PMM2000系列数字式多功能电力网络仪表由莱恩达公司生产，本系列仪表共分为四大类别：标准型、经济型、单功能型和户表专用型。PMM2000数字式电力网络仪表的外形如图3-21所示。图3-21 PMM2000数字式电力网络仪表的外形图a）LED显示 b）LCD显示PMM2000数字式电力网络仪表具有以下特点：1）采用领先技术。......
2023-11-22
PMM2000电力网络仪表硬件总体设计
【摘要】：图9-1 PMM2000电力网络仪表系统总体结构框图电网中的电压电流信号经一次电压互感器和电流互感器变成标准额定电压AC100V、AC220V、AC57.7V和标准额定电流5A，然后送往测量仪表的二次电压互感器和电流互感器，其输出经信号调理后变成峰-峰值为0～3.3V的交流电压信号送往DSP模块进行交流采样。
PMM2000电力网络仪表采用TI公司的DSP控制器TMS320LF2407A作为核心控制器，该控制器具有运算速度快，工作温度范围宽，可靠性高，集A/D转换器、CAN 2.0B模块、串行通信接口（SCI）、看门狗定时器模块于一体，内置32KW的Flash程序存储器，1.5KW的数据/程序RAM，544W双口RAM（DARAM）和2KW的单口RAM（SARAM），40个可单独编程或复用的I/O口等。系统总体结构框图如图9-1所示。
图9-1 PMM2000电力网络仪表系统总体结构框图
电网中的电压电流信号经一次电压互感器和电流互感器变成标准额定电压AC100V、AC220V、AC57.7V和标准额定电流5A，然后送往测量仪表的二次电压互感器和电流互感器，其输出经信号调理后变成峰-峰值为0～3.3V的交流电压信号送往DSP模块进行交流采样。TMS320LF2407定点DSP数字信号处理器内置10位A/D采样保持处理模块，可以满足交流采样的转换精度和速度的需要。系统同时配有低电压监测和WDT电路，用于监测电源电压是否正常，以保证DSP可靠工作。另外，还配有FRAM铁电存储器FM25040，用于保存设定数据及测量数据。
在人机接口方面，PMM2000电力仪表本身设计有LCD液晶显示器，液晶显示器选用160×128点阵液晶显示模块DMF5001N，最大显示窗口为20×16个字符阵；5个按键开关来设定系统功能；通过以太网与上位机通信，可以在上位机上实时显示测量数据并存储、打印报表等。网络接口芯片选用RTL8019AS全双工以太网控制器。
1.频率测量电路
由于采样周期与电网中的频率有关，而电网中的频率又是变化的，为了实现采样的整分割，必须跟踪电网中的频率信号。频率的测量是通过采集两个电压周期信号上升沿之间的时间差来实现的。电压波形经过过零电压比较器LM211产生方波，送入TMS320LF2407的捕获定时器引脚CAP1进行上升沿捕获，采用定时/计数器1作为时间基准。频率测量电路图如图9-2所示。
Uout是1.65V基准电压，它作为电压比较器LM211的基准参考输入电压。电网电压经调理后的电压信号UIN作为LM211的另一输入电压，UIN的范围为0～3.3V。频率测量电路的输入、输出波形如图9-3所示。
2.电压和电流调理电路
下面以三相四线制供电系统为例说明如何将电网电压、电流经二次电压互感器、电流互感器调理并抬高为AC0～3.3V之间的电压信号的。
图9-2 频率测量电路
图9-3 频率测量电路的输入、输出波形图
电网电压、电流是交流信号，根据LF2407A内置ADC模块的特点，在作A/D转换时，希望被转换的信号是单极性的，所以经过电压互感器、电流互感器变换后的交流电压还要被抬高，变到0～3.3V范围内。将三相四线制中的某一电压或某一电流调理的电路分别如图9-4和图9-5所示。
以A相电压为例，电网A相电压首先经电阻R1、R2变换成电流信号，电压互感器TV1的输入、输出电流比为2mA∶2mA。然后再将输出电流信号通过电阻R3和TL062I运算放大器转换为电压信号OUT1。OUT1为一个双极性交流输出电压信号，而进行A/D转换时需要单极性的电压信号，所以必须将其抬高一个电平。因为DSP的A/D转换模块要求的电压转换范围为0～3.3V，所以还要将OUT1抬高1.65V。
图9-4 电压变换电路
(www.chuimin.cn)
图9-5 电流变换电路
为了保护仪表不被过电压烧坏，在电压接线两端加了压敏电阻TVR10561。压敏电阻的主要作用是抑制浪涌电压干扰。
电流互感器的额定输入为5A，通过电流互感器TA1实现的输入、输出电流比为5A∶2mA。经信号变换后，其输出为OUT2。
3.抗混叠滤波电路
抗混叠滤波采用MAXIM公司生产的八阶巴特沃斯型开关电容式有源低通滤波器MAX291，它的3dB截止频率可以在0.1～25kHz之间选择。开关电容滤波器需要靠一个时钟来驱动电路工作，该时钟的频率应为3dB截止频率的100倍，可以采用外时钟或者内时钟两种方式。如果直接利用MAX291的内部时钟振荡器，只需外接一个电容，电容值和3dB截止频率满足下式：
设分析对象为工频电压信号，需要分析到50次谐波。信号的最高次谐波频率为2.5kHz，因此，采样频率应不小于5kHz。由于标准FFT变换要求每周期样点数为2的n次幂，如128点，所以取fs=128×50=6.4kHz。相应的滤波器频谱特性应该是在2.5kHz以下的通带内，增益基本为1，到3.2kHz时应为0.707，即3dB带宽增益。根据上面要求，MAX291的时钟频率应为3.2kHz×100=320kHz，由上式计算外接电容的值，得COSC=104pF。抗混叠滤波电路如图9-6所示。
在图9-6中，INPUT接图9-4中的OUT1或图9-5中的OUT2。双极性变换电路将MAX291输出的双极性交流电压信号变为DSP中A/D转换模块所需的单极性电压信号。
图9-6 抗混叠滤波电路
4.网络接口电路
网络接口电路以AT89S52单片微控制器为核心，网络接口芯片选用台湾Realtek公司的RTL8019AS全双工以太网控制器，再配以74HC573地址锁存器、IS62C256静态存储器等器件。它与DSP之间的数据交换采用异步串行通信（UART）。网络接口电路如图9-7所示。AT89S52分配给RTL8019AS的基地址为4000H。
图9-7 网络接口电路
RTL8019AS的数据线SD0～SD7与CPU的AD0～AD7连接，地址线SA0～SA4与AT89S52 CPU的A0～A4连接，RTL8019AS的AEN为片选信号，采用线选地址译码。
RTL8019AS的工作方式选用跳线模式，本机的I/O地址和中断都是由跳线决定，RTL8019AS的第65引脚接高电平，用来选择跳线方式。芯片的第78、79、80引脚为中断引脚。在RTL8019AS中，如果引脚为悬空，则认为此引脚为低电平，因为它的内部已经连接了一个100k的电阻。第74、77引脚决定网络的接口类型，使用自动检测。由于设计中没有使用BROM，第67、68、69、71、72引脚悬空。RTL8019AS的IOCS16B引脚通过一个27k的电阻拉低，使得RTL8019AS工作在8位数据总线模式。第81、82、84、85引脚决定RTL8019AS的I/O地址，都悬空，使用地址300H，这样只需要4根地址线就可以访问RTL8019AS的I/O地址00～1FH。
RTL8019AS可连接同轴电缆和双绞线，并可自动检测所连接的介质。第64引脚AUI决定RTL8019AS与以太网的连接是使用AUI还是BNC，或是UTP接口。AUI是10 BASE5粗缆网线的接口，现在已很少用；BNC是10 BASE2细缆网线的接口，现在也用得不多；UTP是10BASE-T双绞网线的接口，现在使用非常广泛。AUI为高电平时使用AUI接口，为低电平时使用BNC或UTP接口。在这里我们使用最常用的UTP接口，将该引脚悬空即可。网络接口的具体类型由第74、77（PL0、PL1）引脚决定，将这两个引脚接地，即自动检测方式。这时RTL8019AS会自动检测接口类型，然后进行工作。如果检测到10BASE-T电缆信号，则选择接口类型为UTP，否则选择接口类型为BNC。为了抗干扰和增加驱动能力，信号需要通过网络变压器后再接网络接口，这里选用集成网络变压器的RJ45接口HR901170。
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