一個公共端接地GND2，電容C36和電容C37並聯，其中一個公共端接數字隔離晶片U3的16腳，另一個公共端接地DGNDl。
6.如權利要求5所述的三相電參數快速採集模塊，其特徵在於:所述的RS-485通信電路包括RS-485晶片U5、電阻R37~R42、雙向二極體D4~D6、RS-485通信接口 J5 ； RS-485晶片U5的2腳、3腳相連接後通過電阻R41接地，RS-485晶片U5的8腳通過電阻R37與RS-485晶片U5的7腳相連接，RS-485晶片U5的5腳通過電阻R40與RS-485晶片U5的6腳相連接，RS-485晶片U5的6腳通過雙向二極體D5接地GND2，並通過R39接RS-485通信接口 J5的一端，通信接口 J5的另一端通過電阻R38與RS-485晶片U5的7腳相連接，電阻R38通過電阻R42與電阻R39相連接，RS-485晶片U5的7腳通過雙向二極體D4接地GND2，RS-485晶片U5的7腳通過雙向二極體D6與RS-485晶片U5的6腳相連接，U5的8腳與電源電路中電源晶片Vl的4腳相連接。
7.如權利要求1至6任一項所述的三相電參數快速採集模塊，其特徵在於:所述的電源電路包括電源晶片V1、V3、電源模塊V2、電感L1、L2、電容Cl~C9、電阻Rl~R3、發光二極體LED1、LED2、二極體Dl~D3、電源輸入接口 Jl ； Jl為24V電源輸入接口，Jl的24V電源正極輸入端接Dl的正極，Jl的24V電源負極輸入端為三相電參數快速採集模塊的一個地腳GND2，該地腳GND2與電容Cl的負極、電容C2的負極、電源晶片Vl的3腳和5腳、二極體D2的正極、電容C3的負極、發光二極體LEDl的負極相連接，二極體Dl的負極與電容Cl的正極、電容C2的正極、電源晶片Vl的I腳相連接，電源晶片Vl的2腳與二極體D2的負極相連，並通過電感LI與電源晶片Vl的4腳、電容C3的正極、電阻Rl的一 端相連接，Rl的另一端與發光二極體LEDl的正極相連接，電源晶片Vl的4腳為第一組3.3V電源輸出端； 電源模塊V2的I腳通過電阻R2與電容C2的正極相連，電源模塊V2的2腳接地GND2，電源模塊V2的3腳為-15V電源輸出端，該腳與電容C5的負極和電容C4的一端相連接，電源模塊V2的4腳為三相電參數快速採集模塊的另一個地腳AGND1，該地腳與電容C5的正極、電容C4的另一端、電容C6的負極、電容C7的一端相連接，電源模塊V2的5腳為+15V電源輸出端，該腳與電容C6的正極和電容C7的另一端相連接； 電源晶片V3的I腳和電容C8的正極相連後，與電源模塊V2的5腳相連接，電源晶片V3的3腳和5腳相連後，與電源模塊V2的4腳、電容C8的負極、二極體D3的正極、電容C9的負極、發光二極體LED2的負極相連，電源晶片V3的2腳與二極體D3的負極相連，並通過電感L2與電源晶片V3的4腳、電容C9的正極、電阻R3的一端相連接，R3的另一端與發光二極體LED2的正極相連接，電源晶片V3的4腳為第二組3.3V電源輸出端； 電源晶片Vl的4腳與單片機工作電路中單片機U2的3腳、13腳、30腳、48腳及仿真器接口 J4的I腳相連接，電源晶片Vl的4腳與信號隔離電路中數字隔離晶片U3的I腳及數字隔離晶片U4的16腳相連接，電源晶片Vl的4腳與信號隔離電路中電容C34、C35的一端相連接，電源晶片Vl的4腳與RS-485通信電路中RS-485晶片U5的8腳及電阻R37的一端相連接。
【文檔編號】G01R31/00GK103630778SQ201310596873
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2013年11月22日 優先權日:2013年11月22日
【發明者】餘琳, 李臻, 李立, 潘玉靜, 郭芝源, 黃雙雙 申請人:中國電子科技集團公司第三十八研究所