基于PIC单片机的电能表时钟误差分析仪的研究
时间：05-04
来源：中电网
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1引 言
随着社会的发展，用电量增大，为提高用电效率，改善用电量不均衡的现象，国内各省市的电力部门己开始全面推出了复费率电能表，计量单位对复费率电能表检定的任务越来越繁重［1-2］。时钟的准确性是分时计量最重要的一部分。目前的计量单位对复费率电能表时钟检定的方法已经逐渐不能满足需要。为了解决目前复费率电能表时钟检定存在的问题，本文设计了一种基于PIC单片机的复费率电能表时钟误差分析仪的系统。该系统是一种便携式时钟误差检定装置，集计时检定，数据处理，数据传送等功能于一体，具有快捷、准确、有效的特点。
l频率测量原理[3-4]
系统测量频率采用的是多周期同步测量方法，这种方法是在直接测频的基础上发展测量方法，在目前的测频系统中得到越来越广泛的应用。多周期同步法测频技术的闸门时间不是固定的值，而是被测信号的整周期倍、即与被测信号同步，因此消除了对被测信号计数产生的±1个字误差，测量精度大大提高，而且达到了在整个测量频段的等精度测量。
多周期同步测量方法测量的分辨率为：
日计时误差值：式中：Nx为对电能表的实际计数值；Ns、fs分别对应于电能表的标准值。系统最终将显示测量的电能表频率及日计时误差值。
2系统构成
2．1系统硬件组成 系统主要有3部分组成：前端电路、主控回路、显示及通讯部分。系统组成框图如图l所示。
当晶振工作时，会产生微弱的电磁波，且电磁波的频率和晶体振荡的频率一致。系统首先采集晶振频率信号，然后把采集到的信号通过滤波放大电路滤去高频干扰和低频漂移信号，同时也进行线性放大，使之变为一波形正规幅值适当的正弦信号，然后经过A／D转换变成数字信号进入：PIC单片机处理。
系统采用一种改进的双T型选频网络，在提高Q值的同时不影响其他参数变化，带通宽度更窄，带通效果更为显著。具体做法是：在反馈网络中再接一个同相输比例运放作为双T网络的负载。电路如图2所示。
A／D转换采用的是ADS7826芯片，该芯片是双12位，500 kHz的模拟数字(A／D)转换器，带有6条全差分输入通道，这些通道分为3对，用于进行高速同步信号采集。对采样与保持放大器的输入是全差分的并且保持差分状态直到A／D转换器的输入。这样在频率为50 kHz时仍可提供80 dB良好的共模抑制比，这在高噪声环境中是非常重要的。
本系统采用的处理器是PIC16F87X系列单片机［5-7］。PICl6F87X的内部有3个计数器(Timer0，Timerl．Tim-er2)和一个看门狗定时器(watchdog timer，WDT)，这些计数器的结构与特性并不完全相同，具体到本系统使用的情况，被检定的信号频率的大概值为32768 Hz，基准频率为10 MHz。因此使用单片机内部的Timer0和Timerl两个计数器，基准频率信号使用Timer1，被检定的信号使用Timer0。Timer0是8位，最大计数值为256，Timerl是16位，最大计数值为65 536，各需要外接一个8位计数器才能满足需要。采用74LS393是双四位的二进制计数器可将计数增至24位。
系统中采用的是多周期同步测频法，需要在对被测信号开始计数的同时对基准信号计数，当被测信号计时完成的同时基准信号的技术也要停止。这一过程可以采用PIC16F87x内置的CCP模块来实现。CCP模块是指捕捉／比较／脉宽调制模块((2apturelC20mparelPWM module，CCP module)，该模块可以提供外部信号捕捉、内部比较输出以及PWM输出这3种功能。捕捉与比较功能在基本的动作方式是相同的，在搭配定时器使用时，捕捉指的是侦测引脚上输入信号的状态。在信号的变化吻合设定的条件时(信号上升沿或下降沿出现时)，产生中断并记录当时的定时器值；比较是将事先设定好的值与定时器的值相互比较，一旦两个值相等时，产生中断并驱动事先设定好的动作；PWM则是输出脉冲宽度可调的信号，脉冲的周期(period)和工作循环周期(duty cycle)是由内部的定时器比较产生的，因此也需要搭配定时器来使用。
系统显示采用AY0438驱动4位LCD显示电路。AY0438是．Microchip公司生产的一种完整的CMOS显示驱动器，可在单片机或微处理器的控制下直接驱动LCD显示模块。它结构简单，使用方便。特别是在驱动32段LCD显示器方面，更能显示出它的精巧和方便。AY0438只用3条控制线即可连续不断地向与它相连的LCD显示器输进驱动信号。该器件内含32位锁存器，它既可以对被显示的数据进行锁存，也可以锁存微处理器的状态或波形。系统最终频率测量结果和日误差值将由其显示。
2．2系统软件组成
根据其实现的功能，可以把复费率电能表时钟晶振误差检定仪的软件划分为以下几个功能模块：
(1)计时检定部分：主要功能是完成对信号的采集，计数和日计时误差的计算；
(2)通讯及显示：通讯主要功能是完成单片机和上位机的通信，一般采用的是异
步串行通信；显示的功能是在液晶显示屏上显示出晶振频率的大小，计时误差等项；
(3)其他一些子程序包括看门狗，延时，保护程序等。
系统流程图如图3所示。
3结束语
本文采用该系统对不同标准频率进行测试后，得到该系统的频率测量准确度：±0．15 PPM，日误差准确度≤10 ms。该系统采用多周期同步测量方法利用PIC单片机实现了复费率电能表误差检定仪的设计，具有体积小、重量轻、稳定可靠、易于操作、测量精度高的特点，实现了复费率电能表的误差检定。
来源：《国外电子测试技术》
随着社会的发展，用电量增大，为提高用电效率，改善用电量不均衡的现象，国内各省市的电力部门己开始全面推出了复费率电能表，计量单位对复费率电能表检定的任务越来越繁重［1-2］。时钟的准确性是分时计量最重要的一部分。目前的计量单位对复费率电能表时钟检定的方法已经逐渐不能满足需要。为了解决目前复费率电能表时钟检定存在的问题，本文设计了一种基于PIC单片机的复费率电能表时钟误差分析仪的系统。该系统是一种便携式时钟误差检定装置，集计时检定，数据处理，数据传送等功能于一体，具有快捷、准确、有效的特点。
l频率测量原理[3-4]
系统测量频率采用的是多周期同步测量方法，这种方法是在直接测频的基础上发展测量方法，在目前的测频系统中得到越来越广泛的应用。多周期同步法测频技术的闸门时间不是固定的值，而是被测信号的整周期倍、即与被测信号同步，因此消除了对被测信号计数产生的±1个字误差，测量精度大大提高，而且达到了在整个测量频段的等精度测量。
多周期同步测量方法测量的分辨率为：
日计时误差值：式中：Nx为对电能表的实际计数值；Ns、fs分别对应于电能表的标准值。系统最终将显示测量的电能表频率及日计时误差值。
2系统构成
2．1系统硬件组成 系统主要有3部分组成：前端电路、主控回路、显示及通讯部分。系统组成框图如图l所示。
当晶振工作时，会产生微弱的电磁波，且电磁波的频率和晶体振荡的频率一致。系统首先采集晶振频率信号，然后把采集到的信号通过滤波放大电路滤去高频干扰和低频漂移信号，同时也进行线性放大，使之变为一波形正规幅值适当的正弦信号，然后经过A／D转换变成数字信号进入：PIC单片机处理。
系统采用一种改进的双T型选频网络，在提高Q值的同时不影响其他参数变化，带通宽度更窄，带通效果更为显著。具体做法是：在反馈网络中再接一个同相输比例运放作为双T网络的负载。电路如图2所示。
A／D转换采用的是ADS7826芯片，该芯片是双12位，500 kHz的模拟数字(A／D)转换器，带有6条全差分输入通道，这些通道分为3对，用于进行高速同步信号采集。对采样与保持放大器的输入是全差分的并且保持差分状态直到A／D转换器的输入。这样在频率为50 kHz时仍可提供80 dB良好的共模抑制比，这在高噪声环境中是非常重要的。
本系统采用的处理器是PIC16F87X系列单片机［5-7］。PICl6F87X的内部有3个计数器(Timer0，Timerl．Tim-er2)和一个看门狗定时器(watchdog timer，WDT)，这些计数器的结构与特性并不完全相同，具体到本系统使用的情况，被检定的信号频率的大概值为32768 Hz，基准频率为10 MHz。因此使用单片机内部的Timer0和Timerl两个计数器，基准频率信号使用Timer1，被检定的信号使用Timer0。Timer0是8位，最大计数值为256，Timerl是16位，最大计数值为65 536，各需要外接一个8位计数器才能满足需要。采用74LS393是双四位的二进制计数器可将计数增至24位。
系统中采用的是多周期同步测频法，需要在对被测信号开始计数的同时对基准信号计数，当被测信号计时完成的同时基准信号的技术也要停止。这一过程可以采用PIC16F87x内置的CCP模块来实现。CCP模块是指捕捉／比较／脉宽调制模块((2apturelC20mparelPWM module，CCP module)，该模块可以提供外部信号捕捉、内部比较输出以及PWM输出这3种功能。捕捉与比较功能在基本的动作方式是相同的，在搭配定时器使用时，捕捉指的是侦测引脚上输入信号的状态。在信号的变化吻合设定的条件时(信号上升沿或下降沿出现时)，产生中断并记录当时的定时器值；比较是将事先设定好的值与定时器的值相互比较，一旦两个值相等时，产生中断并驱动事先设定好的动作；PWM则是输出脉冲宽度可调的信号，脉冲的周期(period)和工作循环周期(duty cycle)是由内部的定时器比较产生的，因此也需要搭配定时器来使用。
系统显示采用AY0438驱动4位LCD显示电路。AY0438是．Microchip公司生产的一种完整的CMOS显示驱动器，可在单片机或微处理器的控制下直接驱动LCD显示模块。它结构简单，使用方便。特别是在驱动32段LCD显示器方面，更能显示出它的精巧和方便。AY0438只用3条控制线即可连续不断地向与它相连的LCD显示器输进驱动信号。该器件内含32位锁存器，它既可以对被显示的数据进行锁存，也可以锁存微处理器的状态或波形。系统最终频率测量结果和日误差值将由其显示。
2．2系统软件组成
根据其实现的功能，可以把复费率电能表时钟晶振误差检定仪的软件划分为以下几个功能模块：
(1)计时检定部分：主要功能是完成对信号的采集，计数和日计时误差的计算；
(2)通讯及显示：通讯主要功能是完成单片机和上位机的通信，一般采用的是异
步串行通信；显示的功能是在液晶显示屏上显示出晶振频率的大小，计时误差等项；
(3)其他一些子程序包括看门狗，延时，保护程序等。
系统流程图如图3所示。
3结束语
本文采用该系统对不同标准频率进行测试后，得到该系统的频率测量准确度：±0．15 PPM，日误差准确度≤10 ms。该系统采用多周期同步测量方法利用PIC单片机实现了复费率电能表误差检定仪的设计，具有体积小、重量轻、稳定可靠、易于操作、测量精度高的特点，实现了复费率电能表的误差检定。
来源：《国外电子测试技术》
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