CN209707585U - 一种积分综合模块 - Google Patents

Abstract

一种积分综合模块，包括：电压前端隔离信号处理模块、电流罗茨线圈信号处理模块、信号采集模块、处理器、存储器、通讯信号隔离模块、多路隔离稳压电源、通讯模块；所述电压前端隔离信号处理模块和所述电流罗茨线圈信号处理模块分别与信号采集模块相连接，用于采集所述电压前端隔离信号处理模块和所述电流罗茨线圈信号处理模块获得的电压信号和电流罗茨线圈信号，信号经所述信号采集模块采集处理后传送给处理器，存储器用于存储所述处理器待处理和/或已处理的信号，经处理器积分运算处理后的信号经通讯信号隔离模块传输给通讯模块，通讯模块将所获得的数据输出。

Description

一种积分综合模块

技术领域

本实用新型涉及测量测试、仪器仪表、集成电路技术领域，具体涉及一种积分综合模块。

背景技术

基于电流测量线圈原理的罗氏线圈电流互感器是一种无磁性芯的环状线圈，可以用于测量在环状线圈中间导体的电流；由于其具有线性度良好、无饱和、测量精度高等特性，已逐渐应用于矿热炉二次检测的大电流测量。罗氏线圈电流互感器线圈输出的二次电压信号是一次电流信号的微分，故必须通过相应的积分环节还原出被测的一次电流信号。现有的积分环节有采用RC电路模拟积分电路实现，也有采用ADE7858的计量芯片数字积分器。

传统的积分环节主要采用模拟积分电路实现，但模拟积分电路使用的电阻、电容器件不是理想器件，运放直流偏移、积分电容的泄漏与损耗、运放及其他模拟器件的时漂和温漂等因素，都会对积分结果产生影响，从而造成积分出现偏差，降低电流互感器的准确度。

采用ADE7858的计量芯片数字积分器，其存在着计量芯片的局限，只能测得三相电流、电压值以及电流电压的夹角。无法得出电流之间的夹角、相位角以及三相有功电耗，无功电耗；该产品应用于矿热炉二次侧的大电流测量系统时，只能测量相电压、相电流、有功无功参数，无法测出二次角接后电极电流。

实用新型内容

鉴于现有技术中存在的问题，本实用新型的目的之一在于提供一种积分综合模块，采用该积分综合模块能够提高测量仪器的测量精度。

为达此目的，本实用新型采用以下技术方案：

一种积分综合模块包括：电压前端隔离信号处理模块、电流罗茨线圈信号处理模块、信号采集模块、处理器、存储器、通讯信号隔离模块、多路隔离稳压电源、通讯模块；所述电压前端隔离信号处理模块和所述电流罗茨线圈信号处理模块分别与信号采集模块相连接，用于采集所述电压前端隔离信号处理模块和所述电流罗茨线圈信号处理模块获得的电压信号和电流罗茨线圈信号，信号经所述信号采集模块采集处理后传送给处理器，存储器用于存储所述处理器待处理和/或已处理的信号，经处理器积分运算处理后的信号经通讯信号隔离模块传输给通讯模块，通讯模块将所获得的数据输出。

作为优选实施例，所述电压前端隔离信号处理模块为三相电压前端隔离信号处理模块，所述电流罗茨线圈信号处理模块为三相电流罗茨线圈信号处理模块。

作为优选实施例，所述信号采集模块包括AD采集CS5451芯片。

作为优选实施例，所述处理器包括LPC2138FBD64芯片。

作为优选实施例，所述通讯信号隔离模块包括ADUM1201芯片。

作为优选实施例，所述通讯模块包括SP485EEN芯片，具有RS485通讯接口。

作为优选实施例，所述积分综合模块能够用于相电压、相电流、线电压、线电流、功率、电能多个参数中的至少一个参数的测量。

作为优选实施例，所述三相电压前端隔离信号处理模块采用互感器隔离，耐压达DC2500V。

作为优选实施例，所述积分综合模块温度漂移：≤50ppm/℃。

作为优选实施例，所述信号采集模块采用6通道4K同步采样。

与现有技术方案相比，本实用新型至少具有以下有益效果：

罗氏线圈电流互感器测量矿热炉大电流的过程中，使用数字积分处理来实现罗氏线圈电流互感器测量中对幅值、波形、角度的误差调节，用数字积分器的多点误差补偿方法，提高整体测量装置的测量精度。

同时可以克服采用ADE7858的计量芯片数字积分器的缺点，可以测出矿热炉二次侧的电极电流，电极电流可以直观的反应出电极升降运动带来的电气参数变化，相比相电流更具操作参照性。

附图说明

图1是本实用新型所述的积分综合模块其中一个较佳实施例的模块化结构示意图；

图2是本实用新型所述的积分综合模块以外部负载、带测量电路的电路连接示意图；

图3a-图3c是本实用新型所述的三相电压前端隔离信号处理模块的电路结构原理图；

图4是本实用新型所述的三相电流罗茨线圈信号处理模块的电路结构原理图；

图5是本实用新型所述的信号采集模块的电路结构原理图；

图6是本实用新型所述的处理器的电路结构原理图；

图7是本实用新型所述的存储器的电路结构原理图；

图8是本实用新型所述的通讯信号隔离模块的电路结构原理图；

图9a和图9b是本实用新型所述的多路隔离稳压电源的电路结构原理图；

图10是本实用新型所述的通讯模块的电路结构原理图。

下面对本实用新型进一步详细说明。但下述的实例仅仅是本实用新型的简易例子，并不代表或限制本实用新型的权利保护范围，本实用新型的保护范围以权利要求书为准。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本实用新型的技术方案。

为更好地说明本实用新型，便于理解本实用新型的技术方案，本实用新型的典型但非限制性的实施例如下：

本实用新型所述的积分综合模块是高度集成化的针对三相电量参数测量应用的产品，能够用于采用三表法准确测量三相交流电压、三相相电流(真有效值测量)、三相线电流(真有效值测量)、总有功功率、无功功率、功率因数、各单相功率、频率、总有功电度、总无功电度等电参量中的至少一个的测量仪器仪表中。作为优选实施例，所述积分综合模块具有RS-485通讯接口。能够将所测得的数据通过通讯给其他所需的上级控制，无其他DA数模转换过程，有利于测量精度的提高。该模块可广泛应用于电力、通信、铁路、交通、环保、石化、钢铁等行业中，用于监测三相电机驱动的大型设备的电流和电量消耗情况及配电网和企业中三相电能的计量与监测。

图1是本实用新型所述的积分综合模块其中一个较佳实施例的模块化结构示意图；下面结合图1对本实用新型所述的积分综合模块进行示例性说明，注意：申请人需要强调的是图1所述的结构示意图仅是对本实用新型的基本实用新型构思的示例性说明，不得理解为是本实用新型唯一正确的实施方式。

一种积分综合模块包括：三相电压前端隔离信号处理模块10、三相电流罗茨线圈信号处理模块20、信号采集模块30、处理器40、存储器50、通讯信号隔离模块60、多路隔离稳压电源70、通讯模块80，在图1中所示信号采集模块 30为AD采集CS5451芯片，处理器40为CPU运算处理器，通讯模块80为RS-485 通讯接口；所述三相电压前端隔离信号处理模块10和所述三相电流罗茨线圈信号处理模块20分别与信号采集模块30相连接，用于采集所述三相电压前端隔离信号处理模块10和所述三相电流罗茨线圈信号处理模块20获得的三相电压信号和三相电流罗茨线圈信号，信号经所述信号采集模块20采集处理后传送给处理器40，存储器50用于存储所述处理器40待处理和/或已处理的信号，经处理器40积分运算处理后的信号经通讯信号隔离模块40传输给通讯模块80，通讯模块80将所获得的数据发送给其他需要控制或信号输出的上位机。

所述积分综合模块用于罗氏线圈电流互感器信号采样、AD处理，AD处理的信号再经过滤波器消除信号中的直流信号偏置，通过滤波后的信号再进行积分运算。

罗氏线圈电流互感器的输出电压e(t)正比于被测电流的变化率：

上式中—M为互感器线圈与一次母线间互感，i为被测一次电流，t为时间。

通过对罗氏线圈电流互感器线圈的输出电压进行积分，还原出被测电流信号，即：

积分运算参数的调整，来实现罗氏线圈电流互感器测量中对幅值、波形、角度的误差调节，提高整体测量装置的测量精度，获得测量装置综合误差可控的生产工艺控制效果。

图2是本实用新型所述的积分综合模块以外部负载、带测量电路的电路连接示意图；其中图2中所示的积分综合模块各端子的具体定义如下(表1)

表1

端子	定义	说明	端子	定义	说明
						1	V+	12～36V供电电源正	24	U11	A相电压输入1
2	V-	电源地	23	U12	A相电压输入2
						3	PGND	保护地	22	U21	B相电压输入1
4	A+	485信号正	21	U22	B相电压输入2
						5	B-	485信号负	20	U31	C相电压输入1
6	GND	通讯地	19	U32	C相电压输入2
						7	NC	空	18	I11	A相电流输入1(罗茨线圈*正)
8	NC	空	17	I12	A相电流输入2(罗茨线圈-负)
						9	NC	空	16	I21	B相电流输入1(罗茨线圈*正)
10	NC	空	15	I22	B相电流输入2(罗茨线圈-负)
						11	NC	空	14	I31	C相电流输入1(罗茨线圈*正)
12	NC	空	13	I32	C相电流输入2(罗茨线圈-负)

图3a-图3c是本实用新型所述的三相电压前端隔离信号处理模块10的电路结构原理图。

其中图3a中的V11、V12、V21、V22、V31、V32信号输入端对应于图2中的信号输入端U11、U12、U21、U22、U31、U32，如图2所示所述信号输入端U11、 U12、U21、U22、U31、U32分别与三相变压器的变压器A、变压器B、变压器C 的电流输入端和输出端连接。图3a中的UAN信号端、UBN信号端、UCN信号端和AGND信号端分别与图3b和图3c中的UAN信号端、UBN信号端、UCN信号端和AGND信号端相连接。本领域技术人员应当理解，对于某些结构较为复杂的电路图，为描述方便通常需要将相互连接的整个电路图通过多个单独的电路予以呈现，在不同的电路图中具有相同标记的信号端即表示两者是相互连接的，本申请人实用新型人再次强调上述基本原则也适用于后文提到的电路图，在一些特定的情况下，在说明书所给出的电路图已经能够明确表达电路之间的连接关系时，为节约说明书篇幅，说明书文字部分对其的描述将予以省略或简化。

图4是本实用新型所述的三相电流罗茨线圈信号处理模块的电路结构原理图；其中图4中的I11、I12、I21、I22、I31、I32信号输入端对应于图2中的信号输入端I11、I12、I21、I22、I31、I32,如图2所示所述信号输入端I11、I12、I21、I22、I31、I32分别与测量三相变压器的变压器A、变压器B、变压器C的电流的罗茨线圈的两端相连接。

图5是本实用新型所述的信号采集模块的电路结构原理图，所述信号采集模块包括有CS5451A芯片，CS5451A是Cirrus Logic公司为能源测量工业设计的高度集成的Δ-ΣA/D转换器。CS5451A在一个芯片上集成了6个Δ-ΣA/D 转换器、滤波器和一个与微控制器或DSP相联接的串行接口。CS5451A与一个变流器或可测量电流的分流器和电阻分割器或测量用变压器直接连接。同时该产品已被初始化和功能完全设置，并包括一个参考电压。对于CS5451A与其他电路的连接方式一方面根据CS5451A芯片本身的使用特性，另外一方面根据图5 所示均已比较清晰，为节约篇幅这里不在进行文字性描述。

图6是本实用新型所述的处理器的电路结构原理图；所述处理器包括：LPC2138FBD64芯片，LPC2138FBD64芯片是由恩智浦半导体公司(NXP)生产的基于一个支持实时仿真利嵌入式跟踪的32位ARM7TDMI-SCPU，并带有512kB嵌入的高速Flash存储器。通过片内boot装载程序实现在系统编程/在应用编程 (ISP/IAP)。128位宽度接口/加速器可实现高达60MHz作频率，使32位代码能够在最大时钟速率下运行。较小的封装和很低的功耗使LPC2138特别适用于访问控制和POS机等小型应用中；CP由于内置了宽范围的串行通信接口和32kB 的片内SRAM，它们也非常适合于通信网关、协议转换器、软件modem、语音识别、低端成像，为这些应用提供大规模的缓冲区和强大的处理功能。多个串行接口，包括2个16C550工业标准UART、2个高速IIC总线(400kbit/s)、SPI 和具有缓冲作用和数据长度可变功能的SSP。多个32位定时器、2个10位8路的ADC、1个10位DAC、PWM通道、47个GPIO以及多达9个边沿或电平触发的外部中断使它们特别适用于工业控制应用系统。对于LPC2138FBD64与其他电路的连接方式一方面根据LPC2138FBD64芯片本身的使用特性，另外一方面根据图 6所示均已比较清晰，为节约篇幅这里不在进行文字性描述。

图7是本实用新型所述的存储器的电路结构原理图；所述存储器包括 FM24CL64芯片，FM24CL64是采用先进的铁电工艺制造的64K位非易失性存储器。铁电随机存储器(FRAM)具有非易失性，并且可以象RAM一样快速读写。FM24CL64 中的数据在掉电后可以保存45年。相对EEPROM或其他非易失性存储器， FM24CL64具有结构更简单，系统可靠性更高等诸多优点。

与EEPROM系列不同的是，FM24CL64以总线速度进行写操作，无须延时。数据发到FM24CL64后直接写到具体的单元地址，下一个总线操作可以立即开始，无需数据轮询。此外，FM24CL64的可读/写次数比EEPROM高出几个数量级。同时，由于无需内部升压电路，FM24CL64的写操作功耗非常低。FM24CL64特性： 64Kbit非易失性铁电存储器，结构容量为8,192x 8位，读/写次数无限制，掉电数据保存45年，无延时写入操作，采用先进的高可靠性铁电制造工艺，快速两线串行接口，总线频率可达1MHZ，硬件上可直接替换EEPROM，支持以前的 100kHz&400kHz时钟频率；低功耗操作，工作电压：2.7V～3.6V，工作电流 (100kHz)：75uA，待机电流1uA；工业温度：-40℃～+85℃，8脚SOIC封装。

图8是本实用新型所述的通讯信号隔离模块的电路结构原理图，所述通讯信号隔离模块包括ADUM1201芯片，ADUM1201是采用1/1通道方向性的双通道数字隔离器，其基于ADI公司技术。这些隔离器件将高速CMOS与单芯片变压器技术融为一体，具有优于光耦合器等替代器件的出色性能特征。 iCoupler器件不用LED和光电二极管，因而不存在一般与光耦合器相关的设计困难。简单的iCoupler数字接口和稳定的性能特征，可消除光耦合器通常具有的电流传输比不确定、非线性传递函数以及温度和使用寿命影响等问题。这些iCoupler产品不需要外部驱动器和其它分立器件。此外，在信号数据速率相当的情况下，iCoupler器件的功耗只有光耦合器的1/10至1/6。

图9a和图9b是本实用新型所述的多路隔离稳压电源的电路结构原理图；其中图9a是稳压电路结构原理图，图9b是隔离电路结构原理图，所述稳压电路和隔离电路均为电学领域常用的基本电路元件，图9a和9b仅是示例性的说明，本领域技术人员在不违背本申请实用新型目的的情况下，可以选用其他任何可以实现多路隔离稳压功能的电路结构。

图10是本实用新型所述的通讯模块的电路结构原理图；所述通讯模块包括SP485EEN芯片，为增强型低功耗半双工RS-485收发器，具有RS485通讯接口，所测得的数据通过通讯给其他所需的上级控制，无其他DA数模转换过程，测量精高。

本实用新型所述的积分模块的核心器件是2个,采用了32位ARM处理器 LPC2138和6通道16位电表专用AD芯片CS5451A，AD以4K的数据率同步采样，由ARM处理器分析计算出电压、电流、功率、相位、电能等参数。

罗茨线圈输入的微分电流信号经处理器(CPU)的数字积分器处理，并经移相与数字校正，实现了高精度的测量。

所述积分综合模块设置了RS485通讯接口，所测得的数据通过通讯给其他所需的上级控制，无其他DA数模转换过程，测量精高。所述积分综合模块的成品包括积分器硬件及软件，其中，软件采用嵌入处理器的固件形式。同时，提供校验误差补偿参数设定的PC端软件，通过RS485通讯接口与PC通信。

所述积分综合模块的生产采用自动化设备的生产，采用贴片元件及后续可能的校验过程自动化生产需要的接口。

由于配套于罗氏线圈电流互感器的积分器的测量信号不能作为最终计量值，还需后续计量，本实用新型的新思路和关键：采用集成电路，对输入模拟量进行高速ADC转换为数字量，并利用高速数字处理器进行积分运算。运算后结果不再如其他的有类似产品通过DAC转换为模拟量的数字电路，而是直接将积分后的数据进行电参数计量，这样无中间的DA、AD过程，因此不会产生此过程的误差。

本高集成化数字积分器具有更精度、也可更精准调整测量误差；用于矿热炉大电流检测的罗氏线圈电流互感器的积分综合器、集积分和计量一体的高集成化器件。该积分综合模块可直接测出可以测出矿热炉二次侧的电极电流，电极阻抗，电极功率因数，电极功率参数。

本实用新型采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部采用先进的抗干扰技术，应用于罗氏线圈电流互感器的数字积分器，克服了模拟积分器的不足之处，实现了一次电流信号准确还原。与模拟积分器相比，数字积分器不仅性能稳定，相位特性优良，不受温漂和时漂参数的影响，且能克服模拟积分器不能避免的直流偏移的影响。

本实用新型为高集成化数字化积分器，其还包括了计量功能。因此解决了多器件串联测量带来的叠加误差，产品具有更高集成度。

该积分综合模块可以直接测出可以测出矿热炉二次侧的电极电流，电极阻抗，电极功率因数，电极功率参数。

在一些优选的实施例中，本实用新型所述的积分综合模块具体如下功能特点：

采集矿热炉变压器二次侧三相电参量，包括相电压、相电流、线电压、线电流、功率、电能等40多个电参量，信息全。

采用专用测量芯片，交流真有效值测量方式，测量精度高。

通信规约采用标准Modbus-RTU方式，兼容性好，方便编程。

带ESD保护电路的RS-485通信接口。

宽工作电压DC12～36V，并具防接反保护功能，接反电源不会损坏模块。

采用工业级芯片，内置看门狗，并具有完善的防雷抗干扰措施，保证可靠性。

高隔离电压，电压电流输入信号采用微型精密互感器隔离，耐压达DC2500V。

可配置的实时数据更新周期，方便应用于各种测量要求。

带LED指示工作状态，便于现场安装调试。

技术参数：

三相交流输入：

输入频率：工频，45～65Hz；

电压量程：260V、450V等可选；

电流量程：1KA、10KA……等可选；由外配罗斯线圈互感器确定；

信号处理：采用专用高精度AD测量芯片，6通道4K同步采样；

数据更新周期：0.1S～1.00S可配置；

过载能力：1.2倍量程可持续；瞬间(<10周波)电流5倍，电压3倍量程不损坏；

输入阻抗：电压通道＞1kΩ/V；电流通道积分器信号＞10kΩ/V；

通讯接口：

接口类型：RS-485接口；

通讯规约：MODBUS-RTU标准规约；

数据格式：可软件设置，“n,8,1”、“e,8,1”、“o,8,1”、“n,8,2”；

通讯速率：可设置1200、2400、4800、9600、19200、38400Bps；

测量输出数据：

电压、电流、功率、电能等40多个电参量；

测量精度：

电压、电流：±0.2％FS；电量：±0.5％FS；有功电度1级，无功电度2级；

隔离：

DC供电电源、RS-485接口、电压输入、电流输入之间相互隔离；隔离耐压 2500VDC；

电源：

DC+12～36V；

DC+12～36V供电时，峰值电压不得超过+40V；典型功耗：≤0.5W；

工作环境：

工作温度：-20～+70℃；存放温度：-40～+85℃；

相对湿度：5～95％，无结露(在40℃下)；

海拔高度：0～3000米；

环境：无爆炸、腐蚀气体及导电尘埃，无显著摇动、振动和冲击的场所；

温度漂移：≤50ppm/℃；

申请人声明，本实用新型通过上述实施例来说明本实用新型的详细结构特征，但本实用新型并不局限于上述详细结构特征，即不意味着本实用新型必须依赖上述详细结构特征才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本实用新型的任何改进，对本实用新型所选用部件的等效替换以及辅助部件的增加、具体方式的选择等，均落在本实用新型的保护范围和公开范围之内。

以上详细描述了本实用新型的优选实施方式，但是，本实用新型并不限于上述实施方式中的具体细节，在本实用新型的技术构思范围内，可以对本实用新型的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本实用新型的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本实用新型对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本实用新型的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本实用新型的思想，其同样应当视为本实用新型所公开的内容。

Claims (10)

1.一种积分综合模块，其特征在于：包括：电压前端隔离信号处理模块、电流罗茨线圈信号处理模块、信号采集模块、处理器、存储器、通讯信号隔离模块、多路隔离稳压电源、通讯模块；所述电压前端隔离信号处理模块和所述电流罗茨线圈信号处理模块分别与所述信号采集模块相连接，所述处理器分别与所述信号采集模块、所述存储器、所述通讯信号隔离模块和所述多路隔离稳压电源连接；所述通讯信号隔离模块还与所述通讯模块相连接，所述多路隔离稳压电源还与所述通讯模块相连接。

2.如权利要求1所述的积分综合模块，其特征在于：所述电压前端隔离信号处理模块为三相电压前端隔离信号处理模块，所述电流罗茨线圈信号处理模块为三相电流罗茨线圈信号处理模块。

3.如权利要求1所述的积分综合模块，其特征在于：所述信号采集模块包括AD采集CS5451芯片。

4.如权利要求1所述的积分综合模块，其特征在于：所述处理器包括LPC2138FBD64芯片。

5.如权利要求1所述的积分综合模块，其特征在于：所述通讯信号隔离模块包括ADUM1201芯片。

6.如权利要求1所述的积分综合模块，其特征在于：所述通讯模块包括SP485EEN芯片，具有RS485通讯接口。

7.如权利要求1所述的积分综合模块，其特征在于：所述积分综合模块能够用于相电压、相电流、线电压、线电流、功率、电能多个参数中的至少一个参数的测量。

8.如权利要求1所述的积分综合模块，其特征在于：所述三相电压前端隔离信号处理模块采用互感器隔离，耐压达DC2500V。

9.如权利要求1所述的积分综合模块，其特征在于：所述积分综合模块温度漂移：不大于50ppm/℃。

10.如权利要求1所述的积分综合模块，其特征在于：所述信号采集模块采用6通道4K同步采样。