引言

為解決人工調整電力傳輸線路中偏相觀測難、記錄難、校準難這三大難題。該設計通過對軟硬件的設計，實現了較長時間、無間斷地對電力傳輸線路中電流、電壓、零序電流、功率因數、有功功率、無功功率、視在功率、基波及諧波電能的監測、記錄和存儲。該設計采用MSP430F135 單片機為控制核心，結合電壓、電流互感器、DSP 電能芯片、人機接口、聲光報警電路和信號處理電路等實現對電力傳輸線路參數的監測，該系統能利用存放在U 盤中長時間采集的數據在上位機進行曲線分析，為電力部門調整線路負荷提供科學、可靠的依據。

1 系統設計方案

1.1 DSP 電能芯片的選擇

該設計選用DSP 電能芯片，此芯片具有七路二階16 位sigma-delta ADC、基準電壓輸出、電壓、電流采樣、基波、諧波以及能量頻率測量的信號處理電路，同時具有SPI 通訊接口，并支持全數字域的增益、相位校正。能夠自動計算有功功率、無功功率、視載功率以及功率因數。內部具有電壓監測電路，能保證上電和掉電時工作正常進行。

該設計能進行高精度測量，輸入動態工作范圍1000：1，同時保證非線性測量誤差在0.1%內。支持增益和相位補償，小電流非線性補償。電壓、電流有效值精度優于0.5%。

1.2 單片機選擇

MSP430 單片機為低功耗16 位單片機，具有典型的SOC特點，集成大量外設。尤其是其內部集成的波特率微調器，可以使MCU 在不低于32 768 Hz 的任意晶振（但不能超過MCU 對晶振要求的上限）下工作時，選擇通信波特率時可不受波特率因子不帶有小數的限制，即：在波特率的允許范圍內可使用任意頻率的晶振。另外，由于MSP430 MCU 內部集成了溫度傳感器，可以較方便地實現對測液位所用壓力傳感器溫度進行補償。而且MSP430 系列單片機針對不同的應用由各種不同的模塊組成，由于所用微控制器低功耗的特點，可用普通電池正常工作，實現長時間無間斷正常使用。

2 系統總體組成結構及工作原理

如圖1 所示整個系統主要由單片機主機電路、控制電路、信號測量、聲光報警電路、按鍵電路、LCD 漢字顯示電路、電源電路和通信電路等組成。P1 口做為系統的數據線，DSP電能芯片采用P3.0 P3.1 P3.2 口接入MCU 用來向系統提供輸入的數據，聲光報警模塊的工作信號通過P2.5 口輸出產生報警聲音。鍵盤模塊通過P2.0，P2.1 和P2.2 口接入MCU 用來控制系統的6 個按鍵。系統通過P1 口和P5.0、P5.1 控制LCD 顯示器，串行通信由P3.6 和P3.7 經過通信接口電路控制U 盤讀寫，系統的電源模塊產生3.3 V、＋5 V 電壓為系統提供穩定的工作電壓。

圖1 系統總體構成

該系統利用電壓、電流互感器經過差動轉換后輸入DSP電能芯片進行信號的分析與處理，輸出高精度的三相電壓值、三相電流值、零序電流值、有功功率、無功功率、視在功率、功率因數、基波及諧波電能值等數據，這些數據通過SPI 通訊接口讀出DSP 電能芯片計算后得支的數據，進行數據轉換后送入LCD 進行顯示［4-5］。當系統時間運行到U 盤規定的寫入時間時，系統自動記錄采集到的所有數據。用戶可以根據需要通過鍵盤輸入設定采集時間間隔。系統中設備編號可以任意設定。同時該系統還可以實時顯示工作環境的溫度和系統時間。

3 系統的主要硬件電路設計

3.1 信號差動輸入電路設計

信號輸入采用差動輸入方式，輸入的電流、電壓感器信號通過采樣電阻R17 進行采樣，C5、C6 進行濾波，減少干擾，REFO 通過10K 限流電阻提供16 位AD 的標準基準電壓。電壓、電流信號輸入電路圖如圖2 所示。

圖2 電壓、電流信號輸入電路

3.2 通訊控制電路

該系統中通訊電路功能完成TTL 電平與CMOS 電平的轉換。無源輸入在不通訊階段不耗電，只有在通訊時才耗電，這樣對整個系統實現低功耗有很大幫助，這也是市場上專用轉換芯片不具有的特點。其控制電路見圖3。

圖3 通訊控制電路

3.3 聲光報警電路設計

聲光報警電路由三極管、發光二極管、電阻、電容、蜂鳴器元件等組成，當所測液位值小于所設定的警戒值時，單片機會發出報警信號報警，當收到報警信號后發光二極管被點亮、蜂鳴器發出聲音，產生聲光報警效果。

4 系統軟件設計

系統軟件采用模塊化結構設計，共分為七個模塊：系統初始化模塊、LCD 顯示模塊、按鍵識別及處理模塊、SPI 模擬通訊模塊、串口通訊模塊、U 盤讀寫模塊。時間、工作環境溫度檢測模塊。

初始化模塊的主要作用是設置顯示緩沖區、堆棧指針、各工作單元、操作標志和工作寄存器、各I/O 端口以及CMU 的工作時鐘模塊設置、設置系統定時器模塊、通信模塊、DSP 電能芯片模塊初始化以及系統中斷設置等；LCD 顯示模塊的主要作用是顯示采集的數據以及系統工作參數等數據；鍵盤模塊負責按鍵的識別和進行按鍵處理，當有按鍵動作時調用相應的按鍵處理子程序進行處理。可實現對系統時間、存儲間隔、設備編號進行設定；SPI 模塊通訊模塊主要作用是完成MCU 與DSP電能芯片的數據交換。串口通信模塊發送數據給U盤模塊，為數據存儲做準備；U 盤讀寫模塊的作用是將MCU 傳送出的數據寫入U 盤并存儲；時間、工作環境溫度檢測模塊的作用是完成對時間的計算，同時實時采集工作環境的溫度。

5 結語

該儀器可廣泛應用于電力、石油及化工領域，實時檢測并記錄電力線路中的各種參數并及時存儲到U 盤中，便于技術人員根據線路實際情況調整設備。該儀器具有工作性能穩定可靠、體積小、成本低以及測量控制準確、靈敏、安裝使用方便，功耗低等優點，具有較高的實際應用價值。