用于电气设备安全的功率计研究

李风光，张瑞芳，杨永环，邵蕊娜

（1.河南省医疗器械检验所 河南 郑州 450003；2.郑州市轨道交通有限公司 河南 郑州 450015）

随着医用电子行业的发展，医用电气设备作为一种医疗手段在医疗工作中的作用越来越大。病人及医院工作人员都不可避免的使用到各种医用电气。对于电气类医用设备，应避免出现不稳定因素、甚至于错误的状态出现，以保证病人的安全。医用电气的有功功率和动作电流是考查其安全性能的重要指标。信号微机监测系统是保证使用安全、提高各种设备测量精度、快速准确的解决出现的各种问题不可缺少的机制。这就要求实时的对设备状况、特性参数加以监测。

医用电气设备运转是一个特定的的过程，工作功率是一条有规律的曲线。通过监测设备的智能诊断软件分析电流波形和数值的变化，可判别出设备工作是否正常并进行故障定位和分离，找出故障部件和位置。从而及时报警以预防事故。为保证设备出现故障时系统能够及时的报警和处理，要对设备的运行状态加以存储分析，需要对功率信号进行检测。功率检测的方法很多，可以利用专门的芯片实现，也可以通过软件编程得到，还可以采用纯硬件电路进行检测。

文中研究对象是对三相三线制的电动机功率的在线监测。采用专用功率芯片对功率信号检测，通过CAN总线与上位机通信，使得信号的可靠性得到更好的保证，最终达到调度监督、微机监测、有效管理的目的。

1 系统工作原理介绍

1.1 系统基本工作原理

本系统主要既能应用于数据终端，也可应用于模拟终端。系统工作原理图如图1所示。

图1 硬件电路原理图Fig.1 Schematic diagram of hardware circuit

系统的工作过程是高压信号经过电压互感器转化到0.5 V左右，经过电流互感器把电流信号转化到0.1 V左右。转化后得到的信号经过整流滤波调理后输入三相电能芯片ATT7022中。信号输入到ATT7022中后将测的有功功率、三相电流信号存入相应的参数输出寄存器中。ATT7022芯片接流水线式处理器C8051F041，在高速的流水线指令结构下，程序执行速度可以达到50MIPS，使系统的实时性得到满足[1]。用中断的方式从ATT7022的寄存器中读出相应的信号值。

针对该信号做出两种处理:第一种是是针对系统与上位机相连的检测系统，需要做CAN总线通讯的处理。另一种模块针对测量仪器是模拟仪器，要求平均功率和有效电流信号转化为4~20 mA的电流信号，以便进行测量显示。在实际的应用中两种模块可以按照实际的应用环境进行选择。

1.2 功率信号计算原理

功率芯片ATT7022集成了6路二阶sigma-delta ADC、参考电压电路。它不需要外接数据采集芯片，系统有更高的集成度。采用双端差分信号输入形式，减少了干扰源。在此芯片中完成对有功功率的计算，通过对去直流分量后的电流、电压信号进行乘法、加法、数字滤波等一系列数字信号处理后得到有有功功率。前端的ADC采用过采样技术，可充分保证电流、电压采样速率，根据采样定理可知电流、电压采样数据中包含高达21次的谐波信息，依据公式（1）计算得到的有功功率也至少包含21次谐波信息信号[2]。

功率芯片与单片机系统的接口是通过ATT7022提供的一个SPI接口，进行数据传递。在系统中采取在功率芯片中计算采样得到的有功功率，然后输入到C8051F041中对其求半个周期的平均功率的方法，这样得到的功率误差更小，精度可以得到很好的保证[3]。此外，ATT7022内部的电压监测电路可以保证加电和断电时正常工作。

2 硬件电路设计

硬件电路设计采取模块化设计，主要的模块主要包括：CAN总线接口模块、电流源电路、功功率检测模块、高速光电耦合器6N137、编程调试接口电路、电源电路和振荡器电路、以及信号输出模块等组成。

2.1 CAN总线模块

C8051F041具有控制器局域网（CAN）控制器，基于CAN协议下位机与上位机进行串行通信。为提高CAN总线节点的抗干扰能力，C8051F041的CANTX和CANRX通过高速光耦6N137与82C250与82C250的TXD和RXD相连。Silicon Labs CAN控制器符合Bosch规范2.0A和2.0B，CAN网络通信十分方便，它的工作速率可达1M位/秒。CAN控制器包含一个CAN核、消息RAM（独立于CIP-51的RAM）、消息处理状态和控制寄存器。Silicon Labs CAN是一个协议控制器，不提供物理层驱动器（收发器）。

Silicon Labs的CAN有32个消息对象，每个消息对象有其自己的标识掩码，标识掩码用于对接收到的消息进行过滤。输入数据、消息对象和标识掩码存储在CAN消息RAM中。与数据发送和接收过滤有关的所有协议处理均由CAN控制器完成，不需C8051 MCU干预。这可使得用于CAN通信的CPU带宽最小。C8051通过特殊功能控制器（SFR）配置CAN控制器，读取接收的数据，写入要发送的数据。

2.2 电流源模块

功率信号及三相电流有效值经过C8051F041后，再经过光电耦合器把电压转换为电流的电路（即电流源），把电压信号变成4~20 mA的电流信号，具体电路如图2所示。

图2 电流源原理图Fig.2 Schematic diagram of current source

图2中的TLP250起驱动作用，信号经过双路放大整流，把脉冲电压信号转化为与之成线性关系的电流信号。这样保证了输入与输出的对应关系，使得输出能准确的反映采集到的信号变化情况。

2.3 电源电路

DC/DC定电压隔离稳压单输出（正压或负压）转换器，具体电路图如图3所示，图中的电源转换电路输出稳压精度高，隔离特性好，无需外接任何外转元件即可工作。特别适用于对输出电压精度和纹波噪声抑制率要求高的DC电压变换器系统。

3 系统软件设计

本程序的编写和调试的开发环境是Keil 51，采用C语言和汇编语言混合编程，基于C程序中调用汇编的设计思想[4]。软件设计主要包括：I/O口的初始化配置，电压管理系统的设置，系统时钟、中断，PCA定时器以及输出8位占空比可变化的PWM子程序[5]。

初始化CAN控制器的步骤如下：

1）将SFRPAGE寄存器设置为CAN0_PAGE；

2）将CAN0CN寄存器中的INIT和CCE位设置为1；

图3 DC/DC电路图Fig.3 DC/DC circuit diagram

3）设置位定时寄存器和BRP扩展寄存器中的时序参数；

4）初始化每个消息对象或将其 MsgVal位设置为NOT VALID（无效）；

5）将 INIT 位清‘0’。

数据采集采用中断采集方式，程序主要包括主程序，初始化子程序，串行通信子程序，平滑滤波程序以及中断PWM输出子程序。数据测量中断子程序框图以及主程序框图如图4和图5所示。

图4 数据测量中断子程序框图Fig.4 Interrupt subprogram diagram of data-measure

图5 数据测量主程序框图Fig.5 Main-program diagram of data-measure

软件系统采用汇编语言方便了调试、修改，满足系统在时间上的精确要求。本系统中三相电压和电流信号每半个周期采样1 000点，在功率芯片ATT7022中计算出每次对应的功率值，设定通过C8051F041每隔10 ms的时间进行中断请求采样。分四路采样，分别是平均功率和三相电流有效值。对采集到的数据信号采取平滑滤波处理，避免输出产生较大的波动。

4 系统误差分析

实际电力系统中，连接了许多外在电气设备，这将给电网注入各种谐波电流。交流信号并非单一的50HZ正弦波，这些高次谐波危害电气设备的正常运行或缩短其寿命，是必须要加以去除的。总体上高次谐波幅度随着次数的增高而变小，然而同频率谐波电压和谐波电流将构成谐波功率，且是有功功率的一个部分，谐波电压和谐波电流也是电压有效值和电流有效值的一部分，因此，在交流采样技术中应该考虑谐波分量。

ATT7022支持全数字校表，经过校正的仪表，有功功率可以达到0.5 s。功率校正主要分为比差校正和角差校正。本次设计我们先采取比差校正，ATT7022可以将比差进行分段补偿，根据电流大小设置补偿分段区域。完成比差修正后做角差校正。比差校正在功率因数为1.0时进行，而角差校正在功率因数为0.5时完成。 需要进行软件校表的寄存器有：功率增益补偿寄存器、相位校正寄存器、电压校正寄存器、电流校正寄存器和启动电流设置寄存器。通过这些设置之后所得到的信号，在精度上可以达到更高指标。

5 结束语

文中介绍的系统，已经在现场进行了试运行，各项目标均达到项目书的要求。采用CAN总线更能使得信号传输的距离、可靠性得到更好的保证。通过对供电电源，信号采集通道，以及信号输出通道进行必要的抗干扰设计，光电隔离、短路保护以及过载保护等措施，使系统很好的适应了工作环境的复杂性。在现场的试运行中得到很好的效果。特别是在电磁干扰较强的工作环境，也具有很好的应用前景。

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