4.2 执行计量参数计算的算法

该视频讲述了一个设计软件，

其是使用独立的ADC部分的

分相电表，

我们讨论了可用于

计算来自ADS131M04的检测电压和电流样本的

计量参数的算法。

此幻灯片显示了用于

计算计量读数的公式。

对于RMS读数，对于整个数据帧的

运行的平方和样本，大约一秒

与最近的零交叉同步的数据

被除以样本的数量。

然后可以从结果量中减去偏移量，

以减去高斯噪声的影响

获得更准确的RMS测量值。

随后，执行平方根运算

并将得到的数量乘以比例因子，

以将结果转换为真实世界单位，

如伏特和安培。

为了计算有功功率，

接着将全帧数据的电压和电流样本的乘积

除以当前帧内的

样本计数，

然后乘以比例因子。

然后减去用于补偿

电压电流串扰的偏移。

对于无功功率，有个类似的过程，

除了将90度移位版本的电压

用于乘法，而不是

原始电压样本。

并且还使用不同的无功功率偏移。

FIR滤波器和采样移位

用于产生用于计算无功功率的电压波形的

90度偏移。

基于有功功率比例因子

和所选FIR滤波器的特性

在内部计算无功功率比例因子。

通过对计算的有功功率求平方，

将其加到

平方无功功率，然后

取结果的平方根来计算视在功率。

在该设计中，除了

计算每相功率之外，还通过

对每个相的各个功率求和来计算

累积功率。

有功功率除以视在功率

以计算功率因数。

GUI采用此功率因数

读取并获取其反余弦，

它会告诉您由于客户负载的反应物

而产生的电压和电流波形之间的

相移。

频率的计算是通过

估计后台进程中两个过零点之间的

样本数量，

并将ADC的采样率（在这种情况下为8,000赫兹）

除以此数字来完成的。

用于测试此设计的计量计算

可以被分解为两部分 -

前台进程和后台进程。

后台进程主要处理

时序关键事件和软件。

由于插入了ADS131M04的DREADY引脚，

每次发生端口中断时

都会发生后台进程。

当发生这种情况时，先前获得的电压

和电流样本存储在缓冲器中，

稍后将由每个样本DSP功能读取。

存储先前的电压和电流样本后，

MSP432DMA将被触发，以自动

从ADS13M04读取新生成的样本。

在触发DMA以读取新的电压

和电流样本之前，存储

先前的电压和电流样本的目的是

使得在使用这些样本

进行计算的过程中不会覆盖

电压和电流样本信息。

触发DMA以读取新的ADS131M04样本后，

将调用每个示例DSP函数。

该功能负责更新

用于计算计量参数的中间点积量。

接下来，调用每样本能量脉冲处理功能，

其负责输出用于

校准能量和确定

能量误差的能量脉冲。

前台进程负责在重置后

立即设置硬件。

在设置硬件之后，代码

进入循环，首先检查来自PC GUI的

任何新消息。

该设计可以配置为感测两个电压，

其中每个电压与不同的电流相关联。

如果针对特定电压电流映射

累积了大约一秒钟

与近零交叉同步的数据，

则触发前台进程

以从后台进程获取中间点积，

以使用上一张幻灯片显示的公式

计算现实世界单位中的

度量参数。

由于此设计具有TPS25921L电流限制

功能，因此就还有一些基于TPS25921L的

任务是由前台进程完成。

具体而言，如果TPS25921L器件的

故障引脚被插入低电平，

前台进程将采取措施，

这表示发生了欠压、过压或热关断

事件。

如果故障引脚已经被插入低电平

并且这是自MSP432微控制器复位以来

第一次发生这种情况，

那么MSP432会在TPS25921L器件的ENUVLO引脚上

提供一个脉冲来复位器件。

此复位脉冲用于

将TPS25921L输出引脚上的负载与其引脚上的源极重新连接，

因为如果故障源

来自热关断事件，则会断开连接。

复位TPS25921L后，如果发生

另一个热关断事件，TPS25921L输出

将再次与输入断开。

并且MSP432微控制器不再

进一步尝试向TPS25921L

提供复位脉冲，以将输出重新连接到输入轨。

在左侧，我们看到每个示例DSP功能的

流程图。

每个示例的DSP函数用于

计算中间点积结果，

这些结果被送入前台进程

以计算计量读数。

点积基本上是积的运行总和。

对于1电压配置

其在流程图中称为分相模式，

线路B电流测量的方向

应相对于线路电压测量相反，

以使功率读数具有

正确的符号。

相反或反转CT连接

以切换B线电流测量的方向，

B线原始电流样本使1电压配置

无效，这允许在

软件中，在双电压配置

和单电压配置之间切换，而无需

重新连接CT登机连接。

在此功能中，用于选定电压电流映射的ADS131M04原始电压

和电流样本被存储在

缓冲区中，该缓冲区可用于

ADC样本的

任何特殊后处理分析。

如果由于某种原因

需要存储DC滤波器ADC数据，

例如执行谐波分析，也可以修改软件。

原始ADS131M04采样是符号整数，

这些转换器上的任何直流DC或偏移值

都使用直流轨道和滤波器移动。

使用滤波器、电压和电流样本，

分别获得所有电压和电流的

单独DC估计。

然后从每个电压和电流

原始ADC样本中减去该估计值。

使用直流滤波器电压和电流样本，

使用新的直流滤波器样本更新平方电压、

平方电流、有功功率和无功功率的

运行总和。

这些运行的和点积被存储为64位值，

以防止在处理24位电压

和电流样本时发生溢出。

在累积大约1秒的

足够样本之后，后台进程

触发前台进程以使用

来自后台进程的点积来计算RMS的最终值、

RMS平均有功功率

和平均无功功率。

此外，前台进程

还计算视在功率、有功、无功

和视在能量、频率和功率因数。

在测试软件中，有两组

点积用于相位。

在任何给定时间，前台

使用一个进行计算，另一个被后台用作

工作集。

在后台进程有足够的样本后，

它会交换两个点积，以便前台

使用新获得的点积，备份过程

使用新的空集来计算

下一组点积。

每当在电压通道上存在前沿0交叉，

负正电压转换时，

每个采样DSP功能还负责

以每个周期的采样为单位

更新相应的频率。

对于单电压模式，仅进行一种频率的

计算模式，该模式用于线电压。

对于双电压模式，对两个线电压

进行频率测量。

由于具有两个电压，两个RMS电压，

必须进行两次频率计算，

而不仅用于双电压模式配置。

在电表中，负载的能量消耗

通常以几千瓦时的脉冲

来测量。

该信息可用于精确校准

任何仪表以进行精度测量。

通常，在这种情况下，

测量元件，即MSP432微控制器

负责产生与消耗的能量‘’

成比例的脉冲。

为了有效地完成这两项任务，

脉冲的产生必须准确，抖动

相对较小。

虽然时间抖动并不表示准确性差，

但时间抖动会给出仪表整体精度的

负面指示。

由于这种负面的准确性指示，必须对抖动

进行平均。

该应用使用平均功率

来产生这些能量脉冲，

如右图所示。

平均功率在每个DREADY端口ISR中断累积，

从而在当前的一秒时间帧内

均匀地扩展

前一秒时间帧的累积能量。

这种积累过程相当于将力量转换为

能量。

当累积的能量超过阈值时，

产生脉冲。

高于阈值的能量保持不变，

并且在下一个中断周期之前

添加新的能量值。

因为平均功率趋于稳定，

所以这种产生能量脉冲的方式

非常稳定并且没有抖动。

阈值确定仪表制造商指定的

能量标记，并且是常数。

标记通常以每千瓦时脉冲

或千瓦时为单位定义。

每个能量标记必须产生一个脉冲。

例如，在本应用中，

对于有功和无功能量，

每千瓦时产生的脉冲数被设定为6400。

因此，在这种情况下，能量标记是

每6,400个能量脉冲1千瓦时。

能量脉冲在集管上生成并可用，

也可通过电路板上的LED生成。

GPIO引脚用于产生脉冲。

该视频讲述了一个设计软件，

其是使用独立的ADC部分的

分相电表，

我们讨论了可用于

计算来自ADS131M04的检测电压和电流样本的

计量参数的算法。

此幻灯片显示了用于

计算计量读数的公式。

对于RMS读数，对于整个数据帧的

运行的平方和样本，大约一秒

与最近的零交叉同步的数据

被除以样本的数量。

然后可以从结果量中减去偏移量，

以减去高斯噪声的影响

获得更准确的RMS测量值。

随后，执行平方根运算

并将得到的数量乘以比例因子，

以将结果转换为真实世界单位，

如伏特和安培。

为了计算有功功率，

接着将全帧数据的电压和电流样本的乘积

除以当前帧内的

样本计数，

然后乘以比例因子。

然后减去用于补偿

电压电流串扰的偏移。

对于无功功率，有个类似的过程，

除了将90度移位版本的电压

用于乘法，而不是

原始电压样本。

并且还使用不同的无功功率偏移。

FIR滤波器和采样移位

用于产生用于计算无功功率的电压波形的

90度偏移。

基于有功功率比例因子

和所选FIR滤波器的特性

在内部计算无功功率比例因子。

通过对计算的有功功率求平方，

将其加到

平方无功功率，然后

取结果的平方根来计算视在功率。

在该设计中，除了

计算每相功率之外，还通过

对每个相的各个功率求和来计算

累积功率。

有功功率除以视在功率

以计算功率因数。

GUI采用此功率因数

读取并获取其反余弦，

它会告诉您由于客户负载的反应物

而产生的电压和电流波形之间的

相移。

频率的计算是通过

估计后台进程中两个过零点之间的

样本数量，

并将ADC的采样率（在这种情况下为8,000赫兹）

除以此数字来完成的。

用于测试此设计的计量计算

可以被分解为两部分 -

前台进程和后台进程。

后台进程主要处理

时序关键事件和软件。

由于插入了ADS131M04的DREADY引脚，

每次发生端口中断时

都会发生后台进程。

当发生这种情况时，先前获得的电压

和电流样本存储在缓冲器中，

稍后将由每个样本DSP功能读取。

存储先前的电压和电流样本后，

MSP432DMA将被触发，以自动

从ADS13M04读取新生成的样本。

在触发DMA以读取新的电压

和电流样本之前，存储

先前的电压和电流样本的目的是

使得在使用这些样本

进行计算的过程中不会覆盖

电压和电流样本信息。

触发DMA以读取新的ADS131M04样本后，

将调用每个示例DSP函数。

该功能负责更新

用于计算计量参数的中间点积量。

接下来，调用每样本能量脉冲处理功能，

其负责输出用于

校准能量和确定

能量误差的能量脉冲。

前台进程负责在重置后

立即设置硬件。

在设置硬件之后，代码

进入循环，首先检查来自PC GUI的

任何新消息。

该设计可以配置为感测两个电压，

其中每个电压与不同的电流相关联。

如果针对特定电压电流映射

累积了大约一秒钟

与近零交叉同步的数据，

则触发前台进程

以从后台进程获取中间点积，

以使用上一张幻灯片显示的公式

计算现实世界单位中的

度量参数。

由于此设计具有TPS25921L电流限制

功能，因此就还有一些基于TPS25921L的

任务是由前台进程完成。

具体而言，如果TPS25921L器件的

故障引脚被插入低电平，

前台进程将采取措施，

这表示发生了欠压、过压或热关断

事件。

如果故障引脚已经被插入低电平

并且这是自MSP432微控制器复位以来

第一次发生这种情况，

那么MSP432会在TPS25921L器件的ENUVLO引脚上

提供一个脉冲来复位器件。

此复位脉冲用于

将TPS25921L输出引脚上的负载与其引脚上的源极重新连接，

因为如果故障源

来自热关断事件，则会断开连接。

复位TPS25921L后，如果发生

另一个热关断事件，TPS25921L输出

将再次与输入断开。

并且MSP432微控制器不再

进一步尝试向TPS25921L

提供复位脉冲，以将输出重新连接到输入轨。

在左侧，我们看到每个示例DSP功能的

流程图。

每个示例的DSP函数用于

计算中间点积结果，

这些结果被送入前台进程

以计算计量读数。

点积基本上是积的运行总和。

对于1电压配置

其在流程图中称为分相模式，

线路B电流测量的方向

应相对于线路电压测量相反，

以使功率读数具有

正确的符号。

相反或反转CT连接

以切换B线电流测量的方向，

B线原始电流样本使1电压配置

无效，这允许在

软件中，在双电压配置

和单电压配置之间切换，而无需

重新连接CT登机连接。

在此功能中，用于选定电压电流映射的ADS131M04原始电压

和电流样本被存储在

缓冲区中，该缓冲区可用于

ADC样本的

任何特殊后处理分析。

如果由于某种原因

需要存储DC滤波器ADC数据，

例如执行谐波分析，也可以修改软件。

原始ADS131M04采样是符号整数，

这些转换器上的任何直流DC或偏移值

都使用直流轨道和滤波器移动。

使用滤波器、电压和电流样本，

分别获得所有电压和电流的

单独DC估计。

然后从每个电压和电流

原始ADC样本中减去该估计值。

使用直流滤波器电压和电流样本，

使用新的直流滤波器样本更新平方电压、

平方电流、有功功率和无功功率的

运行总和。

这些运行的和点积被存储为64位值，

以防止在处理24位电压

和电流样本时发生溢出。

在累积大约1秒的

足够样本之后，后台进程

触发前台进程以使用

来自后台进程的点积来计算RMS的最终值、

RMS平均有功功率

和平均无功功率。

此外，前台进程

还计算视在功率、有功、无功

和视在能量、频率和功率因数。

在测试软件中，有两组

点积用于相位。

在任何给定时间，前台

使用一个进行计算，另一个被后台用作

工作集。

在后台进程有足够的样本后，

它会交换两个点积，以便前台

使用新获得的点积，备份过程

使用新的空集来计算

下一组点积。

每当在电压通道上存在前沿0交叉，

负正电压转换时，

每个采样DSP功能还负责

以每个周期的采样为单位

更新相应的频率。

对于单电压模式，仅进行一种频率的

计算模式，该模式用于线电压。

对于双电压模式，对两个线电压

进行频率测量。

由于具有两个电压，两个RMS电压，

必须进行两次频率计算，

而不仅用于双电压模式配置。

在电表中，负载的能量消耗

通常以几千瓦时的脉冲

来测量。

该信息可用于精确校准

任何仪表以进行精度测量。

通常，在这种情况下，

测量元件，即MSP432微控制器

负责产生与消耗的能量‘’

成比例的脉冲。

为了有效地完成这两项任务，

脉冲的产生必须准确，抖动

相对较小。

虽然时间抖动并不表示准确性差，

但时间抖动会给出仪表整体精度的

负面指示。

由于这种负面的准确性指示，必须对抖动

进行平均。

该应用使用平均功率

来产生这些能量脉冲，

如右图所示。

平均功率在每个DREADY端口ISR中断累积，

从而在当前的一秒时间帧内

均匀地扩展

前一秒时间帧的累积能量。

这种积累过程相当于将力量转换为

能量。

当累积的能量超过阈值时，

产生脉冲。

高于阈值的能量保持不变，

并且在下一个中断周期之前

添加新的能量值。

因为平均功率趋于稳定，

所以这种产生能量脉冲的方式

非常稳定并且没有抖动。

阈值确定仪表制造商指定的

能量标记，并且是常数。

标记通常以每千瓦时脉冲

或千瓦时为单位定义。

每个能量标记必须产生一个脉冲。

例如，在本应用中，

对于有功和无功能量，

每千瓦时产生的脉冲数被设定为6400。

因此，在这种情况下，能量标记是

每6,400个能量脉冲1千瓦时。

能量脉冲在集管上生成并可用，

也可通过电路板上的LED生成。

GPIO引脚用于产生脉冲。