基于电能表的多路数据采集技术的研究

【摘要】 近年来计算机基本已经普及，计算机技术不断发展，在诸如学生宿舍用电和居民用电中，使用微处理器对若干个电能表进行自动数据采集并传输的设置逐渐增多。为了降低使用成本，一个装置需要完成12路或者6路电能表的数据实时采集，而国际电能表标准要求不同的电能表要按照不同的功率值输出不同的脉冲频率信号，这就导致多路数据采集中每个通道的采样频率存在很大差异，对数据传输可能造成各种干扰，因此必须对每个通道进行数字滤波，才能确保传输数据的准确度和可靠性。

【关键词】 电能表 采集技术 多路数据采集

引言：目前我国大部分多通道数据采集装置使用的都是嵌入式高性能微处理器，需要复杂的安装和使用技术，应用成本居高不下，对于多路电能表数据采集现场要求的操作方便、低成本等要求无法满足。经过研究和分析电能表的数据脉冲输出特性，总结出一种简单方便的能够实现多通道数据采集和数据过滤的软件方法，不需要使用复杂的电路，使用成本较低，安装操作都很方便，能够满足学生宿舍、居民公寓等场所的集中抄表需求，目前这种软件采集方法已经投入使用。

一、电能表多路数据采集技术的原理

电能表是一种输出电能量的装置，在民用场合如居民公寓、学生宿舍等，使用的大部分是单项两线制电能表，按照国际和国家电能表规定，单相电能表每千瓦时需要输出的脉冲输出信号为3200个，而在不同的负载功率下，电能表需要输出不同的脉冲频率，通过测量电能表发出的脉冲信号，可以精确地计算出当前电能表的有功功率值。目前我国单相两线制电能表使用的计量芯片主要有三种：CS546X、AD775X和BS0932，计量芯片的主要作用是获取当前电路负载的工作电压和工作电流，通过芯片内部的DSP运算得到分路负载累计平均有功功率值。这些计量芯片能够提供两种功率接口，一种是频率较高的输出接口，可以用光电耦合器和LED等将数字输送到微处理器进行处理；另一种则是驱动能力强但是频率不高的计度器接口，能够直接驱动小型的计度器马达实现计量功能。因为具备了高频数字输出接口，因此能够对电能表方便的进行现场校验和功率计量。

一般的电能计量装置和测试装置都能通过计量芯片的高频数字输出接口计算和计量分路负载的功率，高频数字输出接口提供的计量参考一般是仪表常数也就是每千瓦时3200脉冲。按照这个标准计算，CS5466输出接口的频率输出特性与ADE7755差异很小。大部分电能计量装置设置的脉冲高电平宽度为90ms，这样的设计实际上也为微处理器测量脉冲周期提供了一个确定的标准，并且这个脉冲高电平宽度也能够满足电能表计量精度和计量范围的需求。如果电能表每千瓦时能够输出3200脉冲的高频脉冲，那么可以通过下面的算式计算脉冲和负载工作电流之间的关系：

分析上述结果，可以看到，当负载工作电流最大时，数字接口脉冲频率周期约为170ms宽度，低电平脉冲和高电平脉冲的占空比约等于1，因此负载工作电流达不到最大时，占空比小于1，一般情况下电能表计量芯片将脉冲恒定宽度设置为90ms是较为合适的。

对于电能表数据采集和数字滤波，电能表采用的是捕捉电能计量芯片高频数字输出接口的脉冲来计量功率。微处理器检测高频脉冲数量并经过计算转化为分路负载的有功功率。虽然对我们而言170msD瞬即逝，但是对于微处理器来说是相当长的变化时间，因此微处理器能够轻松识别，如果不需要测量分路负载电流，那么就不需要精确测量高频接口的输出脉冲周期。如果要计量脉冲信号，那么就需要识别脉冲电平的变化。常见的检测方法有两种，一种是检测电平，另一种是脉冲上升沿检测。两种技术的差异在于电平检测方法简单，不需要复杂的电路，而脉冲上升沿检测则需要复杂的电路，因此电平检测可以用软件方法实现。本文中对于电平的检测采用定时扫描的方式，每个周期扫描一次脉冲信号，当信号电平从1到0变化时，认为是一个下降沿；当信号电平从0到1变化时，认为是一个上升沿。通过对信号电平的检测来计算脉冲数量，进而计算有功功率。数字信号在传输时必然会受到干扰，因此微处理器需要对信号进行滤波处理。一般按照过采样的方式，要确保数据的准确度需要对信号进行三次连续采样，其中两次相同就可以认为是有效的信号，也可以每检测五次信号，取其中相同的三次数值作为有效信号。信号的采样周期至少是信号周期的两倍，这样才能确保采样信号的可靠性。如果电能表检测的是高频输出信号，那么高电平脉冲宽度应该恒定为90ms，根据上述理论，要确保监测信号的可靠性，那么采样时间应该不大于45ms，为了监测方便，取采样时间间隔为10ms，每个信号采样三次，这样识别一个信号需要30ms。

如果采集和识别的是单通道信号，运用上述方法能够通过软件方法方便的实现，如果需要采集多路信号，而微处理器的处理能力、存储能力都是有限的，给数据的采集和识别带来了一定困难。假设我们需要处理8通道信号，要采集每个通道的信号并滤波，软件运行代码需要一定的时间，并且每个通道都需要占用一定的内存，处理8通道所使用的时间和资源最少为单通道的8倍，而微处理器还要同时处理键盘输入、数据通信和显示等任务，要确保信号的准确性，需要控制好信号采样的间隔时间不能太短，目前设计需要研究的问题就是如何运用最简洁的代码和最少的资源实现多通道数据采集。

二、多路数据采集的技术实现方法

以目前最为常见的8通道数据采集为例，探讨如何用软件方法实现多通道数据采集和滤波技术。假定我们使用8051型微处理器，读取数据的端口为P0，每次读取8个通道的信号，每隔10ms就扫描一次端口P0，每隔通道都需要扫描三次，确定电平的状态。8通道的每个通道信号频率都不一样，因此我们使用一个过滤窗口筛选信号，每次扫描信号后，微处理器需要根据通道在窗口的状态判断电平的状态，只有三个状态全部是0或者全部是1时，才能认为这是有效的低电平或者高电平，将此次检测的通道状态与上次检测的通道状态相比较，如果不同则可以认为是有效的脉冲，计数增加1即可。