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1、基于NIOSII的电能表现场校验仪系统设计张庆辉I 崔勇2 张强？（1河南工业大学河南郑州450001;2华北电力大学 经济与管理学院，北京102206;3郑州瑞能电气有限公司 郑州450001 ）摘要：为了解决多路电丿玄、屯流同步交流采样以及运算精度不高的问题，设计开发了基 于NIOSII的电能表现场校验仪。给出了系统架构、电压采集模块、电流采集模块、A/D 转换模块、过零检测电路和软件开发流程。相对于传统的DSP或专用计量芯片实现方 案，该设计具有设计灵活、处理速度快、运算精度高等特点。测试结果表明，该系统工 作稳定、误差小。关键词：现场校验仪；NIOSII；系统设计；误差校准Design
2、 of NIOSII based Field Calibrator for Electric Energy MetersZhang Qing-hui1 Cui Yong Zhang Qiang(1 Henan University of Technology Henan Zhengzhou 450001.2 School of Economics and Management, North China Electric Power University, Beijing 102206.3 ZhengZhou runner electric CO. LTD., Henan Zhengzhou 4
3、50001)Abstract: To solve the problems of alternating current and voltage synchronous sampling and low operational precision, a NIOSII based field calibrator for electric energy meters has been developed and designed in this paper. The overall structure of the system, the voltage sampling module, the
4、 current sampling module, the A/D conversion module and the zero-crossing detecting circuit as well as the software developing flow have been presented. Comparing with the traditional implementing strategy of DSP or special metering IC, the proposed design is flexible and will offer rapid and accura
5、te performanee. The results of test indicate that the system will operate stably and accurately.Key words: field calibrator, NIOSII, system designing，error calibrating0引言随看电力工业的发展，可带到现场进行实地 测试的便携式电能表现场校验仪应运而生人在 设计与开发中，要对三相电压、三相电流进行同 步采集。传统的电能表现场校验仪通常采用DSP 或专用计量芯片进行参数计算，会出现周期长、 运算精度不高等问题，尤其在同步報周期均匀采
6、样时，这种矛盾更加突出。为了解决这一矛盾， 木文采用FPGA芯片EP4CE15F17C8控制 ADS8556高速A/D转换芯片对模拟信号进行采 样，并用NIOS软核处理器实现对电能的计量。1系统总体方案设计1.1系统架构本设计采用FPGA芯片EP4CE15F17C8,在 芯片中,32位的NIOSII软核处理器是核心模块。 它是一个用户可配的通用32位精简指令集计算 机软核处理器，扩展了软核嵌入式处理器的性 能。相对于硬核处理器，NIOSJI软核处理器更具灵活性。使用Altera的QuartusII软件、SoPC Builder工具以及NIOSII集成开发环境(IDE), 川户可以轻松地将NIO
7、SII处理器嵌入到所设计 的系统中。利用FPGA性能优良的硬件设计电路 将备个模块一起嵌入到NIOSII中。在NIOSII 中对数据进行处理，整套系统高度集成，具冇较 强的T程丿、Z用价值。为了增强系统的可移植性，整个系统设计成 双层板，上层板为FPGA最小系统板，包括主 芯片 Altera Cyclone 器件 EP4CE15F17C8、 4Mbits 的 EPCS4I8 配置芯片、1 Mbytes (256k*32bit)SRAM 和 2Mbytes(2M*bit)NOR Flash ROM,其功能框图如图1所示，作为整个 系统的数据处理模块。下层板为扩展板，主要由 数据采集模块、电能计量
8、模块、外围接口模块和 电源管理模块几大部分成。上层板与下层板Z间 川插槽相连，整个系统的总体框图如图2所示。 以中，数据采集模块主要负责对三相电压电流的 采集；电能计最模块按现场校验的方法处理采集 到的数据；外围接口模块主要通过键盘将校验参 数输入系统和把检测的数据显示出来。数据采集 和电能计量模块是电能表现场校验仪整个系统 中最重要的部分。WMHzf；詡彼时钟JTAG调试接LICyclonekHLtloKIVIX扩展接U图1 FPGA最小功能框图Minimum functional block diagram ofFPGA协一图2电能表现场校验仪总体框图Fig.2 Overall block
9、 diagram of electric energymeter field calibrator1.2硬件开发经过互感器取样后的三相电压、三相电流变 为小信号，经前端信号调理后送到AD芯片，由 NIOSII处理器对采样得到的离散数字序列进行 处理得到测量值。(1) 电压采集模块电压信号通过比例电阻网络，经过可编程放 大器(AD526)麻接入到高精度16位模数转换器 (ADS8556)。电压采集模块如图3所示。图3电压采集模块框图Fig.3 Block diagram of the voltage acquisition module电压采集电路使用对信号影响最小的比例 电阻分压方式，使用四个
10、50K电阻纟H.成200K电 阻网络可以提高电阻网络耐压特性。三相交流电 压通过200K和1K比例电阻后输出至可编程放 大器。采样电阻全部使用精密超低温漂电阻，降 低温度对系统计量谋并的影响。(2) 电流采集模块真接接入的电流信号使用50(): 1超精密电流 互感器，通过仪表运放(AD623)进行增益调整， 然示通过模拟开关与钳型电流互感器输出信号 进行切换。模拟开关输出信号再经过可编程放大 器示输出至ADCo电流采集模块如图4所示。钳形电流互感器按量程有5A、20A、100A、 200A. 500A、1000A等，互感器输出电流经过 采样电阻后连接至仪表运放(AD623),放大输岀 的电压信
11、号连接到模拟开关。图4电流采集模块框图Fig.4 Block diagram of the current acquisition module交流电流信号经过电流互感器示通过采样 电阻变成电压信号，采样电阻的大小受互感器功 率的影响，ADC的输入电压范围4.096,采用 AD623放大至满量稈附近，并且提高信号对后 级电阻的驱动能力。(3) A/D转换模块木设计的A/D转换芯片采用TI公司的 ADS8556,是一款6路模拟输入、16位并行输 出的模数转换器，最高采样速率可达630RSPS, 内置采样保持电路，采样速率是常规16位ADC 两倍以上。同时具有低功耗、与FPGA接口方便 等特点，非
12、常适合于对三相电流、三相电压等 6路信号的采集。由于该ADC是并行采样，可 以大幅度降低单通道ADC采样切换延时对信号 相位的影响。FPGA使用并行数据总线和ADC通信，采 样速率为625kSPS。(4)过零检测电路在硬件设计中，为了提高基波相位的计算准 确度和减少FPGA资源占用，硬件上增加了六通 道四阶模拟低通滤波器和过零检测输出电路。 FPGA通过对方波时间间隔的计算，可以准确测 量出输入信号的基波相位。如图5所示。BVADC3V3图5过零检测电路Fig.5 The zero-cross detection circuit过零检测电路采用滞冋比较器芯片 (MAX9060)实现，可编程放大
13、器输出的交流电压 小信号从0V上升到0.6V后，比较器输出逻辑 高，从0.6V下降到0V以下，比较器输出逻辑 低。滞冋比较器可以有效的消除谐波和电源波纹 对过零脉冲的影响。1. 3软件设计木系统中软件主要实现的功能为：在一个周 期内对三相电压、电流这六路信号完成256个 点的等间隔同步采样:对采样的六纽数据按照前 面现场校验仪校验方法的实现中提到的算法计 算出A、B、C三相电压、电流的有效值，功率 以及谐波分析；将计算后得到的功率转换成频 率并通过输入电能表常数从而得到相丿、Z的标准 脉冲，与实测脉冲讲行对比，用校验算法完成对 电能表的校验并得出电能表的计量误弟凶。功能 框图如图6所示。电 n
14、un a I AftrMio图6电能计量功能框图Fig.6 Functional block diagram of electric energy meteringS)(1)(2)（I）电压、电流有效值计算离散化后的电乐、电流、功率有效值表达式:对于时间采样信号,有效值（均方根）计算涉 及求信号的平方、求平均值，然后获得平方根。 如公式（1）所示。在软件算法上，首先对ADC输出的数字信 号进行数字增益调整，以降低电阻、PGA等硬 件参数谋羌对系统精度的影响，如图6所示。为了降低滤波计算过稈中带来的课差，FPGA内部对ADC 625KHZ的输出信号进行分 频，得到5KHZ信号，然后使用双精度浮点
15、进行 计算,对该信号的平方进行低通滤波（LPF）并求 取结果的平方根仿真。双精度浮点计算虽然占用 FPGA大量的资源，但是输出的结果和仿真是完 成致的切。过低的滤波阶数会影响滤波器输出 稳定性;过高的滤波阶数则会增加FPGA资源和 时钟消耗，并且滤波器稳定时间会延长。经过不 同阶数的滤波器输出比对，系统采用四阶低通滤 波器。（2）有功功率计算电压、电流的增益输出信号经过数字乘法器 电路后，也通过数字增益调粥，进一步降低功率 计算的误差，经过分频得到5KHZ信号，然后经 过低通滤波器的输出即为有功功率。（3）无功功率计算电流的增益输出信号经过数字移相滤波器 （LPF）后和电压增益输出信号相乘，并通过功率 增益调整、分频、低通滤波示得到无功功率。 LPF对低于2KHZ的基波电流和谐波电流信号 移相90 o（4）高精度电能计算对各相冇功、无功瞬时功率的增益输出通过 625KHZ的采样速率直接进行累加，达到内部溢 出值示，输出有功、无功电能脉冲。内部溢出值 根据电能脉冲常数进行调整。（
