可用于檢測單相或三相交流供電系統的電能質量檢測分析

PIC32微處理器的最大優勢在于速度快、高性能、芯片集成度高和外圍接口豐富，并且目前 PIC32芯片的價格也只略高于單片機。在PIC32上可以移植無MMU的嵌入式實時操作系統，容易實現多任務調度，而且簡化了LCD顯示、硬盤存儲、網絡通訊等功能的開發，大大減少了產品的開發周期，同時系統更兼具了運算能力強大的優點。本方案不僅滿足設備具有較高處理速度和處理能力的要求，而且具備了實時處理能力，最后也考慮到了成本的問題。

三、系統硬件架構

系統結構框圖如圖2所示。它包括電壓電流信號調理模塊、PIC32處理器及外圍電路， LCD液晶顯示模塊，USB移動存儲模塊，以太網接口通信模塊。

圖2 系統結構框圖

通過微型電壓和電流互感器，將輸入的三相三路電壓信號和三路電流信號進行信號調理，得到0~3V范圍的模擬信號，接入到PIC32內置AD接口；因為實際三相電的頻率與標準頻率會有一定誤差，所以需要對頻率進行測量，鑒于六路信號是同頻率的，只需對其中一路信號頻率測量即可，設計中對Ua信號頻率進行測量，通過一個施密特觸發器將正弦信號變換為矩形波，然后通過PIC32內置的輸入捕捉功能進行頻率測量。

連續每通道采集16個波形，共計128*16個點后，進行數據處理：周期計算、FFT變換，求取三相電的基波以及諧波幅值與頻率。然后用LCD顯示處理后的三相基波、諧波波形曲線。同時通以太網將采集到的數據傳送到PC機軟件進行處理、分析、顯示、存儲。

3.1 電壓電流信號采集回路

模擬量的采集是對電網中電壓和電流的測量，經互感器變換再經調理后送給PIC32內置A/D輸入端，電路圖如圖3(以電流輸入為例)所示，調整圖中反饋電阻R和r的值可得到所需要的電壓小信號輸出，R精度>1%。電容C1和r’是用來補償相移的。電容C2和C3是小電容，用來去耦合濾波；兩個反接的二極管是起保護運放作用的。經變換后的信號放大后再上拉就可以得到0～3V的單極性電壓(AD輸入范圍為：0～3.3V)，然后就可以送到芯片AD轉換器的輸入端進行采樣。

圖3 電流信號調理電路

3.2 LCD液晶顯示模塊

設計中采用大屏幕液晶顯示屏，320×240 LCD帶背光，可以實時顯示電網的運行電壓、電流、諧波、有功功率、無功功率、視在功率、通信信息等，用戶可以查看各種電參數和歷史記錄并可對儀器的某些參數進行設置。

3.3 以太網接口模塊

以太網接口模塊使用PIC32內置的帶MII和RMII接口的10/100Mbps以太網MAC。支持全雙工和半雙工工作，可連接同軸電纜和雙絞線，并可自動檢測所連接的介質，通過RJ45接口與以太網進行通信。

3.4 USB移動存儲模塊

USB移動存儲控制器使用PIC32內置的符合USB 2.0規范的全速設備和OTG (On-The-Go)控制器，主要用來存儲電網運行參數記錄，用戶只需將U盤從USB口插入，選擇存儲功能即可。即插即用，操作簡單，使用方便，傳輸速率快，存儲容量不受限制。

四、系統軟件架構

4.1 電參數測量

電參數測量首先要進行數據采集，本設計采用圖3所示的交流采樣，即將二次側的電壓電流經高精度的電壓電流互感器變換成CPU可測量的交流小信號，然后再送入CPU進行采樣處理。這種方法可對被測量的瞬時值進行采樣、實時性好，相位失真小，解決了一般直流采樣中無法實時采樣，測量精度易受變送器的精度和穩定性影響等缺點。

對電壓和電流諧波等電參量的測量采用FFT算法，其計算流程如圖4所示：

圖4 電參量計算流程

先對電壓和電流信號進行采樣，得到16個周期的波形數據，然后進行FFT計算，得到基波和各次諧波的電壓值和電流值及其含量，然后計算諧波的總畸變率THD，然后計算出電壓和電流的有效值U、I及用功功率P、無功功率Q，再由P和Q計算視在功率S，進而可得到線路的功率因數值以及其它參數值。

4.2 程序運行流程

在電參量的運算和系統的結構等問題解決之后，需要考慮程序運行的總的結構流程圖。程序在運行之前首先要對硬件進行初始化，并且要自檢以確保硬件部分無故障，為操作系統做好底層的準備。然后是操作系統的初始化，創建任務主要是鍵盤檢測、按鍵處理、信號采樣數據處理及對這些任務的優先級進行排序等。具體的流程見圖5所示.

圖5 程序運行流程圖