一种电表信号采样隔离方案的设计

蔡成炜，周步新，朱详贤

(苏州工业职业技术学院 电子与通信工程系，江苏 苏州 215104)

一种电表信号采样隔离方案的设计

蔡成炜，周步新，朱详贤

(苏州工业职业技术学院 电子与通信工程系，江苏 苏州 215104)

讨论电表信号隔离传输的意义，分析目前各种实现手段的优缺点，提出一种数据隔离设计方案.方案采用ELAN公司的EM78P372N单片机为核心，用 12 bit AD采样电表输入信号，数字信号通过光电耦合器进行自定义协议与后级单片机通信，实现有效隔离.测试结果表明，方案的电路设计合理，准确率高，成本低，安全性能好，具有很好的应用前景.

EM78P372N单片机；隔离方案；AC-DC电源

为了提高智能电表高压工作时的电气安全特征，越来越多的电表生产厂家在设计时采取输入信号隔离采样电路.特别是在煤矿井中作业时，现场环境恶劣，电磁干扰较大，对电表的安全使用要求更高.目前的数显电压表需要同时兼容交直流两种电压信号的测试，对于交流电压的隔离取样通常采用霍尔传感器、电压互感器、光电耦合器部件[1]，但如果兼顾直流电压的隔离取样这些部件的设计就存在缺点.霍尔传感器加上适当的输出放大电路虽然可以较好地完成电压的测量，但由于霍尔传感器是电流传感器，影响输入电压的精度，会导致采样准确度降低，而且价格较为昂贵，设计成本较高[2]；电压互感器或者变压器在测交流信号时可以实现电压的隔离采样，但是在体积和成本因素的影响下发展受到了一定的制约，特别是在测直流信号时，考虑到要将直流信号变成交流信号再用该方法进行隔离，增加了电表的体积、重量和成本，而且很容易产生干扰；利用光电耦合或光电耦合补偿放大器来进行信号的隔离，尽管设计成本和产品体积与前两者都有优势，但光电耦合的线性区很小，限制了隔离信号的变化范围，难以满足隔离线性度及精度的要求.电压转调频脉冲采样方案是巧用频率变换器，先把待测电压经过频率转换器变成频率信号，再由光耦进行隔离，把得到的频率送给后级的单片机计算出相应的电压，理论上讲，它比把直流变交流，再用测量变压器进行隔离来得简单、体积小、可靠，但该方案处理过程较为复杂，成本较高，而且光耦的线性度也很难控制.为了解决交直流电表的精度、成本、体积问题，笔者设计一种交直流电压表中信号采样的高精度、低成本隔离方案.

1 电路的设计方案

设计方案是将被测信号进入电压衰减电路后直接送到低成本EM78P372N单片机进行12 bit分辨率AD采样，将采样后的数字量自定义通信协议与电表的后级单片机进行数据通信，实现利用光耦的数字隔离，提高电表的安全性.同时，隔离前后的2块单片机配有2路隔离的AC-DC电源，系统设计框图如图1所示.

图1 系统设计框图

1.1 硬件设计系统的硬件主要有两部分电路组成，AC-DC电源供电电路设计和隔离方案电路设计.

1.1.1 AC-DC电源设计

本设计方案需要一个2路独立互不供地的+5 V电源供隔离前后的单片机，使用SDC602芯片控制的反激式隔离电源，如图2所示.220 V的交流电经过整流桥后，得到接近300 V的非隔离直流电压，输入电压通过启动电阻让SDC602工作，从而SDC602进入PWM控制状态，自身内部集成的高压功率开关管产生开关信号，使得变压器的原边线圈不断地储能，当内部开关管关断后再通过变压器的副边线圈，将储存的能量释放，以TL431内部的2.5 V为参考电压，与电源分压输出的电压比较，再通过光耦反馈到SDC602的2脚，不停调整SDC602方波脉宽，使得副边上产生的电压经过快恢复二极管整流后得到所需的5 V直流电压，供后级单片机PIC16F883使用；副边的另一组线圈是不带反馈的，直接通过TL431稳定在5 V的直流电压供前级单片机EM78P372N使用.

图2 AC-DC电源设计

1.1.2 隔离方案电路设计

由于光电耦合的线性区很小，限制了隔离信号的变化范围，利用光电耦合或光电耦合补偿放大器进行直流信号的隔离，难以满足隔离线性度及精度的要求.本设计采用低价位的ELAN单片机，通过单片机内部自带的12位AD采样电压，把采样得到的电压数字量通过光耦传送主控单片机PIC16F883，由于本设计巧妙地利用光耦的开关特性获得逻辑电平数据，克服了光电耦合的线性区小的问题.电路设计如图3所示，数据传送端分3个接口，分别为传送检测端ct1、时钟端sck1和数据端di1.

图3 隔离方案电路设计

1.2 软件设计

EM78P372N单片机上电后，先检测输入信号的交直流类型，直流直接采样电压值，交流要通过峰值采样算法得到输入信号的电压值，再将电压的数字值变成4位8421BCD码按照从低位到高位的顺序进行数据发送，自定义波特率及通信协议，后级单片机通过光耦接收到前级单片机发过来的4位BCD码，然后进行电表后面的数据处理，前级单片机主流程图和后级单片机接收子流程图如图4所示.

图4 系统流程图

2 测试结果

按照软件设计中数据通信协议，前级单片机采样出的电压数字量会拆成个、十、百、千4位数据发送给后级单片机，如图5所示.选择前级衰减后电压0 V点、5 V点测试，采用4通道数字示波器测试序波形图，上面是ct1波形，低电平时传输数据，高电平时释放总线；下面是sck1波形，每来一个时钟脉冲，传输一位二进制数据，总计32个脉冲波形，传输4位BCD码；中间是di1波形，在0 V、5 V测试点显示数据分别为0000、4096四位十进制波形.

图5 ct1、di1和sck1时序波形图

通过示波器测试电路隔离前后的数据，如表1所示，数据传输精确率达100%.

表1 隔离前后的数据测试表

3 结论

本方案设计的电路已应用于电表设计的实践项目中，能很好地进行数据协议的转换，可以扩展应用到三相电表中以及其他需要数据隔离的场合[3].测试结果表明，本方案电路设计合理、准确率高、成本低、安全性能好，具有很好的应用前景.

[1]赵忠凯，姚继忠. 交流电压隔离取样与光耦的线性化应用[J]. 通信电源技术，2010(1)：55-56.

[2]魏炜. 数字隔离器及其在高速数据采集系统中的应用[J]. 工业控制计算机，2007(20)：17-18.

[3]Petre M. 数字隔离器在智能电能计量中的应用[J]. 今日电子技术，2012(4)：44-45.

(责任编辑：沈凤英)

The Design of an Electric Meter Sampling Isolation Scheme

CAI Cheng-wei，ZHOU Bu-χing，ZHU Xiang-χian
(Department of Electronics and Tele-communication Engineering，Suzhou Institute of Industial Technology，Suzhou 215104，China)

This paper discusses the significance of electric meter transmission signal isolation，analyzes the advantages and disadvantages of various implementation methods at present，and proposes a data isolation design. The design uses the low-cost ELAN's EM78P372N MCU as the control core，the 12 bit AD sampling the input signal and the digital signal communication with after level MCU by opticalcouplers to realize effective isolation. Through testing，the indicators meet the requirements of practical application of this design.

EM78P372N MCU；isolation scheme；AC-DC power

TM932

A

1008-5475(2014)03-0031-05

2014-05-27；

2014-06-20

苏州市中小企业嵌入式技术服务平台资助项目 (SZ201212)；江苏省网络电视工程技术研究开发中心课题 (SGYGCZX2012012 )

蔡成炜(1980-)，男，江苏宝应人，讲师，硕士，主要从事嵌入式系统设计、信息处理研究.