一种专线用户节能潜力和电能质量智能诊断仪
阅读：881发布：2024-02-26
专利汇可以提供一种专线用户节能潜力和电能质量智能诊断仪专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本实用新型提供一种基于双TMS320F2812的专线用户节能潜 力 和 电能 质量 智能诊断仪，此仪器用于对专线用户的能耗数据进行连续在线监测与记录，同时将记录数据通过外部 接口 导入到可移动 存储器 中，并经上位机 软件 进行详细分析得到专线用户节能潜力报告，本实用新型基于最新的双DSP架构、高 精度 A/D 采样 技术、 大容量存储 技术和友好 人机交互 技术，并采用科学的测量手段，保证待测用户电能数据精准实时在线自动监测记录，本实用新型具有采样速度快，计算精度高，便携易操作，智能化强等特点，同时该实用新型具有远程通信功能，可服务于更高层的企业信息分析和管理系统。，下面是一种专线用户节能潜力和电能质量智能诊断仪专利的具体信息内容。
1.一种专线用户节能潜力和电能质量智能诊断仪，其特征在于，包括可移动存储器和依次连接的数据采集单元、数据分析单元、DSP外围功能模块；可移动存储器连接至所述数据分析单元；数据采集单元连接至专线用户待测线路；
所述数据采集单元包括信号传感模块、信号调理模块和A/D采样模块；
所述数据分析单元包括1#DSP数据分析芯片和2#DSP数据分析芯片，其中，1#DSP数据分析芯片连接至A/D采样模块；2#DSP数据分析芯片通过SPI串口通信接口连接至1#DSP数据分析芯片；
所述DSP外围功能模块包括外围接口模块、DSP外围扩展模块、数据读写模块和人机交互模块，DSP外围功能模块连接至所述数据分析单元的2#DSP数据分析芯片；
所述可移动存储器连接至DSP外围功能模块中的外围接口模块。
2.根据权利要求1所述的一种专线用户节能潜力和电能质量智能诊断仪，其特征在于所述数据采集单元包括信号传感模块、信号调理模块和A/D采样模块；
其中，信号传感模块采用霍尔传感器CLSM-10mA，用来把高的电压转换成低的电压；
信号调理模块采用抗混叠滤波器、OP4227运算放大器、比较器、锁相环电路、采样保持器和A/V转换电路，该模块对采样频率进行256次倍频；
A/D采样模块采用MAX1324芯片，14位，8通道，同步采样ADC转换器，具有优异的动态特性和直流特性。
3.根据权利要求1所述的一种专线用户节能潜力和电能质量智能诊断仪，其特征在于所述数据分析单元中的1#DSP数据分析芯片和2#DSP数据分析芯片采用TMS320F2812芯片；
其中，1#DSP数据分析芯片和2#DSP数据分析芯片之间通过SPI串口通信接口连接；
1#DSP数据分析芯片接至A/D采样模块，2#DSP数据分析芯片接至所述DSP外围功能模块。
4.根据权利要求1所述的一种专线用户节能潜力和电能质量智能诊断仪，其特征在于所述DSP外围功能模块包括外围接口模块、 DSP外围扩展模块、数据读写模块和人机交互模块；
其中，外围接口模块主要采用RS-232接口，DC+5V接口，SD卡接口和USB接口；
DSP外围扩展模块主要包括RS232通信电路，外围时钟电路，外扩RAM电路和外扩FLASH电路，外围RS232电路采用UART芯片TL16C550和SP3232芯片，外围时钟电路采用Dallas公司的串行时钟芯片DS1305，外扩RAM电路采用IS61LV25616AL芯片，外扩FLASH电路采用SST39VF800芯片；
数据读写模块主要包括数据读写电路，SD卡接口电路和U盘接口电路，数据读写电路采用CH376文件管理芯片，与所述2#DSP连接；
人机交互模块主要包括电平转换电路，显示模块和键盘输入电路，电平转换电路采用
74ALVC16245芯片，显示模块采用LCD12864液晶。
5.根据权利要求1所述的一种专线用户节能潜力和电能质量智能诊断仪，其特征在于利用IS61LV25616AL芯片和SST39VF800芯片分别来扩展所述1#和2#DSP的RAM和FLASH，使DSP可执行大容量程序，存储大容量数据。
6.根据权利要求1所述的一种专线用户节能潜力和电能质量智能诊断仪，其特征在于可移动存储器采用大容量SD卡或U盘，利用文件管理控制芯片CH376读写至少一周的监测记录数据量并存储在SD卡或U盘中。
一种专线用户节能潜力和电能质量智能诊断仪
所属技术领域
[0001] 本实用新型涉及专线用户节能潜力诊断和电能质量综合治理领域，特别是涉及一种基于双TMS320F2812的专线用户节能潜力和电能质量智能诊断仪。
背景技术
[0003] 目前电网公司的市场营销部门的大用户负荷终端的数据采集系统已经能够获得用户的整体用电情况，但大用户终端无法收集用户内部配电系统及负载的详细用电情况。根据前期大量走访调研后发现，多数大用户内部的配电系统只配了少量的电气模拟仪表且无任何存储功能，仅有少数先进的大型企业内部有较为完整的电气监测和数据采集系统。
[0004] 同时，在市面上使用的美国Fluke435和日置HOIKI3196等电能质量监测仪一般售价都在七八万元左右，不利于一般小企业进行节能潜力诊断和电能质量综合治理，因此不能很好地在市场上推广。实用新型一种基于双DSP的专线用户节能潜力和电能质量智能诊断仪，对用户低压侧配电系统耗能数据进行长时间实时监测和记录，为上位机软件进行分析诊断提供充足的数据支持。同时利用双DSP交互数据处理技术、现代电力电子技术、高精度A/D采样技术、人机交互友好界面技术、大容量存储技术等，使得该仪器具有成本低、可携带方便、采样精度高、计算准确、操作性强、容易观察、可超长时间连续记录、实用性强等特点，可有效解决专线用户节能潜力诊断和电能质量综合治理投入成本过高的问题。
[0005] 基于此，本实用新型提供一种基于双TMS320F2812的专线用户节能潜力和电能质量智能诊断仪。实用新型内容
[0006] 本实用新型提供一种基于双TMS320F2812的专线用户节能潜力和电能质量智能诊断仪，大大降低专线用户节能潜力诊断和电能质量综合治理方面的成本，大幅度提高电气节能诊断工作和电能质量综合治理的效率，信息化程度和自动化程度。
[0007] 一种专线用户节能潜力和电能质量智能诊断仪，其包括可移动存储器和依次连接的数据采集单元、数据分析单元、DSP外围功能模块；可移动存储器连接至所述数据分析单元；数据采集单元连接至专线用户待测线路；
[0009] 所述数据分析单元包括1#DSP数据分析芯片和2#DSP数据分析芯片，其中，1#DSP数据分析芯片连接至A/D采样模块；2#DSP数据分析芯片通过SPI串口通信接口连接至1#DSP数据分析芯片；
[0010] 所述DSP外围功能模块包括外围接口模块、DSP外围扩展模块、数据读写模块和人机交互模块，DSP外围功能模块连接至所述数据分析单元的2#DSP数据分析芯片；
[0011] 所述可移动存储器连接至DSP外围功能模块中的外围接口模块。
[0012] 进一步，所述数据采集单元包括信号传感模块、信号调理模块和A/D采样模块；
[0015] A/D采样模块采用MAX1324芯片，14位，8通道，同步采样ADC转换器，具有优异的动态特性和直流特性。
[0016] 进一步，所述数据分析单元中的1#DSP数据分析芯片和2#DSP数据分析芯片采用以TI公司生产的TMS320F2812芯片；
[0017] 其中，1#DSP数据分析芯片和2#DSP数据分析芯片之间通过SPI串口通信接口连接；
[0018] 1#DSP数据分析芯片接至A/D采样模块，2#DSP数据分析芯片接至所述DSP外围功能模块。
[0019] 进一步，所述DSP外围功能模块包括外围接口模块、 DSP外围扩展模块、数据读写模块和人机交互模块；
[0020] 其中，外围接口模块主要采用RS-232接口，DC+5V接口，SD卡接口和USB接口；
[0021] DSP外围扩展模块主要包括RS232通信电路，外围时钟电路，外扩RAM电路和外扩FLASH电路，外围RS232电路采用UART芯片TL16C550和SP3232芯片，外围时钟电路采用Dallas公司的串行时钟芯片DS1305，外扩RAM电路采用IS61LV25616AL芯片，外扩FLASH电路采用SST39VF800芯片；
[0022] 数据读写模块主要包括数据读写电路，SD卡接口电路和U盘接口电路，数据读写电路采用CH376文件管理芯片，与所述2#DSP连接；
[0024] 进一步，所述1#TMS320F2812芯片和2#TMS320F2812芯片之间通过高速串行通信接口实现DSP与外部设备或另一个DSP之间的高速串行通信。
[0025] 进一步，利用IS61LV25616AL芯片和SST39VF800芯片分别来扩展所述1#和2#DSP的RAM和FLASH，使DSP可执行大容量程序，存储大容量数据。
[0026] 进一步，可移动存储器采用大容量SD卡或U盘，利用文件管理控制芯片CH376读写至少一周的监测记录数据量并存储在SD卡或U盘中。
[0027] 该实用新型的基于双TMS320F2812的专线用户节能潜力和电能质量智能诊断仪具有以下优势：
[0028] 1、该实用新型基于双DSP数据芯片TMS320F2812架构，一块DSP专门用于控制数据采集，一块DSP专门用于对数据进行分析计算、实时显示和存储控制。两块DSP分工合作，通过SPI高速串行通信接口进行1#DSP和2#DSP之间的通信，提高数据采集、分析和处理速率，保证高精度、快速检测和处理各项数据，包括三相及零线电压电流、功率因素、有功功率、无功功率、视在功率、电压偏差、频率偏差、基波功率因素、三相电压不平衡、三相电流不平衡、各次电压电流谐波量、各次谐波畸变率等电力参数，为专线用户节能潜力诊断和电能质量综合治理分析软件提供精确、详细的支持数据，对充分挖掘专线用户节能潜力和解决电能质量问题具有重要的意义。
[0029] 2、本实用新型采用MAX1324芯片作为AD采样数据芯片，测量精度高，转换速度快，转换时间大大减少，而且也减少了AD转换芯片硬件设置和软件设计的复杂度，通过1#DSP对AD采样芯片实施同步ADC转换控制，保证采样同步进行并在一个周期内采样128点。
[0030] 3、利用过零比较和锁相倍频采样方法，可消除采样不同步和周期测量误差对测量精度的影响。
[0031] 4、从成本控制及系统优化上考虑芯片选型，利用双DSP架构，充分利用DSP片上资源和外设资源，使得仪器简约高效，具备测量专线用户节能潜力诊断和电能质量综合治理所需的支持数据，相比市面上的Fluke系列和日置3196系列电能质量分析仪，成本降低了不少。
[0032] 5、该实用新型采用大容量SD卡或U盘，灵活多变，且可移动，可大容量存储一周以上的专线用户低压侧配电系统在线监测数据，使得监测数据的拷贝更为方便，为上位机软件提供足够的用户用电情况、电能质量和能耗情况等方面的记录数据，并实现专线用户节能潜力诊断和电能和质量综合治理就地分析，对于专线用户企业生产来说，具有很重要的意义。附图说明
[0034] 具体实施方式
[0035] 下面结合附图对本实用新基于双TMS320F2812的专线用户节能潜力和电能质量智能诊断仪的具体实施方式作详细描述。
[0036] 图1是一个实施例的基于双TMS320F2812的专线用户节能潜力和电能质量智能诊断仪的系统原理框图，参见图1所示。
[0037] 实用新型由数据采集单元，数据分析单元，DSP外围功能模块，可移动存储器四个部分组成。其中，数据分析单元包括信号传感模块，信号调理模块和A/D采样模块；数据分析单元包括1#和2#DSP数据分析芯片；DSP外围功能模块包括外围接口模块，DSP外围扩展模块，数据读写模块和人机交互模块。本实用新型通过信号传感模块，采集专线用户低压侧配电系统待测线路三相电压、电流及零线电压电流，并经过信号调理模块进行抗混叠滤波、运算放大、过零比较、同步倍频、采样保持等一系列处理，处理的过程中，经抗混叠滤波处理后的三相电压及零线电压信号一部分经过OP4227运算放大器，一部分经过比较器和锁相环，并共同送入采样保持器进行采样保持；经抗混叠滤波处理后的三相及零线电压信号经OP4227运算放大器处理后也送至采样保持器，并经采样保持器处理后以4路电压信号（UA、UB、UC、UN）送入A/D采样模块的MAX1324采样芯片的CH4、CH5、CH6、CH7四个电压模拟量输入通道；而经采样保持器处理后的三相及零线电流信号通过A/V转换电路进行A/V转换处理后变成四通道电压型信号（M_IA、M_IB、M_IC、M_IN），并送入到A/D采样模块的MAX1324采样芯片的CH0、CH1、CH2、CH3四个电流模拟量输入通道。这八路模拟量输入信号（UA、UB、UC、UN、M_IA、M_IB、M_IC、M_IN）经高精度快速A/D转换后，以12位（DB0~DB11）数字信号送入到数据分析单元中的1#DSP，同时1#DSP的I/O口发出控制信号通过切块控制电路控制电压和电流放大倍数，同时对A/D采样模块进行同步A/D转换控制。这12路数字信号通过高速SPI串行通信接口由1#DSP传递到2#DSP，由2#DSP控制这12路数字信号送入人机交互模块的74ALVC16245电平转换电路，这些数字信号在该电路中进行锁存缓冲处理，最后通过液晶模块显示这些基本的电气量参数，同时通过按键输入电路操作液晶显示和保存、设置仪器参数。另外这12位数字信号经2#DSP芯片控制存储在外扩RAM（通过IS61LV25616芯片实现）中，并通过控制数据读写模块中的CH376文件管理芯片将外扩RAM中的数据读写到SD卡或者U盘，同时外扩FLASH（通过SST39VF800芯片实现）用来存储大容量计算处理程序。DSP芯片经DS1305时钟电路提高外部精准时钟，为仪器测量记录提供精确时间；#DSP芯片同时经SP3232通信芯片进行RS232数据通信，联系上位机数据管理系统。经SPI高速串行通信接口，1#DSP传递给2#DSP的12位数字信号，经数字滤波后进行快速傅里叶变换（FFT）处理分析，将处理信号分解为各次谐波电压和电流，处理分析得到的各电气量参数一方面经人机交互模块中的LCD12864液晶模块显示出来，另一方面经CH376文件管理芯片从外扩RAM中读写到外部SD卡或U盘可移动存储器中。这样一来，通过IS61LV25616芯片和SST39VF800芯片来扩展2#DSP的RAM和FLASH，以便存储大容量数据和计算程序。SD卡或者U盘的大容量存储功能保证仪器可连续记录至少一周的数据量，同时使该仪器具有可插拔移动存储的功能。
[0038] 2#DSP对来自1#DSP的数据进行实时计算处理，可以实现对三相电压、电流信号实时跟踪，实时计算电压有效值、电流有效值、电压电流三相不平衡度、有功功率、无功功率、视在功率、频率、功率因数和分析稳态谐波。这些电气量参数经通讯模块的GRPS无线通信或经SD卡、U盘导入到上位机节能潜力分析和电能质量综合治理仿真软件中，该软件基于Matlab仿真平台编写，可导出用户节能潜力分析报告和电能质量综合分析报告，包括电压波动和闪变，电压偏差，1~25次电压电流谐波，三相不平衡等电能质量指标治理措施。
[0039] 本实用新型基于双DSP架构，并采用现代电力电子技术、高精度A/D采样技术、人机交互友好界面技术、大容量存储技术等，使得该仪器具有成本低、可携带方便、采样精度高、计算准确、操作性强、容易观察、可超长时间连续记录、实用性强等特点，可有效解决专线用户节能潜力诊断和电能质量综合治理投入成本过高的问题
[0040] 基于双TMS320F2812的专线用户节能潜力和电能质量智能诊断仪包含4个部分：数据采集单元、数据分析单元、DSP外围功能模块和可移动存储器。其中，数据采集单元包括信号传感模块、信号调理模块和A/D采样模块；数据分析单元包括1#DSP和2#DSP数据分析芯片；DSP外围功能模块包括外围接口模块、DSP外围扩展模块、数据读写模块和人机交互模块；可移动存储器包括SD卡或U盘。具体各模块功能详细叙述如下。
[0041] 信号传感模块采集待测线路三相电压、电流及零线电压、电流，并将高电压、大电流转变为低电压、小电流，并引入到仪器采样板；
[0042] 信号调理模块对来自信号传感模块的4路低电压信号、小电流信号进行抗混叠滤波和运算放大，其中4路电压信号经抗混叠滤波和运算放大之后传递到采样保持器，4路电流信号经抗混叠滤波和运算放大后，经比较器和锁相环进行同步倍频256次处理后送入采样保持器，得到的倍频信号作为A/D采样的周期控制信号，实现了一个工频周期里采集256个点，即12.8kSPS，且这256个点间是同步间隔采样的，确保了测量数据的实时性和可靠性。从采样保持器出来的4路电压信号进入A/D采样芯片，4路电流信号则经A/V转换电路转换成4路电压型信号，并进入A/D采样芯片。因此，信号调理模块实现对4路电压、电流信号进行抗混叠滤波、运算放大、过零比较、同步倍频、采样保持等一系列处理后以8路电压型信号送入A/D采样芯片进行ADC转换；
[0043] A/D采样模块对来自信号调理模块的8通道模拟信号转换为12位数字信号DB0~DB11。1#DSP同步控制A/D采样芯片，保证在一个周期内同步采样256个点，从而使得测量数据具有实时有效性。
[0044] 1#DSP控制A/D采样芯片的片选和读写，对A/D采样芯片实施同步转换控制，使得一个周期内同步采样256个点，同时根据1#DSP检测到的电流信号的数量级，控制仪表放大器切换至相应的放大倍数进行放大，通过改变增益放大倍数来实现量程切换，保证各个数量级的电流信号的测量线性度和精度。1#DSP在实时控制电压电流采样通道和A/D采样芯片的同时，将来自A/D采样芯片的14数字信号通过SPI高速同步通信串行接口传递到2#DSP进行下一步计算处理。
[0045] 2#DSP对来自1#DSP的12位数字信号进行数字滤波和快速傅里叶（FFT）处理分析，可以实现对三相电压、电流信号实时跟踪，实时计算电压有效值、电流有效值、电压电流三相不平衡度、有功功率、无功功率、视在功率、频率、功率因数和分析稳态谐波。这些基本的电气量参数一方面通过人机交互模块中的液晶模块显示出来，另一方面存储在外扩RAM中，并通过CH376文件管理芯片读写到外部可移动存储器中。
[0046] 外围接口模块要为本实用新型提供各种接口功能。其中，SD卡接口用于插入SD卡，存储数据；USB接口插入U盘等可移动存储器；RS232接口实现数据通信功能；DC+5V接口为仪器提供﹢5V直流电源，保证仪器正常工作。
[0047] DSP外围扩展模块主要功能包括，一是利用UART芯片TL16C550和SP3232芯片实现RS232、RS485有线通讯方式和GPRS无线通讯方式，为数据电路端接设备（DCE）和数据终端设备（DTE）之间提供可靠、灵活的接口服务；二是采用Dallas公司的串行实时钟芯片DS1305为仪器提供外部精准时钟信号；三是利用IS61LV25616AL芯片和SST39VF800芯片分别扩展RAM和FLASH，使得2#DSP可大容量存储监测数据和计算程序；
[0048] 数据读写模块采用CH376文件管理芯片与2#DSP连接，实现对CH376芯片的片选、读写控制，将外扩RAM中的数据读写到可移动存储器中，其中，CH376文件管理芯片与所述U盘接口电路连接，其D-和D+端口控制U盘读写；CH376文件管理芯片与所述SD卡接口电路连接，其SD_CS、SD_D0、SD_CK、SD_DI端口控制SD卡读写，分别将2#DSP监测记录和计算数据存储在U盘和SD卡中。
[0049] 人机交互模块中电平转换电路输入接口连接在所述2#DSP芯片，其输出接口连接至液晶模块。按键输入电路连接至电平转换电路输入接口，控制显示模块。液晶模块连接在电平转换电路。由电平转换电路输出要显示的数字信号，并通过液晶模块显示出来，这些显示出来的数字信号包括各种对分析用户耗能情况有用的电气数据，包括三相电压、三相电流、三相功率、功率因数等等。
[0050] 可移动存储器包括SD卡和U盘，可大容量存储仪器监测记录数据，为上位机软件提供强大的基础数据支持。
[0051] 对各模块功能进行介绍。各个模块之间互相配合，保证专线用户低压侧配电系统耗能数据和电能质量数据实时存储和上传至上位机节电潜力分析和电能质量综合治理仿真软件，快速得出用户节能潜力分析报告和电能质量综合治理分析报告。
[0052] 本实用新型中，1#DSP和2#DSP之间以串行通信方式进行数据传输。两个DSP在串行工作方式下运行，这种串行工作方式可以通过DSP串口或DMA，也可以通过双口RAM，FIFO，甚至公共内存实现。也可以自己扩展串口及DMA通道，而双口RAM，FIFO及公共内存，一般都是由用户扩展而成。在串口通信方式下，利用DSP芯片本身带有的串口资源进行通信。此种通信方式连接简单，保密性强，不增加任何附加成本。2个控制器之间的通信连接以及所使用的功能模块框图。说明1#DSP和2#DSP之间的SPI和SCI两种串行通信接口。
[0053] SPI是一个高速串行通信接口，能够实现DSP与外部设备或另一个DSP之间的高速串行通信。应用中经常使用SPI接口和扩展外设的移位寄存器，LCD显示以及ADC等外设通信，也可采用主／从模式实现多处理器间的通信。
[0054] SPI接口有主和从2种操作模式。主控制器控制SPICLK信号，它可以在任何时刻启动数据发送。
[0055] 在工作在主模式下，SPI在SPICLK引脚为整个串行通信网络提供时钟。数据从SPISIMO引脚输出，并锁存SPISOMI引脚上输入的数据。SPIBRR寄存器确定通信网络的数据传输的速率，通过SPIBRR寄存器可以配置126种不同的数据传输率。写数据到SPIDAT或SPITXBUF寄存器，启动SPISIMO引脚上的数据发送，首先发送的是最高有效位(MSB)。同时，接收的数据通过SPISOMI引脚移入SPIDAT的最低有效位。当传输完特定的位数后，接收到的数据被发送到SPIRXBUF，以备CPU读取。
[0056] 在从模式中，SPISOMI引脚为数据输出引脚，SPISIMO引脚为数据输入引脚。SPICLK为串行移位时钟的输入。当从SPI设备检测到来自主控制器的SPICLK信号的合适时钟边沿时，已经写入SPIDAT或SPITXBUF寄存器的数据被发送到网络上。要发送字符的所有位移出SPIDAT寄存器后，写入到SPITXBUF寄存器的数据将会传送到SPIDAT寄存器。
为了能够接收数据，从SPI设备等待主控制器发送SPICLK信号，然后将SPISIMO引脚上的数据移入到SPIDAT寄存器中。
为了能够接收数据，从SPI设备等待主控制器发送SPICLK信号，然后将SPISIMO引脚上的数据移入到SPIDAT寄存器中。
[0057] 串行通信接口SCI采用双线通信的异步串行通信接口，支持标准的UART异步通信模式，并采用NRZ (no-return—zero)数据格式，可以通过串行接口与DSP或其他的异步外设进行通信。SCI接收器和发送器有自己的独立使能和中断位，可以独立的操作，在全双工模式下也可以同时操作。为保证数据完整，SCI模块对接收到的数据进行间断、极性、超限和错误检测。通过对16位的波特率控制寄存器进行编程，配置不同的SCI通信速率。SCI模块支持多处理器通信，有2种通信协议：空闲线多处理器模式和地址位多处理器模式，这2种协议允许在多处理器间进行有效的数据传送。同时，SCI还提供了通用异步接收／发送(UART)通信模式，能够与多种带有标准串口的外设进行通信。这里不再详细介绍。
[0058] 该原理图详细展示了仪器工作前半部分即信号采样的原理，该部分信号采样包括信号传感模块、信号调理模块、A/D采样模块和1#DSP数据分析芯片。该部分总的工作原理描述为：通过所述信号传感模块采集专线用户低压侧配电系统待测线路三相电压、电流和零线电压、电流，并经信号调理模块进行抗混叠滤波、运算放大、过零比较、同步倍频、采样保持等一系列采样调理处理，处理之后，三相电压经采样保持器处理后以4路电压信号（UA、UB、UC、UN）送入A/D采样模块的MAX1324采样芯片的CH4、CH5、CH6、CH7四个电压模拟量输入通道；而经采样保持器处理后的三相电流信号通过A/V转换电路进行A/V转换后变成四通道的电压型信号（M_IA、M_IB、M_IC、M_IN）并送入到A/D采样模块的MAX1324采样芯片的CH0、CH1、CH2、CH3四个电流模拟量输入通道。这八路模拟量输入信号（UA、UB、UC、UN、M_IA、M_IB、M_IC、M_IN）经过高精度快速地A/D转换后以12路（D1-D12）数字信号送入到1#DSP核心数据处理芯片，经1#DSP芯片进行一系列处理控制后通过SPI高速串行通信接口送入2#DSP进行下一步处理分析。
[0059] 所述信号传感模块包括电流钳（含AGND）、电压钳（含接地端UN）、霍尔传感器、仪表放大电路和切换控制电路。其中，电流钳采用KVL型电流钳，电流变比为4000:1，钳至待测线路的三相母线上，接地电流钳钳至待测线路中性线上，线路电流流动方向和电流钳正方向符合右手定则；电压钳选用50A型弹簧夹，用于引入待测线路三相电压至仪器，接至待测线路的母线排上，接地电压夹接至被测设备的接地端；霍尔传感器采用JLB-16型，用来把高电压转换成低电压，该传感器线性输出、高精度、响应速度快、抗干扰能力强, 连接至三相电压夹和三相电流钳信号输出端；切换控制电路，连接至仪表放大电路，可以根据1#DSP核心数据分析芯片检测到电流信号的数量级，控制仪表放大器切换至相应的放大倍数进行放大，通过改变增益放大倍数来实现量程切换，保证各个数量级的电流信号的测量线性度和精度；仪表放大电路，连接在电压电流互感器和抗混叠滤波器之间，具有精度高、低功耗、共模抑制比高、工作频带宽的特点，采用多级放大、滤波的方式，对电流信号进行逐级放大、逐级滤波，有效抑制干扰信号和噪声的影响，提高采样的精度和信噪比。
[0060] 所述信号调理模块包括：抗混叠滤波器、OP4227运算放大器、比较器、锁相环、采样保持器、A/V转换电路等。其中，抗混叠滤波器、运算放大器、采样保持器构成电压信号调理电路；抗混叠滤波器、比较器、锁相环、运算放大器、A/V转换电路构成电流信号调理电路。电压信号调理电路，对三相电压信号进行抗混叠低通滤波、运算放大和采样保持处理。处理后的电压信号带上电压接地信号UN共同构成4路电压信号，输入到A/D采样芯片；同时，由抗混叠滤波器、OP4227运算放大器、采样保持器构成一路电流信号调理电路。从抗混叠滤波器出来的电流信号，经比较器和锁相环后又输入到采样保持器中，从而构成另一路电流信号调理电路。两路电流信号共同经采样保持器保持后输入到A/V转换电路。内部结构描述如下。
[0061] 其中，抗混叠滤波器采用4阶Butterworth低通滤波器，并通过运算放大器连接至采样保持器；运算放大器采用OP4227运算放大芯片，对经过滤波处理的三相电压电流信号进行运算放大处理，保证精确采样；比较器采用过零比较电路，锁相环倍频电路由CD404、CD4040构成，CD4046为通用CMOS锁相环集成电路，由线性压控振荡器、2个相位比较器和低通滤波器电路组成。通过CD4040芯片的分频作用，使得该锁相环倍频电路对从过零比较电路出来的脉冲电压信号进行实时跟踪，当被测电压信号频率变化时，电路自动跟踪并快速锁定信号，始终保证采样频率为所测线路频率的256倍；A/V转换电路包括OP4227运算放大器和A/V转换开关，用于将采样保持出来的三相电流信号转换成电压型通道信号；A/V转换开关采用CD4052芯片，控制电流型信号向电压型信号转换，以送入到A/D采样模块进行ADC转换。
[0062] 所述A/D采样模块主要包括：A/D采样芯片。该A/D采样芯片采用MAX1324芯片，为8输入通道、14位高速、同步采样ADC转换器，连接在信号调理模块和1#DSP之间。其特点为：可提供±5V或0至+5V模拟出入范围，可提供±16.5V的过压保护，具有转换速率快、优异的动态特性和采集精度；具有独立的采样/保持（T/H）电路为每一通道提供了同时采样；采样速度高，转换8通道的时间可达3.8 us ，每通道的吞吐量达到250kps；双极性输入，无需负电源，提供+16.5V过压保护；具有先进/先出（FIFO）功能可减少接口开销，并可在转换结束或转换之间读取转换结果；无需校准，16.6MHz的14为双向并行接口可与高速CPU直接相连；内部集成了带宽为10MHz的S/H、+2.5V参考电压、内部时钟、8×14为SRAM以及选通采样通道的配置寄存器等；动态特性：SFDR=90dBc，SINAD=76.5dB，直流精度为±2LSB INL，±ILSBDNL；可工作在扩展级温度范围（-40℃~+85℃）。
[0063] MAX1324作为本A/D采样模块的核心处理芯片，可将8通道模拟信号转换为12位数字信号。8通道的模拟输入信号为M_IA，M_IB，M_IC，M_IN及CH_UA，CH_UB，CH_UC，CH_UN,分别输入到MAX1324芯片的CH0至CH7通道，由于MAX1324的快速采样性能，保证了测量数据的实时有效性，由1#DSP控制MAX1324的片选和读写，由DSP数据分析芯片保证一个周期内同步采样256个点。
[0064] 数据采样原理图还包括：1#DSP。1#DSP采用TMS320F2812数据分析芯片，和所述A/D采样芯片连接，同时与2#DSP连接。1#DSP主要功能包括：一是控制A/D采样芯片的片选和读写，对A/D采样芯片实施同步转换控制，使得一个周期内同步采样256个点；二是根据检测到的电流信号的数量级，控制仪表放大器切换至相应的放大倍数进行放大，通过改变增益放大倍数来实现量程切换，保证各个数量级的电流信号的测量线性度和精度；三是在实时控制电压电流通道放大倍数和A/D采样芯片的同时，通过SPI高速同步通信串行接口将数字信号传递到2#DSP进行下一步计算处理。
[0065] 该原理图详细展示了仪器工作后半部分即数据分析的原理，该部分数据分析包括2#DSP、DSP外围扩展模块、数据读写模块、人机交互模块、外围接口模块和可移动存储器。
该部分总的工作原理描述为：1#DSP将数字信号通过SPI高速串行通信接口传递到2#DSP，
2#DSP 对12位数字信号进行数字滤波和快速傅里叶（FFT）处理分析，可以实现对三相电压、电流信号实时跟踪，实时计算电压有效值、电流有效值、电压电流三相不平衡度、有功功率、无功功率、视在功率、频率、功率因数和分析稳态谐波。这些基本的电气量参数一方面通过人机交互模块中的LCD12864显示出来，另一方面存储在外扩RAM中，并通过CH376文件管理芯片读写到外部可移动存储器中。所示数据分析原理图中各模块结构及其功能详细描述如下。
该部分总的工作原理描述为：1#DSP将数字信号通过SPI高速串行通信接口传递到2#DSP，
2#DSP 对12位数字信号进行数字滤波和快速傅里叶（FFT）处理分析，可以实现对三相电压、电流信号实时跟踪，实时计算电压有效值、电流有效值、电压电流三相不平衡度、有功功率、无功功率、视在功率、频率、功率因数和分析稳态谐波。这些基本的电气量参数一方面通过人机交互模块中的LCD12864显示出来，另一方面存储在外扩RAM中，并通过CH376文件管理芯片读写到外部可移动存储器中。所示数据分析原理图中各模块结构及其功能详细描述如下。
[0066] 所述2#DSP还包括与DSP连接的外围接口电路，2#DSP作为核心数据处理芯片，连接在1#DSP和人机交互模块、数据读写模块、DSP外围扩展模块之间，分别为这三个模块提供片选信号和FFT数字处理信号，控制数据读写模块读写数据到SD卡和U盘中；控制人机交互模块中的电平转换电路，使得DSP处理的数据通过液晶模块显示出来；实现DSP外围扩展模块的功能。2#DSP采用TI公司生产的TMS320F2812芯片，它是一款用于控制的高性能、多功能、高性价比的32位定点DSP芯片，最高可在150MHz下工作。此芯片具有大量的可控制GPIO口，方便控制与外围电路的连接；芯片集成度非常高、运算速度快，具有卓越的数字信号处理能力，是数字信号控制领域最常用的芯片平台。2#DSP利用FFT快速傅里叶算法算出基波和各次谐波的频率、电压、幅值和相位，以及各相有功功率、无功功率、视在功率、功率因数和各次谐波畸变率、总畸变率等等电力参数。
[0067] 快速傅里叶变换（FFT）是一种将时域信号转变为频域信号的变换形式，是数字信号处理中对信号进行分析是经常采用的一种方法。利用快速傅里叶变换（FFT）方法能把采样的电压电流的基波和各次谐波分离，并分别计算出所需的基波分量和各次谐波分量，进而计算出电压电流的有功功率、无功功率、视在功率、基波功率因素、三相不平衡等电力基本参数。
[0068] 所述DSP外围扩展模块包括：RS232通信电路、外围时钟电路、外扩RAM电路和外扩FLASH电路；
[0069] 所述RS232通信电路、外扩RAM电路和外扩FLASH电路与所述DSP芯片相互连接，所述RS232通信电路采用UART芯片TL16C550和SP3232芯片，它采用RS232、RS485有线通讯方式和GPRS无线通讯方式，其主要功能是为数据电路端接设备（DCE）和数据终端设备（DTE）之间提供可靠、灵活的接口服务。通过RS232或RS485接口与监测设备通信，提供传输测量数据和实时监测、在线监测的功能。同时，该数据通信功能也可以用蓝牙模块来实现，使得数据可无线传输，提高检测效率，节省检测时间；所述外围时钟电路采用Dallas公司的串行实时钟芯片DS1305，为节能诊断仪提供外部精准时钟，方便仪器记录监测数据。DS1305是串行、带闹钟的实时时钟，也是全二进制编码的十进制(BCD)日历钟，可以通过简单的串行接口访问。该时钟/日历可以提供秒、分、时、日、月、年信息；所述外扩RAM电路采用IS61LV25616AL芯片，并连接至CH376芯片、SD卡接口和USB接口。该芯片A0-A17共18路信号输入，I/O0-I/O15共16信号输出，其18路输入信号来自2#DSP芯片，并由2#DSP芯片控制其片选、读写，用于扩展所述2#DSP芯片的数据存储器，通过CH376芯片将存放的数据读写到SD卡或USB（如U盘）中，实现大容量数据存储功能，从而为其配套的节能诊断和能源审计系统软件提供强大的基础数据文件；所述外扩FLASH电路采用SST39VF800芯片，该芯片A0-A18共19路信号输入，DQ0-DQ15共16信号输出，其19路信号输入来自2#DSP芯片，并由2#DSP芯片控制其片选、读写，用于扩展所述2#DSP芯片的程序存储器，实现2#DSP计算程序和采样程序的大容量存储。
[0070] 外扩FLASH为一种不挥发性内存，在没有电流供应的条件下也能够长久地保持数据，存储特性相当于硬盘。外扩FLASH利用SST39VF800芯片来实现扩展功能，主要用于存储DSP应用程序。外扩RAM利用IS61LV25616AL芯片实现扩展功能，可完整地存放DSP芯片处理和监测记录的数据，供上位机软件部分读取使用，使得2#DSP与所述DSP外围扩展模块、数据读写模块、人机交互模块之间的数据传输更为简便快捷。
[0071] 所述数据读写模块包括：数据读写电路、SD卡接口电路和U盘接口电路。其中，数据读写电路连接在所述2#DSP核心处理芯片上，SD卡接口电路和U盘接口电路连接到数据读写电路；
[0072] 所述数据读写电路采用CH376文件管理芯片与所述2#DSP芯片TMS320F2812连接，实现对CH376芯片的片选、读写控制，对来自2#DSP芯片的数据进行控制读写到外部可移动存储器中；CH376文件管理芯片与所述U盘接口电路连接，其D-和D+端口控制U盘读写；CH376文件管理芯片与所述SD卡接口电路连接，其SD_CS、SD_D0、SD_CK、SD_DI端口控制SD卡读写；所述SD卡接口电路用于接入SD卡，以存储监测记录数据和DSP计算处理数据；所述U盘接口电路用于接入U盘，功能同SD卡一样。
[0073] 数据读写电路采用CH376文件管理芯片，该芯片D0-D7共八路信号输入，来自2#DSP。该芯片片选和读写均由2#DSP控制，保证实时读写数据到可移动存储器中，方便后台上位机分析软件对数据的使用，节省了检测时间，提高了效率。
[0074] 所述人机交互模块包括：电平转换电路、显示模块、键盘输入电路。其中，电平转换电路输入接口连接在所述1#DSP和2#DSP芯片，其输出接口连接至液晶模块；键盘输入电路连接至电平转换电路输入接口，控制显示模块；显示模块连接在电平转换电路。由电平转换电路输出要显示的数字信号，并通过液晶模块显示出来，这些显示出来的数字信号包括各种对分析用户耗能情况有用的电气数据，包括三相电压、三相电流、三相功率、功率因数等等；
[0075] 所述电平转换电路采用74ALVC16245芯片，对来自A/D采样芯片和DSP芯片的数字信号进行锁存和缓冲处理，保证液晶模块可以实时显示当前待测用户的电气量参数情况；所述显示模块采用LCD12864显示模块，该模块带中文字库，显示分辨率高，可构成全中文人机交互图形界面。它显示当前待测用户线路的电气量参数情况，方便测试人员观察操作；所述键盘输入电路采用按键触发电路，利用DSP数据分析芯片的I/O口信号来控制显示屏的操作，该键盘输入电路连接至电平转换电路的输入端口，用于人工手动控制液晶显示，同时保存和设置检测仪器参数。
[0076] 所述外围接口模块包括：DC+5V接口、SD卡接口、USB接口和RS232接口。主要为本实用新型提供各种接口功能。其中，SD卡接口用于插入SD卡，存储数据；USB接口插入U盘等可移动存储器；RS232接口实现数据通信功能；DC+5V接口为本实用新型提供﹢5V直流电源，保证仪器正常工作。
[0077] 所述可移动存储器包括：大容量SD卡或U盘。使得本实用新型可至少存储一周的监测数据量，这些实时监测数据为上位机节电潜力在线自动检测和电能质量综合治理仿真软件提供了强大的基础数据支持。
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