仪表板功能及设计（精选4篇）
仪表板功能及设计 篇1
0 引言
在原来的电力系统中,高低压配电柜中往往要安装各种各样的机械式仪表(如电度表、电流表、电压表等)以实现对电力系统的监视,并有专人每隔一段时间到所有仪表点进行手动抄表,为将来的数据分析和处理提供数据基础。这样的工作方式,由于安装了大量的种类复杂的仪表,而大大提高了生产运行成本和人力成本,且工作效率低下,容易出现记录失误。
随着计算机科学技术的发展,计算机在电力监控领域中得到了越来越广泛的应用。使用多功能网络电力仪表(以下简称“多功能表”)代替机械式的电力仪表已成了工业自动化的大趋势。由于多功能仪表不但可以一表多用,而且可以通过其通信接口来实现上位机或者手持编程器对仪表的编程设置、数据采集等功能,所以使用多功能网络电力仪表能够在很大程度上减少人力成本,降低运行成本,并且可以极大地提高工作效率。
本文介绍的多功能表主要针对电力系统、工矿企业、公用设施、智能大厦的电力监控需求而设计,具有极高的性价比。同时该表具备完善的通信联网功能[1],非常适合于实时电力监控系统,其既可以在本地使用,也可以通过现场总线组成高性能的遥测遥控网络。
1 系统特点
此多功能表主要基于TERIDIAN公司的71M6513芯片而设计,它能高精度地测量所有常用的电力参数,如三相电压、三相电流、有功功率、无功功率、频率、功率因数等。它采用三个LED数码管来分屏显示各个仪表测量参数和电网系统的运行信息。仪表面板则带有四个可编程设置按键,用户可现场方便地实现显示切换、仪表参数编程设置等功能,操作控制简单灵活,体现较高的人性化设置。
此多功能表作为一种先进的智能化、数字化的电网前端采集元件,可广泛应用于各种控制系统,如能源管理系统、变电站自动化、配电网自动化、小区电力监控、工业自动化、智能建筑、智能型配电盘、开关柜、发电机组系统等,在成本低廉、性能卓越的前提下,同时具有安装方便、接线简单、维护方便、工程量小等优点。
1.1 主要功能
本设计方案中多功能表其主要功能有:
(1)三相电压、三相电流、有功功率、无功功率、频率、功率因数、四象限电能、开关量输入状态等系统电参量的分屏实时显示;(2)4位密码验证系统,密码设定范围为0～9 999;(3)标准半双工RS485通信接口,符合标准MODBUS-RTU通信协议;(4)有功电能、无功电能脉冲输出功能;(5)3输入4输出的开关量输入输出功能;(6)电路具有实时时钟功能。
1.2 显示精度
下面以电压量程为AC 400 V、电流量程AC 5 A为例进行介绍,各电气量的测量结果如表1所示[2]。
1.3 系统设置参数
系统的接线方式为3 P 3 L(三相三线制)或3P4L(三相四线制);电压量程为AC400 V或AC100 V;电流量程为AC5 A或AC1 A;PT(电压互感器)变比为1～9 9 9 9,步距为1;CT(电流互感器)变比为1～1 400,步距为1;通信地址:1～245;波特率选择为4.8～38.4 kbit/s可调;电压阀值报警为过压100%～120%可调,欠压70%～10 0%时可调;电流阀值报警为过流100%～120%时可调。
2 硬件构成
就系统总体而言,此多功能表是一个标准的信号采集与处理系统。它以数字信号处理器为核心,通过对模拟信号进行检测与处理,来获取电压、电流、频率信号,并做进一步的分析和计算,来得到其它所需的各种信号有效值,最后通过LED数码管的形式显示出来。
数字式多功能网络电力仪表硬件主要包括电压和电流信号检测、微处理器、信息显示、操作按键、数据通信、电能脉冲输出、实时时钟、EEPROM模块、开关量输入输出和电源等模块组成,如图1所示。
1)电压和电流信号检测。采用高精度电压、电流互感器和采样电阻配合来实现。电流互感器采用5 A/2.5 mA精密互感器,精度为0.1%。电压互感器采用额定电流比为2 mA/2 mA的精密互感器,精度也为0.1%。系统成型后也可将电压互感器改用多个分压电阻组合来完成,电流互感器则改用康铜丝来实现,这样在元件成本上又是一大突破,其与前者区别在于对71M6513芯片的内置电能计量模块进行数据校准时必须额外地通过算法,精心修正其相位角及各参数补偿等设置。而前者在数据校准时则只需完成功率误差校准和电压电流小信号补偿即可。
2)电源模块。采用开关电源的模式,主要功能是为系统提供电能。它包括3路输出,即+5 V主电源、+5 V隔离电源、+3.3 V电源等,其中+5 V主电源用于系统运行,+5 V隔离电源用于通信,而+3.3 V电源则用于芯片运行。整套电源基本要求为+5 V主电源功率不低于4 W,+5 V隔离电源功率不低于1 W,模块纹波低于70 mV。同时配有两路掉电保护电路,在系统电压过低或者断电时,由与电路信号相连的芯片比较器端口产生报警标志,从而由系统进行掉电操作。
3)EEPROM模块。通过I/O口模拟IIC总线驱动,并采用了铁电的FM24CL04存储器来完成该EEPROM的读写功能。
4)实时时钟。71M6513芯片内置有RTC实时时钟模块,进行正确设置后即可用来为系统提供准确的日期和时间信息。
5)信息显示。采用三个高亮度数码管来显示系统中的各种信息,并配合一定的LED指示灯来显示系统状态信息。
6)操作键盘。设置4个操作按键,即设置键、向上键、向下键、确认键等,来实现各种操作控制功能。为了便于系统进行按键处理,采用了行键盘(即每个按键对应一个MCU的输入口)。
7)数据通信。芯片内置UART模块,通过MODBUS-RTU通信协议,来实现与现场总线网络的互联。
8)微处理器。由于多功能表对数据计量要求较高,故需要采用高性能微处理器或者电能计量芯片配合普通芯片来实现。而本系统则采用了TERIDIAN公司的71M6513芯片作为该多功能表的处理内核。此款芯片配有64 KB FLASH、7 KB RAM,同时配置了51的内核、RTC模块和IIC总线,最重要的是其内置了一个带有21位Δ-ΣADC和32位计算引擎的电能计量模块,为本系统各电参量的高精度实现提供了保障。
9)开关量输入输出。由于芯片I/O口的数量有限,该多功能表在硬件上选用了飞利浦公司的PCF8574芯片作为附加元件,主要实现了I/O口的串联改并联的功能,通过三个系统I/O口来模拟两个数据端和一个时钟端。系统通过对该芯片进行数值读写来完成对开关量输入输出信息的采集和控制。
3 系统软件结构
该多功能表软件代码全部采用C/C++语言编写,编码效率高,可维护性好。同时实行模块化设计,可根据用户的需求方便地对功能模块进行裁剪,而且代码经过优化,其生成的目标代码大小和执行效率已与汇编代码相差无几。
该表的软件结构主要包括主程序模块、系统配置与设置模块、常规电参量数据处理模块、电能计量模块、LED和键盘模块、数据通信模块、EEPROM读写模块、开关量输入输出模块等。软件系统的组成框图如图2所示。以下将根据软件框图对各个模块作简单介绍。
主程序模块为整个系统的整体构架,所有子程序应用结果最终都将汇总于此程序。该程序在关闭总中断使能后,首先调用了系统参数初始化的模块程序,随后开启需要应用的T0、T1等功能块的中断使能和总中断使能。然后开始进入本系统的程序主循环,在主循环之中,首先对接线方式选择、电压量程选择、电流量程选择进行了判断,其次分别调用了频率监测相选择程序、A/D转换数据处理程序、电压电流功率单位和小数点换算程序,随后对系统参数是否重载、波特率是否更新、通信接收数据是否重载、电能数据是否更新、电能是否清零、显示数据是否进行1 s更新等选项进行了判断和处理。图3为主程序的流程图。
E E P R O M读写模块的软件实现则主要通过对I/O口编程来模拟I I C总线驱动程序,完成系统对EEPROM的读写功能,从而实现系统对所有配置数据、校准值数据和电能数据的掉电保护功能。
电能计量模块的软件实现则首先通过模拟输入口、21位Δ-ΣADC和32位独立计算引擎获得当前的电能相关电参量值,使得其他模块可以调用这些数据来实现相应的信号和数据分析功能,其中相关电参量主要包括电压、电流、频率、有功(无功)功率、功率因数、有功(无功)电能等。并向电能计量芯片中写入设置值(如配置和校准参数),最终实现电能计量相关的所有功能。
以下列举三相四线情况下部分电参量算法:
电压:;电流:;频率:;有功功率:PW=ws×Po;无功功率::Q=var×Po;功率因数:。其中:vx表示电能计量模块得到的各相电压初始值;ix表示电能计量模块得到的各相电流初始值;fr表示电能计量模块得到的频率初始值;ws表示电能计量模块得到的有功功率初始值;var表示电能计量模块得到的无功功率初始值;Vrms表示电压有效值换算系数;Irms表示电流有效值换算系数;Fre表示频率有效值换算系数;Po表示功率有效值换算系数;Ibx表示电流值的线性偏移量。
在信息显示模块中,LED显示通过I/O口来实现与芯片内核的连接,系统通过对芯片I/O口的操作来间接地操作LED显示的切换。同时运用芯片定时器来实现显示时序控制和屏幕刷新控制。
键盘处理模块也是通过芯片I/O口连接的,系统通过对I/O口的扫描取值判断来实现键盘对系统的操作。同时利用定时器来实现按键去抖动中的延时。
系统设置与运行显示模块的功能是通过菜单界面的形式显示系统设置信息和系统运行状态信息。本模块功能的实现须与显示模块、键盘处理模块配合协调完成。在运行显示状态时,系统通过向上、向下两个按键完成电压显示、电流显示、功率及功率因数显示、频率显示、开关量输入、无功电能显示和有功电能显示等页面的切换。图4为仪表手动编程流程图,说明了密码验证模式、设置显示模式、编程模式的菜单之间的相互级联切换方式。
数据通信模块运用了基于标准Modbus-RTU通信协议的R S485通信(可以根据需要增加其它通信协议),并在完成常规通信读写功能的同时,嵌入了CE校准数据的写操作。
开关量输入输出模块主要基于飞利浦公司的PCF8574芯片,系统通过对该芯片进行数值读写来完成对开关量输入输出信息的采集和控制,其中开关量输入信号的体现形式主要为LED显示和通信读功能,开关量输出信号的控制方式主要为手动设置和通信写功能。
4 结语
由于采用了电能计量芯片与51单片机内核相结合的71M6513芯片,使得本文所介绍的多功能网络电力仪表在元件成本上、系统结构上和仪表精度上均大大优于市场上流行的采用DSP芯片或者独立电能计量芯片与单片机相结合而制作的多功能表。本表在经过本公司大量的生产实践及拓展开发后,见证了其模块化设计的优越性,也验证了其控制系统的稳定性和高精度特性。在日趋完善的电力监控系统中,该多功能表凭借其出色的特性及低廉的价格,必将拥有优越的市场前景。
参考文献
[1]吕利昌,肖志勇.电子式多功能电能表的设计与实现[DB/OL].[2009-04-05].http://www.eaw.com.cn/news/display/article/14481.
[2]李正军.PMM2000微型多功能电力参数监测网络仪表[J].电力系统及其自动化学报,2003,15(3).
仪表板功能及设计 篇2
功能设计玩法的方法总结八个字：“目标，荣耀，互动，惊喜”。而功能完善的方法总结六个字：“情绪，表现，人性”。
目标可以分为两块，设计者的目标和用户的目标。同时动力来自目标，有了目标才会去努力。
自己设计这个功能想要表达什么，想要达到什么目的，这个就是设计者的目标。如果一个功能在设计完后，自己都不知道为什么要设计这个功能，那么怎么指望别人会去接受这个功能;如果你的目标不明确，那么很可能最后用户玩下来的结果和自己想达到的结果南辕北辙。
用户来玩你的游戏，你的功能，总是带有各种各样的目的性来的，如想全服有名，想天下第一，想获得别人的崇拜，又如想放松，想发泄，想交朋友等等。那么设计者在设计功能的时候，就要给用户设计各种不同的目标，尽可能的去满足不同的用户的目标。同时，用户的目标又分为短期目标和长期目标。功能以一个或多个长期目标贯穿，又携带更多的短期目标让用户一步一步的努力下去，玩下去。二者缺一不可，只有长期目标，那么用户会觉得太遥远，不去努力，而只有短期目标，用户又觉得太乏味，很烦躁，不知道什么时候是个头。另外需要注意的是，目标不能断，当目标断档之后，用户在这段时间则会觉得没有动力，不知道要干什么，那么流失就自然出现了，
(下图是星辰变社区中的签到游戏，每天只能掷骰子一次，刺激玩家能天天上社区，提升社区的活跃度)
用户为什么要追求设计者设计的目标，设计者设计的目标又怎么样让用户去接受认可?很简单：让用户达到目标有个适当的荣耀感。每个人都或多或少拥有虚荣心，在用户达到目标后，给予其一个能向他人炫耀的途径，那么用户就肯去努力达成目标。
人与人之间的互动是最具有不确定性及可玩性的事情。在设计功能时，应时时刻刻都要去想，怎么样能把用户引到与其他用户互动上去。互动不只是两个用户之间交朋友，还包括了两个用户之间的敌对关系。在用户体验功能时，能够通过功能结交更多的好友，同时又能产生更多的仇人，那么这个功能就能吸引更多用户的目光。
游戏就是玩随机，但随机又是和用户的努力不可分割的。用户通过努力可以获得更大的概率。在体验功能中，每一步都有随机，每一步都有一个或大或小的惊喜来提高用户体验功能的积极性。
(下图是社区的砸蛋游戏，玩家可以通过游戏获得独一无二的宠物，不是所有的人都可获得，玩家很乐意炫耀这些宠物)
如果一个功能能够让用户确定目标，以互动的方式达到目标，过程中充满惊喜，最终产生荣耀感。那么这个功能离好功能的定义所差不远。
仪表板功能及设计 篇3
关键词：智能仪表；STM32；CAN总线
1 系统设计
STM32微型处理器用的是Cortex-M3内核，外面的接口非常多，主频高达72MHz，它是一种能远程控制的仪器，CAN能被广泛应用到很多行业，优点很多。如功能强大、可靠性高、技术先进且成本合理等。CAN总线可以支持多主，通信率高达1Mbit/s（间离小于20m），用这种方式来布置线路，方便性和可靠性大幅度增强。下图就是智能仪表的设计图。
2 关键硬件设计
STM32可以用在很多设备上，可以根据用途，选择合适的科学的硬件要求。这种系统还有一个强大的功能是能裁剪，我们可以按照需求对硬件进行调整，找出适合我们，经济实惠的进行使用。
2.1 核心处理器
核心处理器使用STM32F103VC，内核是功能强大的32位RISC，工作频率为72MHz，内部安装高速的存储器，能够增强I/O的端口并能连接到两条APB的总线；有三个十二位的ADC，能够提供十五种采样通道或者多种模式；DMA控制器的通道很多，高达十二个，能持的外设种类更多；还包括四个十六位的定时器与两个PWM定时器；通信标准接口很多，工业领域非常适合；带4个片选的灵活的静态存储器控制器，支持SD卡、SRAM、PSRAM、NOR和NAND存储器；提供并行LCD接口，兼容8080/6800模式；采用LQFP100封装，提供80个GPIO；除了模拟输入I/O，其他管脚可以承受5V信号输入；供电范围非常宽，两伏到三点六伏之间，还有能编程的电压检测器，让整个系统的工作更稳定，抗干扰能力更强，把温度传感器与内部ADC直接相连，能更简便的监测器件周围的环境；最适合的温度是四十到一百零五摄氏度，达到工业生产中的应用需求。
2.2 抗干扰设计
内部建设也重要。每种电路里面含有两种类型的信号，一类是模拟信号，另一类是数字信号。两类中抗干扰能力最强的是数字信号，但是噪音很大，它就成了模拟信号的主要噪声源，因此要重视两种信号的隔离与去耦。用5V电源输入，要在输入端加入相应的去耦电容。STM32有各种各样的规格，差别很大，VDD/VSS可以分为两种，一是多组管脚，二是一组管脚。它的内部的所有VDD和所有的VSS是相互连接起来的，但在芯片的外部还是要连接起来。原因是导线太细，仅仅把内部的线路连接，负载能力会远远降低，抗干扰能力也大不如以前，要是漏接，会损坏线路和降低抗干扰能力。
2.3 键盘设计
单相电力仪表的设计及应用 篇4
PIC系列单片机是美国微芯科技公司的产品。其CPU采用RISC结构, 具有Harvard双总线, 运行速度快, 低功耗, 输出能力强, 保密性好等特点。PIC18F46K22是其8位单片机中的高端产品, 具有32K ROM, 4K RAM, 16MIPS速度, 功能丰富且性价比高, 所以选择其作为控制单片机。
CS5463是一个包含两个ΔΣ模-数转换器、功率计算器、电能到频率转换器和一个串行接口的完整的电能测量芯片。它可以精确测量瞬时电压、电流和计算IRMS、VRMS、瞬时功率、有功功率、无功功率、电能, 常用于研制开发单相电表。因此选择其作为电能测量芯片。
2.接口电路设计
■2.1信号检测电路的设计
(1) 电压检测电路设计
电压检测采用电阻分压的形式, 通过4只620KΩ的大电阻和2个390Ω电阻串联对交流电进行分压, 在2个390Ω电阻的连接点接地, 得到对称于地电位的一对正负电压VIN+和VIN-, 幅值约0.1V, 即如果VIN+=+50m V, 则VIN-=-50m V。再分别通过双向二极管钳位 (防止过压等损坏芯片) , 阻容滤波后, 送至测量芯片的电压差分输入端VIN+和VIN-。CS5463的差分输入端能够识别这样低于0V的信号, 这与普通AD芯片区别是比较大的。
(2) 电流检测电路的设计
在电流检测中使用了电流互感器, 能够隔离电网强电信号, 使用采样电阻和滤波电路实现信号转换。电流互感器将大电流5A转换为2.5m A, 在51Ω采样电阻上得到约0.1V的电压信号, 再通过2个1KΩ电阻串联对采样信号进行分压, 在2个1KΩ电阻的连接点接地, 得到对称于地电位的一对正负电压I IN+和I IN-, 再分别通过双向二极管钳位, 阻容滤波后, 将信号送至测量芯片的电流差分输入端。
■2.2信号测量电路的设计
CS5463内部集成度高, 外围电路简洁, 只需外接一个4.096MHz晶振即可工作, 其余的计算等工作都由其内部的DSP自动完成, 用户只需将相关通信引脚连接至单片机, 对单片机编程即可。
芯片的VIN+和VIN-为电压信号输入, I IN+和I IN-为电流信号输入, 将上述引脚分别接电压、电流检测电路。
芯片的SCLK为时钟信号, SDO为数据输出, SDI为数据输入, CS为片选, RESET为复位脚, E1为有功电能脉冲输出, E3为无功电能脉冲输出, 将上述引脚接单片机的IO引脚即可。最后将VA+和VD+都接电源VCC。
■2.3电源电路设计
本系统提供两路+5V电源输出, 即VCC、GND和+5V、AGND。
电源芯片采用TNY266P, 是一款10W高效小功率隔离式开关电源IC, 同时应用线性光耦PC817和可调精密并联稳压器TL431, 组成典型的单端反激式电源电路。输出的第一组VCC、GND (主电源) 受并联的TL431和PC817控制, 电压稳定性是没有问题的, 但由于还需要另一组隔离的电源用于通讯 (小功率) , 于是在变压器上另增加一个独立绕组, 但由于其是完全独立隔离的, 所以其电压稳定性是不好的, 于是提高其输出电压, 使其正常情况下输出为18V左右, 通过78L05稳压后得到+5V、AGND, 用于通讯隔离。
■2.4485通信电路设计
通讯部分采用MAX485芯片、高速光耦HCPL0601等组成。由于采用双绞线作为通信线路, 所以通讯方式为半双工, 即不能同时发送和接收。所以将485芯片的发送控制端DE和接收控制端接到一起, 通过光耦隔离, 高电平时发送, 低电平时接收。同时发送数据TX、接收数据RX也都通过光耦隔离。再加上电源取自+5V、AGND, 从而使整个通讯系统与单片机系统是电气隔离的, 具有较高的抗干扰能力。
■2.54-20m A模拟量输出电路设计
采用DA芯片MCP4725, 运放LM258, 光耦LTV356, 电源模块B0515等组成。单片机引脚模拟出DA芯片所需的SCL和SDA信号通过光耦隔离输出, DA芯片输出的信号连接至由运放和三极管组成的恒流源电路, 输出4-20m A模拟量信号。电源模块的输入为VCC、GND, 输出为+15V、SGND, 光耦的输出及后面的电路电源全部由+15V、SGND系统供电, 这样使得整个4-20m A模拟量输出电路也是与单片机系统电气隔离的, 提高了抗干扰性能。
■2.6其他电路设计
显示部分采用TM1721芯片, 驱动段位式液晶显示器。数字量DI输入采用光耦LTV356隔离。继电器输出采用三极管8050驱动, 5A继电器输出。
3.单相电力仪表的应用
多功能单相电力仪表是从模拟指针式仪表和电量变送器演变而来。能独立应用于高低压开关柜、交流盘、仪表控制盘、UPS等任何需要电量测量和显示的场合。目前已广泛应用于工业、建筑、民用供电系统和变电站中, 帮助用户节省投资和使用空间。
使用注意事项:
1、适合环境温度-25~70℃, 湿度85%以下使用。
2、注意防止震动和冲击。
3、不要在有灰尘, 对电器产品有害的化学药品, 煤气等地方使用。
4、在因磁场或高频仪器, 高压火花, 闪电等原因引起电压异常时, 在外部请使用电源滤波器或非线性电阻等干扰吸收电路。
5、输入信号线应尽量的短, 通常情况下, 建议使用双绞线或屏蔽线。
摘要：本文论述了一种含有参数采集、处理以及控制等多功能于一体的新型电力仪表。整体上采用MCU+专用电能测量芯片为架构, 可以实现对电力系统参数的精确测量, 主要功能包括测量电压、电流、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数、频率、有功电能、无功电能、负载性质等。硬件上采用隔离及抗干扰措施, 系统能够在高干扰的电力系统环境下准确、稳定的运行。并配置有网络通讯、数字量输入、模拟量输出、继电器输出等功能, 使得其真正具备了遥测、遥控与遥调的能力。
关键词：参数采集,单片机,CS5463,电力仪表
参考文献
[1]陈志忠, 徐月华.计量芯片ADE7758在三相多功能网络电能表中的应用[J].自动化与信息工程.2010 (01)