摘  要：針對(duì)我國(guó)鐵路電力機(jī)車發(fā)展對(duì)電能計(jì)量的準(zhǔn)確性要求越來(lái)越高,，設(shè)計(jì)了基于ADE7753電量測(cè)量芯片的電力機(jī)車能耗監(jiān)測(cè)終端，利用采樣法對(duì)電壓和電流交流參數(shù)進(jìn)行測(cè)量,，計(jì)算消耗電量,，并記錄機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)。該裝置對(duì)分析機(jī)車能耗,、制定節(jié)能措施具有重要的現(xiàn)實(shí)意義,。
    關(guān)鍵詞：電力機(jī)車；能耗監(jiān)測(cè),；ADE7753

    隨著我國(guó)鐵路的發(fā)展,，電力機(jī)車數(shù)量不斷增加，電能消耗越來(lái)越大,，對(duì)電能計(jì)量的準(zhǔn)確性要求越來(lái)越高,。不僅如此,，科學(xué)統(tǒng)計(jì)電能消耗、管理和指導(dǎo)司機(jī)的節(jié)能操作也變得十分重要,。因此,，研制能反映機(jī)車動(dòng)態(tài)能耗、機(jī)車運(yùn)行操作,、機(jī)車質(zhì)量,、機(jī)車故障及牽引供電狀態(tài)等關(guān)系的機(jī)車能耗監(jiān)測(cè)裝置，在鐵路現(xiàn)場(chǎng)有很大的需求和發(fā)展空間^[1],。
    電力機(jī)車能耗監(jiān)測(cè)終端是針對(duì)電力機(jī)車使用特點(diǎn),，分析現(xiàn)有機(jī)械式、熱電式和時(shí)分割乘法器式電度表不足,，研制而成的一種新型電量測(cè)量分析裝置,，結(jié)合鐵路供電段和機(jī)務(wù)段需求，能對(duì)電力機(jī)車能耗進(jìn)行自動(dòng),、實(shí)時(shí),、精確的計(jì)量，對(duì)機(jī)車能耗進(jìn)行分人,、分時(shí),、分車、分區(qū)段的統(tǒng)計(jì)分析的實(shí)現(xiàn)提供數(shù)據(jù)保證,。本設(shè)計(jì)包括電量測(cè)量模塊和數(shù)據(jù)處理模塊,；采用ADE7753電量測(cè)量芯片，利用采樣法對(duì)電壓,、電流交流參數(shù)進(jìn)行測(cè)量,；利用大容量的IC卡將采集數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲(chǔ)至地面數(shù)據(jù)中心，由地面軟件形成各類分析報(bào)告,。
1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    電力機(jī)車能耗監(jiān)測(cè)終端的主要功能是監(jiān)測(cè)機(jī)車的能耗消耗,、記錄機(jī)車運(yùn)行參數(shù)。其具體的功能如下：(1)電能采集,，監(jiān)測(cè)機(jī)車的正向有功消耗,、正向無(wú)功消耗、反向有功消耗和反向無(wú)功消耗,；(2)采集機(jī)車運(yùn)行參數(shù),，包括年月日、時(shí)分秒,、公里標(biāo),、實(shí)速、車次、機(jī)車號(hào),、車站號(hào),、區(qū)段號(hào)、司機(jī)號(hào),、副司機(jī)號(hào),、總重、計(jì)長(zhǎng)和輛數(shù)等信息^[2],，這些參數(shù)為數(shù)據(jù)的記錄提供坐標(biāo)基準(zhǔn),，為地面數(shù)據(jù)軟件的分析提供數(shù)據(jù)來(lái)源；(3)數(shù)據(jù)的記錄,，按照協(xié)議規(guī)定文件格式記錄存貯在監(jiān)測(cè)終端里,，能夠連續(xù)記錄最近兩個(gè)月電力機(jī)車的數(shù)據(jù)；(4)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)儲(chǔ)和傳輸,，利用IC卡存儲(chǔ)方式轉(zhuǎn)儲(chǔ)到地面數(shù)據(jù)中心,，地面數(shù)據(jù)分析軟件根據(jù)記錄數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)能耗統(tǒng)計(jì)和報(bào)表等功能。
    電力機(jī)車能耗監(jiān)測(cè)終端主要由機(jī)車電量測(cè)量模塊,、數(shù)據(jù)記錄處理模塊及連接電纜組成,。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

    機(jī)車電量測(cè)量模塊利用互感器對(duì)機(jī)車原邊電壓,、電流進(jìn)行隔離,，將強(qiáng)電信號(hào)轉(zhuǎn)換為可采集的信號(hào)，同時(shí)利用電量計(jì)量專用芯片ADE7753對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣,，芯片內(nèi)置時(shí)分割乘法器通過(guò)對(duì)信號(hào)進(jìn)行積分,，計(jì)算消耗電量。芯片內(nèi)的V/F變換電路將有功電量轉(zhuǎn)換成校表脈沖,。CPU實(shí)時(shí)讀取計(jì)量芯片中電量信息并保存在非易失性存儲(chǔ)器中,，同時(shí)通過(guò)RS485傳輸?shù)綌?shù)據(jù)記錄處理模塊。數(shù)據(jù)記錄處理模塊從電力機(jī)車的X2插座上實(shí)時(shí)偵聽(tīng)機(jī)車的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù),，并將測(cè)量模塊傳送過(guò)來(lái)的電量信息合并到機(jī)車數(shù)據(jù)中，組成一條記錄,，定時(shí)存儲(chǔ)到非易失性存儲(chǔ)器中,。利用大容量的IC卡將這些記錄轉(zhuǎn)儲(chǔ)至地面數(shù)據(jù)中心，地面軟件根據(jù)這些記錄形成各種分析報(bào)告,。數(shù)據(jù)記錄處理模塊在合并電量信息的同時(shí),，將用電信息送到數(shù)碼管顯示。
2 硬件設(shè)計(jì)
2.1電源電路設(shè)計(jì)
    圖2所示為電源模塊電路圖,，其主要功能是為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電源,，其中DAS2.5-0.5-WES為開(kāi)關(guān)電源，DCP020505P為隔離電源。電路設(shè)計(jì)中充分考慮過(guò)流,、過(guò)壓,、浪涌、共模干擾和差模干擾等問(wèn)題,。F1,、VR1、VR2實(shí)現(xiàn)過(guò)流和過(guò)壓保護(hù),。L1,、L2、C1,、C5構(gòu)成差模噪聲濾波器,，抑制直流公共電源噪聲耦合，可除去串入電源的外來(lái)干擾噪聲,，也可以抑制電路自身因電流和電壓變化產(chǎn)生噪聲對(duì)鄰近電源的耦合干擾^[3],。L3、C2,、C3構(gòu)成共模噪聲濾波器,，濾除頻率很高的尖峰脈沖，R1為濾波電容C1,、C5的放電電阻,。

2.2 電壓電流輸入回路
    電壓電流輸入回路電路將機(jī)車電壓和電流轉(zhuǎn)換成適當(dāng)?shù)碾妷盒盘?hào)（要求小于1 V），便于電量測(cè)量芯片進(jìn)行采樣,，如圖3,、圖4所示。電路中還包括限流和濾波等輔助電路,。電流和電壓信號(hào)通過(guò)電壓互感器和電流互感器(例如圖3,、圖4中的T1和T2)采樣。在設(shè)計(jì)時(shí)考慮到為適應(yīng)100 V和230 V,，將電 壓互感器模塊用電流互感器代替,，同樣的互感器只需更換不同的限流電阻即可滿足2種不同的電壓。

2. 3 ADE7753采集電路設(shè)計(jì)
    ADE7753是一款帶串行接口和脈沖輸出的高精度電能計(jì)量IC,。ADE7753包含2個(gè)二階∑-Δ ADC,、一個(gè)數(shù)字積分器（在CH1通道）、參考電壓電路,、溫度傳感器以及完成有功功率,、無(wú)功功率、視在功率測(cè)量,、數(shù)字校準(zhǔn)以及電流通道和電壓通道有效值（RMS）和峰峰值測(cè)量所需要的全部信號(hào)處理功能,。ADE7753功能框圖如圖5所示,。

    通過(guò)ADE7753的4～7腳采集電流、電壓互感器的輸出信號(hào),，利用內(nèi)置時(shí)分割乘法器對(duì)信號(hào)進(jìn)行計(jì)算,，并將計(jì)算結(jié)果保存在內(nèi)部寄存器中，MCU通過(guò)SPI口（ADE7753的17～20腳）將電量讀出,。電量計(jì)算完畢后,，由內(nèi)部的V/F電路轉(zhuǎn)換成頻率輸出，作為計(jì)量時(shí)的校表脈沖,。ADE7753內(nèi)部基準(zhǔn)源電路的溫度系數(shù)典型值為20 ppm/℃,，但通常高達(dá)80 ppm/℃。在-20 ℃或+60 ℃情況下,，由于80 ppm/℃的溫度系數(shù)使AD7753相對(duì)25 ℃標(biāo)準(zhǔn)值產(chǎn)生的誤差要高達(dá)0.65%^[4],，因此本設(shè)計(jì)采用外部精密參考電壓源AD780，該芯片溫度系數(shù)典型值為3 ppm/℃,。
3 軟件設(shè)計(jì)
    本裝置中電量測(cè)量模塊和數(shù)據(jù)處理模塊采用C51單片機(jī)控制,。分別控制著各部分功能模塊的串行數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收、數(shù)據(jù)處理和顯示控制等,，因此按功能劃分為3個(gè)任務(wù)：主控模塊任務(wù),、顯示模塊任務(wù)和上位機(jī)監(jiān)控任務(wù)。如圖6所示,。

    主控模塊的任務(wù)包括串行數(shù)據(jù)接收與發(fā)送和數(shù)據(jù)運(yùn)算,。顯示模塊任務(wù)包括數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)掃描顯示和串行中斷服務(wù)（用來(lái)接收并刷新待顯示的電參量）2個(gè)子任務(wù)。上位機(jī)監(jiān)控任務(wù)包括串行數(shù)據(jù)的接收與處理,，測(cè)量結(jié)果的存儲(chǔ),、顯示和打印，用戶任務(wù)設(shè)置等子任務(wù),。上述任務(wù)在劃分時(shí),，各子任務(wù)彼此獨(dú)立，具有良好的可讀性,，易于維護(hù)和修改,。如果用戶有特殊要求，則只需修改或替換某子任務(wù)所對(duì)應(yīng)的子程序即可,。
    主程序流程圖如圖7所示,，主程序流程圖采用的是“信息循環(huán)，事件驅(qū)動(dòng)”的思想,。當(dāng)完成初始化之后，程序開(kāi)始進(jìn)入循環(huán)模式,。當(dāng)單片機(jī)接收到中斷信號(hào)時(shí),，程序進(jìn)入中斷服務(wù)程序,，然后再返回到主程序中。主程序包括自檢程序,、中斷服務(wù)程序,、掉電數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲(chǔ)程序、通信程序和LCD顯示驅(qū)動(dòng)程序,。

    自檢包括LCD顯示端口,、SPI端口和串行端口檢查。該任務(wù)完成后根據(jù)模式選擇CAL信號(hào)進(jìn)入正常模式或校準(zhǔn)模式,。若進(jìn)入校準(zhǔn)模式,，單片機(jī)將校準(zhǔn)系數(shù)通過(guò)SPI端口寫入到ADE7753中。當(dāng)單片機(jī)沒(méi)有接收到CAL信號(hào)時(shí),，則進(jìn)入正常模式,。這時(shí)單片機(jī)初始化I/O口，清除寄存器,，向寄存器寫入控制字,。然后單片機(jī)開(kāi)中斷，程序進(jìn)入正常循環(huán)模式,，單片機(jī)等待中斷發(fā)生,。在本設(shè)計(jì)中采用2個(gè)中斷。一個(gè)中斷是掉電檢測(cè),，另一個(gè)是定時(shí)器中斷,。當(dāng)?shù)綦姇r(shí)，將單片機(jī)中數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在EEPROM中,。定時(shí)器中斷用來(lái)觸發(fā)單片機(jī)讀取ADE7753 ENERGY寄存器的電量值,，將結(jié)果乘以校準(zhǔn)系數(shù)，存儲(chǔ)并更新顯示數(shù)據(jù),。
4  測(cè)試與結(jié)論
    試驗(yàn)設(shè)備： GDM-8145數(shù)字萬(wàn)用表,，TPR3002-2可調(diào)DC電源，TDS2012泰克示波器,，BX8-22滑動(dòng)變阻器,，DZ601-3B單相電能表檢定裝置。連線圖如圖8所示,。

    測(cè)試表明,，該能耗監(jiān)測(cè)終端工作良好，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)要求的所有功能,，精度達(dá)到設(shè)計(jì)要求,，終端結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定可靠,，價(jià)格便宜,，有良好的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力,。
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