单位文秘网 2022-03-01 08:13:03 点击: 次
摘 要:介绍电力载波芯片PL3201C设计的电力机车智能电度表的基本工作原理、结构特点。该设计通过对元器件的选型、电路的优化设计、印刷板的走线,达到预期的设计要求。并通过试验等手段对研制的产品进行了验证。结果表明:新研制的电力机车智能电度表结构合理、性能可靠、精度高,电磁兼容性好。能满足电力机车无线远程抄表系统的电能采集、数据存贮、显示和通讯等要求。
关键词:芯片PL3201C 电力机车 智能电度表 电磁兼容
中图分类号:TP274 文献标识码:A 文章编号:1007-3973(2012)012-035-03
1引言
随着铁路电力机车的跨越式发展,为了提高经济效益,无线远程抄表成为发展趋势。电力机车智能电度表是无线远程抄表系统中电能采集、显示、数据信息存贮和传递的部件。过去使用的这种类似的电度表没有采用这种大规模芯片,组成的元器件数量比较多,成本较高,且容易串入干扰,电磁兼容性较差,而且不具备无线远程抄表系统所要求的多串口通讯及存贮大量信息等的功能;PL3201C作为电能计量专用芯片,包括电能计量部分、微处理器部分(CPU)等,是一种大规模集成电路,常用于民用电力抄表。本文基于上述芯片有着较优良的功能,为满足无线远程抄表系统的组成部件所需的性能要求,提出将PL3201C芯片作为电力机车智能电度表设计基础,采取相应设计回路来提高电磁兼容性和抗干扰的能力,防止电度表在运行中乱码的产生,增加产品的可靠性和稳定性。
2智能电度表的结构设计和工作原理
机车智能电度表的主电路如图1所示,由专用芯片PL3201C、程序存贮器、显示驱动电路、数码显示电路及通信RS485接口电路等组成。
2.1输入采样电路设计
机车智能电度表的输入电压和电流信号是由机车上电压变压器(变比25000V/150V等)和交流互感器(变比600A/1A等)提供的,为了满足芯片PL3201C的输入条件,本文设计了输入回路如图2所示,回路中电压的输入采样信号范围为AC:0~187.5V,把电压采样信号转换为PL3201C能处理的信号(PL3201C电压通道允许最大输入信号电压为600mV),采用电压分压采样电路,R1、R2为分流电阻,RP2为采样电阻;电流输入采样信号范围为AC:0~1.2A,把电流采样信号转换为PL3201C能处理的信号(PL3201C电流通道允许最大输入信号电压为600mV),先用电流互感器(5A/5mA)将电流输入采样信号AC:0~1.2A转换为AC:0~1.2mA,再采用双差分电压取样电路,RP1为设计的采样电阻值。
2.2电能计量和中央处理单元
考虑到电力机车运行时电磁干扰强和智能电度表所需的多通讯接口要求,采用超大规模集成专用芯片PL3201C,它包括电能计量部分、微处理器部分(CPU),其引脚图如图3所示。与国内外同类产品相比由于集成度高,具有抗干扰、低成本、高可靠性、功能强大等特点。
2.3通讯接口
PL3201C有两个全双工UART(通用同步/异步接收/发送器)可实现如下通讯功能:与TAX2装置通讯,获取列车运行情况信息;与车载GPRS无线发送仪通讯,实现数据的远程传输。
2.4基本工作原理
被测电压、电流量由各自的取样电路输入到电能专用集成芯片PL3201C内部的电能计量模块,在电能计量模块内,采样信号经过放大、A/D转换器、数字滤波、移相处理,最终得到有效的电能计量数据。芯片内嵌的增强型8051单片机对电能计量数据进行读取、累加、存储、显示。微处理器,配置8/16位ALU、256+1024bytes SRAM以及16K bytes E2PROM、三个8/16位定时/计数器,一个看门狗定时器以及三个外部中断。计量模块与8051之间是并行通讯,通过寄存器以及中断进行控制。PL3201内部的嵌入式微处理器8051可以通过特殊功能寄存器(SFR)地址直接访问计量模块内部的寄存器。在PL3201C中提供8位8段LED扫描功能,外部加三极管驱动电路;LED显示使用共阴极接法。记录的数据也可通过U盘进行数据转储。
3机车智能电度表的技术参数
输入信号电压:AC:0~187.5V (由25000V/150V的电压变压器供给)。
输入信号电流:AC:0~1.2A (由600A/1A的交流互感器供给)。
信号频率:50Hz。
起动电流:小于5mA
辅助电源电压:DC110V(-30%~+25%)。
精度等级:1级。
功耗:功耗小于2W。
总重量:1.9Kg€?%。
4智能电度表程序结构和软件设计
智能电度表程序结构分为数据采集、电能计算、电能显示、与TAX2通讯、与GPRS通讯五部分。数据采集部分又分为电能计量的方向判断、数据转换和存贮记录三部分,如图4所示。系统程序使用C语言编写,系统的主程序流程如图5所示。
5电磁兼容设计
由于机车工作环境电磁干扰强,容易使电度表出现程序跑飞或死机、乱码等故障。因此电磁兼容设计需仔细考虑 。
5.1隔离安全设计
(1)电源的隔离安全设计。采用多个独立电源模块设计,分别给芯片PL3201C模拟部分、数字部分,各通讯单元供电;为尽量减少电磁干扰从电源线窜入各部分工作电源,在辅助电源输入侧接人电源滤波器。
(2)信号的隔离安全设计。采用光电耦合器使芯片PL3201C与通信部分都能够达到信号隔离保护的作用。
5.2印刷电路板接地设计
为了减少模拟电路和数字电路之间的相互干扰,在电路板布线时分别铺设地线,各地线独立分开,并采用大面积接地。在最靠近芯片的电源和地管脚间加放去耦电容和旁路电容,减少电源通路耦合的干扰。
5.3采样电路滤波设计
为了滤除耦合输入引线的高频噪声信号,每个通道必须接入滤波电容C13、C14、C15、C16,如图2所示,以滤除信号上的共模干扰和差模干扰。实际电路板布线时滤波电容应紧贴芯片输入引脚放置。
6实验结果和结论
实验中,利用郑州市华特测控新技术有限公司生产的WT-T160单相电能表检定装置能提供50HZ150V交流额定电压和所需电流给待测电度表,该装置有自动测试程序可检定电度表的精度等参数,检测上述机车智能电度表的有关参数如表1所示。
由表1可知,分别在纯阻性、感性、容性负载各相位及各电流档电能相对误差均在1%以内,即电能的计量精度达到1级,电度表起动和潜动符合要求。该智能电度表达到设计的预期目标。
参考文献:
[1] 北京福星晓程电子科技股份有限公司.PL3201芯片手册(版本1.8).2006-08-10.
[2] 李顺.9600KW电力机车用电度表技术规范[S].株洲电力机车有限责任公司.
[3] 中华人民共和国电力行业标准DL/T 614-2007 多功能电能表[S].
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