基于PIC單片機(jī)的復(fù)費(fèi)率電能表時(shí)鐘誤差分析儀的系統(tǒng)

1 前 言

隨著社會(huì)的發(fā)展，用電量增大，為提高用電效率，改善用電量不均衡的現(xiàn)象，國(guó)內(nèi)各省市的電力部門(mén)己開(kāi)始全面推出了復(fù)費(fèi)率電能表，計(jì)量單位對(duì)復(fù)費(fèi)率電能表檢定的任務(wù)越來(lái)越繁重［1-2］。時(shí)鐘的準(zhǔn)確性是分時(shí)計(jì)量最重要的一部分。目前的計(jì)量單位對(duì)復(fù)費(fèi)率電能表時(shí)鐘檢定的方法已經(jīng)逐漸不能滿足需要。為了解決目前復(fù)費(fèi)率電能表時(shí)鐘檢定存在的問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種基于PIC單片機(jī)的復(fù)費(fèi)率電能表時(shí)鐘誤差分析儀的系統(tǒng)。該系統(tǒng)是一種便攜式時(shí)鐘誤差檢定裝置，集計(jì)時(shí)檢定，數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)傳送等功能于一體，具有快捷、準(zhǔn)確、有效的特點(diǎn)。

l頻率測(cè)量原理[3-4]

系統(tǒng)測(cè)量頻率采用的是多周期同步測(cè)量方法，這種方法是在直接測(cè)頻的基礎(chǔ)上發(fā)展測(cè)量方法，在目前的測(cè)頻系統(tǒng)中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。多周期同步法測(cè)頻技術(shù)的閘門(mén)時(shí)間不是固定的值，而是被測(cè)信號(hào)的整周期倍、即與被測(cè)信號(hào)同步，因此消除了對(duì)被測(cè)信號(hào)計(jì)數(shù)產(chǎn)生的±1個(gè)字誤差，測(cè)量精度大大提高，而且達(dá)到了在整個(gè)測(cè)量頻段的等精度測(cè)量。

多周期同步測(cè)量方法測(cè)量的分辨率為：

日計(jì)時(shí)誤差值：式中：Nx為對(duì)電能表的實(shí)際計(jì)數(shù)值；Ns、fs分別對(duì)應(yīng)于電能表的標(biāo)準(zhǔn)值。系統(tǒng)最終將顯示測(cè)量的電能表頻率及日計(jì)時(shí)誤差值。

2系統(tǒng)構(gòu)成

2．1系統(tǒng)硬件組成 系統(tǒng)主要有3部分組成：前端電路、主控回路、顯示及通訊部分。系統(tǒng)組成框圖如圖l所示。

當(dāng)晶振工作時(shí)，會(huì)產(chǎn)生微弱的電磁波，且電磁波的頻率和晶體振蕩的頻率一致。系統(tǒng)首先采集晶振頻率信號(hào)，然后把采集到的信號(hào)通過(guò)濾波放大電路濾去高頻干擾和低頻漂移信號(hào)，同時(shí)也進(jìn)行線性放大，使之變?yōu)橐徊ㄐ握?guī)幅值適當(dāng)?shù)恼倚盘?hào)，然后經(jīng)過(guò)A／D轉(zhuǎn)換變成數(shù)字信號(hào)進(jìn)入：PIC單片機(jī)處理。

系統(tǒng)采用一種改進(jìn)的雙T型選頻網(wǎng)絡(luò)，在提高Q值的同時(shí)不影響其他參數(shù)變化，帶通寬度更窄，帶通效果更為顯著。具體做法是：在反饋網(wǎng)絡(luò)中再接一個(gè)同相輸比例運(yùn)放作為雙T網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載。電路如圖2所示。

A／D轉(zhuǎn)換采用的是ADS7826芯片，該芯片是雙12位，500 kHz的模擬數(shù)字(A／D)轉(zhuǎn)換器，帶有6條全差分輸入通道，這些通道分為3對(duì)，用于進(jìn)行高速同步信號(hào)采集。對(duì)采樣與保持放大器的輸入是全差分的并且保持差分狀態(tài)直到A／D轉(zhuǎn)換器的輸入。這樣在頻率為50 kHz時(shí)仍可提供80 dB良好的共模抑制比，這在高噪聲環(huán)境中是非常重要的。

本系統(tǒng)采用的處理器是PIC16F87X系列單片機(jī)［5-7］。PICl6F87X的內(nèi)部有3個(gè)計(jì)數(shù)器(Timer0，Timerl．Tim-er2)和一個(gè)看門(mén)狗定時(shí)器(watchdog timer，WDT)，這些計(jì)數(shù)器的結(jié)構(gòu)與特性并不完全相同，具體到本系統(tǒng)使用的情況，被檢定的信號(hào)頻率的大概值為32768 Hz，基準(zhǔn)頻率為10 MHz。因此使用單片機(jī)內(nèi)部的Timer0和Timerl兩個(gè)計(jì)數(shù)器，基準(zhǔn)頻率信號(hào)使用Timer1，被檢定的信號(hào)使用Timer0。Timer0是8位，最大計(jì)數(shù)值為256，Timerl是16位，最大計(jì)數(shù)值為65 536，各需要外接一個(gè)8位計(jì)數(shù)器才能滿足需要。采用74LS393是雙四位的二進(jìn)制計(jì)數(shù)器可將計(jì)數(shù)增至24位。

系統(tǒng)中采用的是多周期同步測(cè)頻法，需要在對(duì)被測(cè)信號(hào)開(kāi)始計(jì)數(shù)的同時(shí)對(duì)基準(zhǔn)信號(hào)計(jì)數(shù)，當(dāng)被測(cè)信號(hào)計(jì)時(shí)完成的同時(shí)基準(zhǔn)信號(hào)的技術(shù)也要停止。這一過(guò)程可以采用PIC16F87x內(nèi)置的CCP模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。CCP模塊是指捕捉／比較／脈寬調(diào)制模塊((2apturelC20mparelPWMmodule，CCP module)，該模塊可以提供外部信號(hào)捕捉、內(nèi)部比較輸出以及PWM輸出這3種功能。捕捉與比較功能在基本的動(dòng)作方式是相同的，在搭配定時(shí)器使用時(shí)，捕捉指的是偵測(cè)引腳上輸入信號(hào)的狀態(tài)。在信號(hào)的變化吻合設(shè)定的條件時(shí)(信號(hào)上升沿或下降沿出現(xiàn)時(shí))，產(chǎn)生中斷并記錄當(dāng)時(shí)的定時(shí)器值；比較是將事先設(shè)定好的值與定時(shí)器的值相互比較，一旦兩個(gè)值相等時(shí)，產(chǎn)生中斷并驅(qū)動(dòng)事先設(shè)定好的動(dòng)作；PWM則是輸出脈沖寬度可調(diào)的信號(hào)，脈沖的周期(period)和工作循環(huán)周期(duty cycle)是由內(nèi)部的定時(shí)器比較產(chǎn)生的，因此也需要搭配定時(shí)器來(lái)使用。

系統(tǒng)顯示采用AY0438驅(qū)動(dòng)4位LCD顯示電路。AY0438是．MicroChip公司生產(chǎn)的一種完整的CMOS顯示驅(qū)動(dòng)器，可在單片機(jī)或微處理器的控制下直接驅(qū)動(dòng)LCD顯示模塊。它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便。特別是在驅(qū)動(dòng)32段LCD顯示器方面，更能顯示出它的精巧和方便。AY0438只用3條控制線即可連續(xù)不斷地向與它相連的LCD顯示器輸進(jìn)驅(qū)動(dòng)信號(hào)。該器件內(nèi)含32位鎖存器，它既可以對(duì)被顯示的數(shù)據(jù)進(jìn)行鎖存，也可以鎖存微處理器的狀態(tài)或波形。系統(tǒng)最終頻率測(cè)量結(jié)果和日誤差值將由其顯示。

2．2系統(tǒng)軟件組成

根據(jù)其實(shí)現(xiàn)的功能，可以把復(fù)費(fèi)率電能表時(shí)鐘晶振誤差檢定儀的軟件劃分為以下幾個(gè)功能模塊：

(1)計(jì)時(shí)檢定部分：主要功能是完成對(duì)信號(hào)的采集，計(jì)數(shù)和日計(jì)時(shí)誤差的計(jì)算；

(2)通訊及顯示：通訊主要功能是完成單片機(jī)和上位機(jī)的通信，一般采用的是異

步串行通信；顯示的功能是在液晶顯示屏上顯示出晶振頻率的大小，計(jì)時(shí)誤差等項(xiàng)；

(3)其他一些子程序包括看門(mén)狗，延時(shí)，保護(hù)程序等。

系統(tǒng)流程圖如圖3所示。

3結(jié)束語(yǔ)

本文采用該系統(tǒng)對(duì)不同標(biāo)準(zhǔn)頻率進(jìn)行測(cè)試后，得到該系統(tǒng)的頻率測(cè)量準(zhǔn)確度：±0．15 PPM，日誤差準(zhǔn)確度≤10 ms。該系統(tǒng)采用多周期同步測(cè)量方法利用PIC單片機(jī)實(shí)現(xiàn)了復(fù)費(fèi)率電能表誤差檢定儀的設(shè)計(jì)，具有體積小、重量輕、穩(wěn)定可靠、易于操作、測(cè)量精度高的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了復(fù)費(fèi)率電能表的誤差檢定。