傳統電測儀表一般用電磁式、磁電式指針儀表實現。數字儀表一般用專用模擬、數字電路實現。隨著超大規模集成電路的出現，特別是32位單片機的出現，使電測儀表朝著虛擬化的方向發展的速度越來越快。本文介紹用迪文DMG85480F050_01W觸摸屏實現多功能電參量綜合測試的實現方法，實際上完成了一臺虛擬儀表。只要測得瞬時電壓和瞬時電流，就可以通過單片機的高速計算得到單、三相電路的電壓有效值、電流有效值、有功功率、無功功率、視在功率、功率因數、電能消耗等相關電量參數。滿足各行各業對電參量測量的各種需求。

理論依據：

式中，u、i分別為電壓有效值和電流有效值，積分取工頻一個周期即可。

實現方法：

利用迪文DM85480_01W的強大功能，現在實現加減乘除四則運算，甚至開方都可以直接完成。

所以上述公式（4）~公式（7）都可以利用單片機直接計算得出。

但公式（1）~公式（3）則要利用數值積分公式轉換成求和公式，再發揮計算機的優勢求和算出。公式如下：

電壓有效值U=(1/n∑uk2)1/2

(k=1~n, n為采樣個數) （8）

電流有效值I=(1/n∑ik2)1/2

(k=1~n, n為采樣個數) （9）

有功功率P=1/n∑uk ik

(k=1~n, n為采樣個數) （10）

上式中uk、ik 為第k個采樣點的電壓、電流瞬時值，一個工頻周期采樣點個數為n。

具體實現：

當被測量為單相交流電路時，一般為一路220v電壓可設定300v電壓量程；一路電流根據取樣方法不同可以設為5A、10A、50A、100A、500A，1000A等不同量程。

當被測量為三相四線交流電路時，可以取相電壓ua、ub、uc和相電流ia、ib、ic利用上述公式算出所需參數。此時電壓一般為220v，可取300v電壓量程，電流量程同上。

此時測量公式如下：

電壓有效值Ua=(1/n∑uak2)1/2

(k=1~n, n為采樣個數) ………………………………………………（11）

電壓有效值Ub=(1/n∑ubk2)1/2

(k=1~n, n為采樣個數) ………………………………………………（12）

電壓有效值Uc=(1/n∑uck2)1/2

(k=1~n, n為采樣個數) ……………………………………………（13）

電流有效值Ia=(1/n∑iak2)1/2

(k=1~n, n為采樣個數) …………………………………………（14）

電流有效值Ib=(1/n∑ibk2)1/2

(k=1~n, n為采樣個數) ………………………………………（15）

電流有效值Ic=(1/n∑ick2)1/2

(k=1~n, n為采樣個數)

………………………………………（16）

有功功率P=1/n∑uakiak+1/n∑ubkibk+1/n∑uckick ………………………………………（17）

當被測量為三相三線交流電路時，根據兩瓦特計法，可以取線電壓uab、ucb、相電流ia、ic利用上述公式算出所需參數。此時電壓一般為380v，可取600v電壓量程，電流量程同上。

此時測量公式如下：

電壓有效值Uab=(1/n∑uabk2)1/2

(k=1~n, n為采樣個數) ……………………………………（18）

電壓有效值Ucb=(1/n∑ucbk2)1/2

(k=1~n, n為采樣個數) ……………………………………（19）

電流有效值Ia=(1/n∑iak2)1/2

(k=1~n, n為采樣個數) …………………………………………（20）

電流有效值Ic=(1/n∑ick2)1/2

(k=1~n, n為采樣個數) …………………………………………（21）

有功功率P=1/n∑uabkiak+1/n∑ucbkick …………………………………………（22）

由上可以看出，單相測量時，只需兩個測量通道；三相三線測量時，需要四個測量通道；三相四線測量時，需要六個測量通道。下面以六個測量通道為例確定采樣間隔。

工頻周期為20ms，工頻交流電三次諧波、五次諧波都比較豐富。

按照奈奎斯特采樣定理，取七次諧波，則每周期采樣點數不少于14點，取15點采樣點為例：

20÷15=1.3333ms

每周期采樣點數取15點，則ADC的轉換速度不能低于1.3ms。但迪文屏自帶的ADC由于是系統內部控制，用戶無法直接控制，造成轉換時間長達80ms。所以我們不得不另辟蹊徑，準備用國芯通用安全MCU 4201開發板結合迪文屏實現，

由上可知，每相電壓、電流原始采樣數據為15×2字節，三相四線電壓、電流原始采樣數據總共為90×2字節。

但MCU4201又沒有申請成功，因疫情隔離COF屏也不在身邊無法開發，現只能用上位機電腦模擬功能效果，等條件具備時再在迪文屏上具體實現。

如果使用12位~16位的ADC，如果不考慮鉗式電流互感器的誤差，虛擬儀表本身的精度等級估計能達到0.1級。

主要功能：

輸入功能：

電壓輸入：設兩檔：300v擋，600v擋。

電流輸入：可初步設五擋：5A擋，50A擋，100A擋，500A，1000A擋。

輸出功能：

可顯示電壓、電流有效值，有功功率，視在功率，功率因數，無功功率，電能消耗等相關參數。

還可以顯示電壓、電流、有功功率，無功功率等波形參數。

下面圖1~圖4是COF屏上一種初始狀態和三種實際測量狀態的屏幕顯示圖，由于疫情隔離，現在也無法在屏幕上具體實現。

圖1全功能效果圖，可用于初始化屏幕

圖2 單相交流電路測量效果圖

圖3 三相四線交流電路測量效果圖

圖4 三相三線交流電路測量效果圖

圖2中波形是單相電壓，電流和有功功率的波形圖。其中有功功率的瞬時值是用電壓瞬時值和電流瞬時值相乘得到的。理論上這個電壓值和電流值應該是同一時刻的，但兩條指令不可能同時發出，所以這里會有一點誤差，但這個誤差現在應該是微秒級的，相對于20毫秒的工頻周期而言可以忽略不計。

由于電流取樣元件往往會有一些滯后誤差，我們還可以利用這個非同時性來消除模擬器件的相角誤差。讓電流采樣先于電壓采樣，中間加一個延遲，讓這個延遲等于電流傳感器的相角誤差，就可以消除這個采樣原件的相角誤差。

從圖2中可以看出由于電流相對于電壓有一個滯后，所以有功功率有一小部分是負值，此時的功率因數小于1。

圖中波形圖的顏色都是按照國家標準取的，三相電路A相、B相、C相分別為黃、綠、紅。三相四線電路中，線電壓Uab用黃綠相間的曲線表示，線電壓Ucb用紅綠相間的曲線表示。

由于疫情期間無法在COF屏上具體實施，所以在上位機上進行了全狀態模擬。電壓模擬單相，三相四線，三相三線；負載模擬阻抗0.1~2200；相角模擬0°~360°；采樣點模擬15~720點。實際范圍可以更大。

為了減少數據量，以最少采樣點15個點為例，負載取2，相角取30°，得到數據如表1所示：

表1 單相電路模擬測試數據

上位機依據實現方法中的公式（8）、（9）、（10）由表1數據得出電壓有效值U= 220.0 v, 電流有效值I= 110.0 A, 有功功率P= 20.9578 KW, 無功功率= -12.1 kVr, 進而求出視在功率S= 24.2 kVA, 功率因數CosPhi= 0.866。

上位機依據表1得到單相交流電路模擬測試波形如圖5所示：

圖5 單相交流電路模擬測試波形圖

由圖中波形可以看出電流幅值為電壓幅值的一半，相角滯后30°。有功功率由于幅值較高，現已縮小1000倍以kW顯示，所以幅值看起來大約是電流幅值的1/5，基本偏向x軸上方，無功功率幅值同理也大約是電流幅值的1/5，但更偏向x軸下方，所以此時功率因數為Cosphi=0.866。

圖6 單相交流電路模擬測試結果

采樣點、負載、相角不變，三相四線數據如表2所示：

表2 三相四線電路模擬測試數據

上位機依據具體實現方法中的公式(11)~(17)，由表2數據得出電壓有效值Ua= 220.0v,Ub= 220.0v, Uc220.0v, 電流有效值Ia=110.0A, Ib=110.0A, Ic=110.0 A, 有功功率Pa= 20.9578kW，Pb= 20.9578kW，Pc =20.9578 KW, 無功功率Qa= -12.1kVr，Qb= -12.1kVr，Qc= -12.1 kVr, 進而求出視在功率S= 72.6 kVA, 功率因數CosPhi= 0.866。

上位機依據表2得到三相四線相模擬測試波形如圖7所示：

圖7 三相四線交流電路模擬測試波形圖

由于模擬參數基本一樣，所以幅值，相角，功率因數與單相基本相同。只是波形太多，這里有電壓、電流、有功功率、無功功率共12條波形。顯得比較亂，這里就不一一分析了。

圖8 三相四線交流電路模擬測試結果

采樣點、負載、相角依然不變，三相三線線電路數據如表3:

表3 三相三線電路模擬測試數據

上位機依據具體實現方法中的公式(18)~(22)，由表3數據得出電壓有效值Uab= 381.0512v, Ucb= 381.0512v, 電流有效值Ia=110.0A, Ic=110.0 A, 有功功率Pab= 20.9578kW, PCB= 41.9156 KW, 無功功率Qab= -36.3kVr Qcb=-0.0 kVr, 視在功率S= 72.6 kVA, 功率因數CosPhi= 0.866。

上位機依據表3得到三相三線交流電路模擬測試波形如圖9所示：

圖9 三相三線交流電路模擬測試波形圖

由于線電壓Uab超前于相電壓Ua30°，線電壓Ucb滯后于相電壓Uc30°，而Uc超前于Ua120°，所以線電壓Uab滯后于線電壓Ucb60°，線電壓幅值為相電壓幅值的√3倍為381v。Ic超前于Iain20°。圖上這些關系非常明晰。缺Ib，但三相三線電路電流矢量和等于零。所以有Ia，Ic則Ib就可知了。

圖10 三相三線交流電路模擬測試結果

之所以用同一個相位角分別計算了單相電路、三相四線電路和三相三線電路。就是為了讓大家看到不管是單相電路、三相四線電路還是三相三線電路，只要是平衡電路，他們的相電壓、相電流、有功功率、無功功率、視在功率、功率因數實質上都是相同的，只不過在不同的具體電路中的表現形式略有差異。

為了減少數據量，現在只取了15個采樣點，所以看起來失真度比較高，這很正常。按照奈奎斯特采樣定理，這也能保證七次諧波之內的測量精度，當然，按現在一般ADC的采樣·速度·，一個工頻周期采樣100~200點都是可能的，實際測量中完全可以取更多的采樣點數。

現在這套模擬系統還可以作為交流電路的演示示教系統來使用，非常形象直觀。會有很好的教學效果。視頻演示，錄了一段最生動有趣的0~360°全相位變化的單相波形變化，見所附視頻。

由于現在疫情隔離，COF板子不在身邊，無法實施實際開發，這是很大的遺憾。下一步條件具備時還要做實體機的開發。實際上現在已經用上位機完成了除ADC部分的全部模擬開發，為下一步的實體機開發打下了良好的基礎。當然實體機的語言環境和上位機還有很大的不同，實體機的開發還有很多的工作要做。這是我們下一步努力的方向。