大功率电器智能识别系统设计

周维龙，欧阳洪波，胡 姣，何小梅

（湖南工业大学 电气与信息工程学院，湖南 株洲 412007）

大功率电器智能识别系统设计

周维龙，欧阳洪波，胡 姣，何小梅

（湖南工业大学 电气与信息工程学院，湖南 株洲 412007）

针对各种各样的大功率用电器走进学生公寓所带来的安全隐患，提出了一种基于FGPA的大功率电器智能识别系统的设计方案。该系统采用EP3C25E1448CN作为主控制器，外围电路由保护模块、数据检测模块、A/D转换模块、数据显示模块以及数据传输模块组成；给出了控制系统模型，简述了各功能模块的作用，并采用自顶向下的设计思想，实现了大功率用电器智能识别器的设计；详细论述了系统硬件电路的设计以及A/D变换与乘法器的FPGA实现。测试结果表明：本系统存在一定误差，但能满足对大功率用电器的控制，系统是可行的。

大功率电器；功率采集；智能识别；FPGA

0 引言

随着人们生活水平的不断提高，各类大功率电器（加湿器、烤火炉、空调、电磁炉、电热淋浴器等）已悄然走进千家万户，这导致了用电管理越来越难。学校公寓由于学生人数多，人口密度大，如果对学生用电管理不当，不仅会造成电能源的大量损耗，甚至引起火灾，造成巨大的经济损失，以及人员伤亡[1]。

针对以上问题，目前一般做法是限时送电或在室内安装限流器，但是装了限流器后，限制了大功率电器的使用，同时也影响了电脑等常规电器的使用，这样达不到合理管理的目的。本文设计了一种基于FPGA（field programmable gate array）的大功率检测器，通过检测用电器的瞬时功率，判断用电器是否为大功率用电器（禁用电器），并控制其电源的通断，从而实现对公寓内大功率用电器的有效管理。

1 系统硬件电路设计与实现

1.1 系统总体方案

本系统将ALTERA公司生产的EP3C20作为主控制器模块，外围电路由保护模块、数据检测模块、A/D转换模块（AD7701）、数据显示模块以及数据传输模块（RS485）组成[2]，如图1所示。其中，主控制模块完成数据处理、数据显示和通信控制功能[3]；保护模块完成短路保护功能[4]；数据检测模块完成对负载用电回路功率采集的功能；系统通过继电器的通断开控制回路的通断，当用电器功率大于设定值时，继电器断开，切断用电器的电源，该控制实现简单，易于开发。

图1 系统总体方框图Fig.1 System block diagram

1.2 功率检测电路设计与实现

用电器功率有视在功率S、有功功率P与无功功率Q之分，其中，有功功率指的是元件消耗的能量；无功功率指的是元件与能量的交换；视在功率反映了电路提供的最大能量。本系统主要是为了保护供电线路的安全，考虑的是传输线路的总负荷，因此，检测用电器的视在功率。对视在功率的检测最常用的方法主要有3种：

1）通过测量用电器两端的电压和通过用电器的电流，计算得S=UI；

2）通过测量用电器的电流和用电器的电阻，计算得S=I2R；

3）通过测量用电器两端的电压和用电器的电阻，计算得S=U2/R。

如要快速测出不同用电器的电阻，同时测得其电流或电压值，在同一电路中是很难实现的，因此，本系统采用第一种方案。由霍尔电流传感器测出被测对象的电流值，电压传感器测出电压值，再由主控器FPGA将2个数值相乘，得到功率值。该测试实物如图2所示。

图2 功率检测实物图Fig.2 Physical picture of power testing

2 系统控制算法分析

本文对数据的处理主要包括2方面：1）如何检测用电器的功率；2）如何判断公寓内是否使用大功率用电器。

2.1 用电器功率检测

在主控器FPGA中，可通过一个多位数字乘法器，将采集到的电压和电流值相乘，即可得到用电器的功率。乘法器可采用各种不同的设计技巧，综合后的电路亦有不同的执行效能。常用的乘法器有移位乘法器、定点乘法器及布斯（Booth）乘法器。不带符号的8位乘法器若采用连加方式，则最差情况需要28-1次加法才能完成计算；而移位乘法器则最多需要8次即可完成乘法计算。移位乘法器是通过逐项移位相加原理实现，从被乘数的最低位开始，第n位若为1，则乘数左移n位，再与上一次的和相加；若为0，乘数左移n位后以全零相加，直至被乘数的最高位。因此，最多判断8次即可获得2个数的乘积[4]。

2.2 大功率用电器识别

对公寓大功率用电器的识别，可通过不停检测每间宿舍的总功率，若在某时刻总功率突然增加（ΔP）较大，则表明该宿舍启动了大功率电器，从而切断该宿舍电源。因此，本文采用乒乓控制法。宿舍可以使用的电器仅局限于普通充电器、电风扇以及电脑等。台式电脑的功率一般在350W左右，阈值的大小可设定在450W左右。通过一个16位数据比较器对采集的瞬时功率与设定值进行比较，即可实现对大功率用电器的识别。该系统精度高达0.1%，对于大功率的比较，完全满足实际要求。

3 控制系统的功能分析

随着微电子技术不断发展，FPGA技术取得了飞速发展。由于其具有集成度高，工作速度快和可现场编程等特点，因此，在数字信号处理中得到了广泛应用[5]。在本系统中，FPGA控制器主要完成对A/ D转换器控制、功率采集、大功率电器的识别、数据显示以及数据传输等功能[5]。系统控制电路框图如图3所示。

图3 系统控制电路框图Fig.3 System control circuit diagram

1）A/D转换控制模块

该模块的主要功能是完成模/数变换，将传感器采集到的电压与电流值转换成数字量。系统采用美国Analog公司生产的AD7701作为A/D转换芯片，因其具有功耗低、精度高、抗干扰能力强等特点，被广泛应用于仪器仪表、参数检测、数据采集等设备中。CS为片选端，低电平有效，可由FPGA对时钟信号分频得到；SCLK为串行时钟端，由FPGA对时钟信号进行分频与PWM（pulse width modulation）处理后得到；DRDY为数据准备端，数据寄存器数据准备好时为低电平，数据传送完毕后为高电平，可作为数据是否传输完毕的控制信号；CLKIN为主时钟信号（4MHz）输入端，可由FPGA对时钟信号经10分频得到；SDADT为串行数据输出端，将转换后的数据以串行通信的方式输出，当FPGA给AD7701的CS端第一个下降沿时，AD7701开始发送第一帧A/D转换数据（高8位DB8～DB15），低位在前，当给CS端第二个下降沿时，AD7701输出第二帧8位数据（低8位DB0～DB7）。

2）串/并转换模块

本模块为一个8位串/并转换器，将AD7701串行数据输出端SDADT输出的数据，分2次转换成16位并行数据输入到乘法电路中。其中第一次为高8位数据，第二次为低8位数据。

3）比较器控制模块

比较器控制电路是实现乒乓控制法的关键部件。将乘法器输出的数据与设定功率阈值进行比较，当用电器工作的瞬时功率小于或等于设定功率时，输出低电平；否则，输出高电平，并通过系统执行部件，切断用电器工作电源，实现对大功率电器的智能控制。

4）乘法电路模块

传感器采集的电压与电流，经信号调理后输入到乘法器中，通过乘法电路实现两者相乘，从而得到用电器的功率。

5）LCD控制模块

系统采用MCD12864作为显示器模块，主要显示用电器的工作电压、电流、功率及当前的工作状态。其中，E为使能信号控制端；R/W为读/写操作控制端，当FPGA输出高电平时进行读操作，输出低电平时进行写操作；RS为寄存器选择控制，高电平为数据，低电平为指令；DB7-0为数据总线。

6）RS485控制模块

RS485接口芯片已被广泛应用于工业控制、仪器、仪表、多媒体网络、机电一体化产品等诸多领域[6-7]。系统采用MAX1483芯片作为数据传输模块，将采集的功率传输到上位机，可实现对用电器的远程监控。RO为接收器输出控制端；RE为接收器输出使能，低电平有效；DI为发送器输入端；DE为发送器输出使能控制端。

4 FPGA仿真实现

4.1 A/D转换

由文献[6]可知：fSCLK=5MHz，SCLK高电平脉冲宽度t11≥35ns，SCLK低电平脉冲宽度t12≥160ns，数据以fout=4kHz速率更新16位数据输出寄存器的内容。因此，SCLK时钟信号可由EP3C时钟（40MHz）经8分频，得到fSCLK=5MHz。为简化脉宽调制器的设计，取占空比为1∶3（即2∶6），此时t11=80ns，t12=160ns。采用VHDL（very-high-speed integrated circuit hardware description language）语言实现分频器的设计，F_SCLK时序仿真如图4所示。从图中可以看出，设计完全符合要求。

图4F_SCLK 时序仿真图Fig.4 Timing simulation diagram of F_SLCK

4.2 8位移位乘法器

根据乘法器原理与二进制法原理分析可得，整个乘法器系统包括计数模块、乘法移位模块、被乘数输入模块、二进制加法模块和乘积寄存器模块等构成[8]。移位乘法器采用模块化设计，先用VDHL语言实现各模块的逻辑功能，并生成相应的元件，在顶层把功能模块连接成如图5所示电路，编译后仿真，可得图6所示波形。

图5 8位移位乘法器电路原理图Fig.5 The schematic of 8-bit multiplier

图6是使用QuartusⅡ8.0对移位乘法器进行时序仿真的结果。a, b, p均采用十六进制，由图可以看出，输入a=05, b=05时，乘积输出p应为5×5=25，实际仿真输出为0019H即25，这说明仿真结果是正确的。

图6 8位乘法器时序传真结果Fig.6 Timing simulation diagram of 8-bit multiplier

4.3 顶层控制

运用原理图输入的设计方法是，将各单元模块所生成的元件在顶层按图3的方式连接，即可构成整个系统的硬件原理图。该系统以Alter公司生产的EP3C25E1448CN为主控制器，整个系统主要包括初始状态（initialization）、数据采集状态（data_sample）、数据处理状态（data_processing）、RS485传输状态（RS485_ transfers）、数据显示状态（data_display）5种状态，因此，可以利用有限状态机的设计方案来实现。其状态转换如图7所示[9]。通过开发工具QuartusⅡ8.0对各个模块的 VHDL 源程序及顶层电路进行编译、逻辑综合，电路的纠错、验证、自动布局布线及仿真等各种测试，最终将设计编译的数据下载到芯片中即可。

图7 系统状态转换图Fig.7 System state transition diagram

5 系统测试结果与展望

在图2的基础上，外接MCD12864显示模块，得到本系统的整个硬件电路，再将不同的用电器接到图中的插线板上进行测试。表1为一组测试数据。

表1 测试结果Table1 Results of test W

由测试数据可看出，系统存在一定的误差。引起误差的主要原因有2个方面：1）用电器的标称值本身就是一个估计值，与其实际功率有一定偏差；2）电流传感器的输出电压为

而实际工作电压小于5V。尽管如此，对大功率用电器的识别，几瓦的误差对实际运用不会造成大的影响，因此，本系统是切实可行的。

本方案可实现对用电器功率的即时采集，在下一步研究工作中，通过RS485远程通信，实现大功率用电器的远监控，这对实现学生公寓安全用电、绿色照明具有较大的市场价值。

[1] 大连鑫盛科技有限公司. 近年来中外高校学生宿舍火灾事例[EB/OL]. [2012-04-12]. http://www.dlxskj.cpooo. com/news/22742.html. Dalian Xinsheng Technologies Co., Ltd.Chinese and Foreign University Student’s Dormitory Fire Case in Recent Years [EB/OL]. [2012-04-12]. http://www.dlxskj.cpooo.com/ news/22742.html.

[2]綦 磊，张 涛，梅 玮，等. 基于 FPGA 的高速信号采集平台设计[J]. 传感器与微系统，2011，30(9)：79-81. Qi Lei，Zhang Tao，Mei Wei，et al. Design of High-Speed Signal Acquisition Platform Based on FPGA[J]. Transducer and Microsystem Technologies，2011，30(9)：79-81.

[3] 周维龙，肖伸平，陈 刚，等. 基于物联网的大功率电器监控系统设计[J]. 湖南工业大学学报，2012，26(5)：95-99. Zhou Weilong，Xiao Shenping，Cheng Gang，et al. Design of High-Power Electrical Monitoring System Based on the Internet of Things[J]. Journal of Hunan University of Technology，2012，26(5)：95-99.

[4]Analog Devices Inc. LC2MOS16-Bit A/D Converter AD7701 [EB/OL]. [2013-04-12]. http://www.analog.com/static/ imported-files/data_sheets/AD7701.pdf.

[5]胡紫英，谭立志，周维龙. 基于FPGA的智能温度变送器的设计[J]. 微计算机信息，2010(11)：137-139. Hu Ziying，Tan Lizhi，Zhou Weilong. The Design of Intelligent Temperature Transmitter Based on FPGA[J] . Microcomputer Information，2010(11)：137-139.

[6]WangJun，ZhangWenhao，ZhangYuxi，et al. Design and Implementation of HDLC Procedures Based on FPGA[C]/ /The 3rd International Conference on Anti-Counterfeiting，Security，and Identification in Communication ASID 2009. Hong Kong：IEEE，2009：336-339.

[7]刘纯虎，付 斌，连 琏. 基于STM32的水下运载器控制系统多串口远程转发器开发[J]. 计算机测量与控制，2013，21(6)：1537-1540. Liu Chunhu，Fu Bin，Lian Lian. Design of Multiport Serial Transponder Module Based on STM32[J]. Computer Measurement & Control，2013，21(6)：1537-1540.

[8]袁 博 ，刘红侠. 针对乘法器内部加法运算次数的优化算法[J]. 西安电子科技大学学报，2013，40(3)：123-131. Yuan Bo，Liu Hongxia. Optimization Methodology for the Number of Additions in Multiplier[J]. Journal of Xidian University，2013，40(3)：123-131.

[9]樊辉娜. 基于状态机的8路彩灯VHDL设计[J]. 制造业自动化，2011，33(1)：176-178. Fan Huina. 8 Based on State Machine VHDL Design Lantern [J]. Manufacturing Automation，2011，33(1)：176-178.

（责任编辑：邓 彬）

Design of Intelligent Cognitive System of High-Power Electrical Appliances

Zhou Weilong，Ouyang Hongbo，Hu Jiao，He Xiaomei
（School of Electrical and Information Engineering，Hunan University of Technology，Zhuzhou Hunan 412007，China）

In view of the hidden dangers of various high-power electrical appliances into student’s apartment, proposes a cognitive system of high-power electric appliances based on FPGA. The system uses EP3C25E1448CN as the microprocessor and the peripheral circuit consists of protection module, data detection module, A/D conversion module, data display module and data communication module. Provides the control system model and describes the role of each functional module, and with top-to-down design ideas, realizes the intelligent cognitive device design for high-power electrical appliances. Elaborates the system hardware circuit design and FPGA implementation of A/D conversion and multiplier. The test results indicate that the system exists some error but it is feasible and can meet the use of high-power electrical control.

high-power electrical appliance；power acquisition；intelligent cognitive；FPGA

TM769

：A

：1673-9833(2014)01-0044-05

2013-11-12

湖南省教育厅一般基金资助项目（13C024），湖南工业大学大学生研究性学习和创新性实验计划基金资助项目（湖工大教字[2013]9号-47），湖南省科学技术厅科技计划一般基金资助项目（2011FJ3128）

周维龙（1978-），男，湖南邵阳人，湖南工业大学教师，主要研究方向为嵌入系统设计及应用，无线传感器网络技术，E-mail：weilong_12345@163.com

10.3969/j.issn.1673-9833.2014.01.009