1 、导言
数字信号处理是曩昔四十年以来快速开展起来的科学和工程范畴，这种快速开展是数字核算机技能和集成电路技能迅猛开展的成果。运用数字信号处理办法完结的电能丈量与传统的机电式外表丈量比较具有精度高、能够一起完结多个参数丈量以及运用便利等长处。
传统的机电式电能表不能完结谐波功率的丈量，可是它得到了中止式沟通电能表国际规范（IEC-1268）的支撑。这个规范在基波频率下定义了有功电量和无功电量的计量，这就意味着是否包含谐波成分并不是强制性的。
依据上述规范，常用来完结功率丈量的办法包含时延法、公式法和积分法。这些办法中的时延法十分合适运用数字体系来完结。这时，有功功率和无功功率能够被别离由下面公式来表达：
2、 运用微操控器完结电能参数的核算
当待测的沟通电压和电流信号经过模仿/数字转化器转化为相应的数字量今后，微操控器能够完结有功功率、无功功率以及总功率的核算。因为式（1）和（2）的核算与信号周期相关，当电源周期发生改变时，有功功率和无功功率的核算将发生差错。假如能丈量信号周期，并依据其改变对核算进行调整则能够削减，或许消除核算差错。
这儿选用MCS51兼容芯片和Keil开发软件完结市电周期的丈量以及各种参数的核算。待测信号的周期丈量经过单片机片内的守时/计数器完结。守时/计数器作业在守时形式，16位计数办法。计数的起止由正弦波转化取得的方波信号操控，当第一个方波前沿到来时发动计数，紧接着的方波前沿到来时中止计数，这样在计数器中的数据即为以单片机作业周期为单位的待测信号的周期值。规划中单片机的时钟频率选为12MHz，单片机作业周期，也便是周期丈量的时刻分辨率，为1us。守时/计数器的16位计数办法的计数最大值为65535，市电周期为20ms，因而它直接满意周期丈量的规模要求。
Keil开发软件支撑MCS51系列芯片的汇编言语和C言语开发，并支撑汇编言语和C言语的混合编程。Keil Cx51支撑的数据类型包含有浮点（float）数据类型，它包含4字节（32位），这使得进行乘加运算时即坚持满意的精度，也供给满意的动态规模。Keil Cx51支撑浮点数据类型的加、减、乘和除等算术运算，一起也供给了包含乘方运算、开方运算等运算库的支撑，这些使得完结式（1）、（2）和（3）描绘的核算十分便利。
完结一次电压和电流信号的模仿/数字转化需求必定的时刻，由实测的信号周期和这个时刻数据就能够取得完结积分运算需求完结的乘加运算次数。因为进行乘加运算次数只能为整数，还有假如电压与电流数据不能一起收集，而只能分时收集之间而存在的时刻距离，这些都将对积分运算的精度发生影响。
3、 数据剖析
在市电周期是模仿/数字转化需求的时刻的整数倍数，一起也不考虑电压和电流信号进行模仿/数字转化之间的时刻差，即一起完结电压信号和电流信号的采样，这时在电压信号与电流信号之间存在相位差时有功功率和无功功率的模仿丈量数据如表1所示。表1的丈量条件为：待测信号频率50Hz，一个信号周期的采样点为1000，模仿/数字转化器的分辨率为8位，电压起伏数据100单位，电流起伏数据100单位。
当市电频率违背标称的50Hz，例如市电频率略微升高，也便是信号周期略微下降，因为完结积分运算需求完结的乘加运算次数有必要为整数，这时信号周期与积分时刻将发生差错。当这个差错到达最大时，即完结一次模仿/数字转化所需求的时刻，在不考虑电压和电流信号进行模仿/数字转化之间的时刻差的情况下，其它丈量条件同表1，这时电压信号与电流信号之间存在相位差时各种功率的模仿丈量数据如表2所示。
许多微操控器具有多路模仿信号输入通道和在片模仿/数字转化器，例如ADI公司的ADuC8xx和TI公司的TMS320C28x系列，可是它们的内部是经过一个多路选通电路，再运用一个模块完结模仿/数字转化。假如用这样的芯片完结电压和电流信号的数据收集，那么在两者之间不可避免地发生时刻差。表3给出电压和电流信号进行模仿/数字转化之间存在10us时刻差，但信号周期是模仿/数字转化需求的时刻的整数倍数，这时在电压信号与电流信号之间存在相位差时各种功率的模仿丈量数据。表3的其它丈量条件同表1。
由表1能够看出，本文提出的有功功率和无功功率的丈量办法具有很好的理论丈量精度。表2显现电网频率发生改变对丈量将会发生影响，可是影响很小［3］。最大的丈量差错，尤其是无功功率的丈量，来自于电压和电流信号进行模仿/数字转化之间的时刻差，这点如表3所示。
4 、运用FPGA战胜电压和电流信号之间的丈量时刻差
运用微操控器操控2个独立作业的模仿/数字转化器能够战胜电压信号和电流信号丈量之间的时刻差，运用扩展的数据存储器能够存储丈量数据，可是这时所面对的问题是需求在一个市电周期的时刻内一起完结2路屡次模仿/数字转化，并需求把取得的数据存入数据存储器。
可编程逻辑器材的并行处理才能使其在作业速度方面优于微操控器，因为核算机一次只能履行一条指令，因而它的首要局限性是作业速度，选用硬件计划规划的数字体系总是比软件计划的数字体系的作业速度快。
在本规划中，FPGA完结的作业包含操控2片TLC0820模仿/数字转化器的操控、供给数据存储所需求的存储单元以及完结它与AT89S51微操控器之间的数据传输接口。FPGA芯片选用ALTERA公司的EP1C3T144I-7。
TLC0820是TI公司出产的8位分辨率，转化时刻为2.5us，具有并行数据接口的模仿/数字转化器，它满意本次规划的要求［6］。运用VHDL言语完结单片TLC0820模仿/数字转化器的操控代码。
IF （reset_adc = ‘0’） THEN
current_state_adc 《= 0;
wr_tlc0820 《= ‘1’; rd_tlc0820 《= ‘1’; clk_ram_in 《= ‘0’;
ELSIF （clk_sys‘EVENT AND clk_sys = ’1‘） THEN
CASE current_state_adc IS
WHEN 0 =》 wr_tlc0820 《= ’0‘; rd_tlc0820 《= ’1‘; clk_ram_in 《= ’0‘;
current_state_adc 《= 1;
WHEN 1 =》 wr_tlc0820 《= ’1‘; rd_tlc0820 《= ’1‘; clk_ram_in 《= ’0‘;
current_state_adc 《= 2;
WHEN 2 =》 wr_tlc0820 《= ’1‘; rd_tlc0820 《= ’1‘; clk_ram_in 《= ’0‘;
IF （int_tlc0820 = ’0‘） THEN
current_state_adc 《= 3;
ELSE
current_state_adc 《= 2;
END IF;
WHEN 3 =》 wr_tlc0820 《= ’1‘; rd_tlc0820 《= ’0‘; clk_ram_in 《= ’1‘;
current_state_adc 《= 4;
WHEN 4 =》 wr_tlc0820 《= ’1‘; rd_tlc0820 《= ’0‘; clk_ram_in 《= ’1‘;
current_state_adc 《= 5;
WHEN 5 =》 wr_tlc0820 《= ’1‘; rd_tlc0820 《= ’1‘; clk_ram_in 《= ’0‘;
current_state_adc 《= 6;
WHEN 6 =》 wr_tlc0820 《= ’1‘; rd_tlc0820 《= ’1‘; clk_ram_in 《= ’0‘;
current_state_adc 《= 6;
END CASE;
END IF;
FPGA芯片操控2片TLC0820模仿/数字转化器的作业，别离完结电压信号和电流信号的采样。模仿/数字转化器复位信号reset_adc一起送到2片TLC0820的操控代码，完结电压信号和电流信号的同步采样。模仿/数字转化进程完结之后，TLC0820发生中止信号int_tlc0820，在这个信号操控下，上面代码发生数据存储器写入时钟clk_ram_in，把模仿/数字转化成果写入对应的数据存储器。
存储模仿/数字转化成果的数据存储器运用QUARTUS II可编程逻辑器材开发软件供给的可变参数模块LPM_RAM_DP来完结。电压信号和电流信号具有各自的数据存储器。数据存储器具有独立的读写地址线、数据线、使能信号以及时钟信号。
FPGA芯片向微操控器的数据传送经过后者的数据总线完结。这部分也能够选用有限状态机模型进行编写。
在完结上述各个部分的规划今后，生成它们的符号文件，再运用QUARTUS II可编程逻辑器材开发软件供给的原理图输入办法把一切符号连接起来完结完好的体系。该体系占用EP1C3T144I-7芯片2910个逻辑单元的42个；104个输入/输出管脚的47个；59904位存储空间的32768位。体系实际作业时钟为1MHz，FPGA芯片在完结本次规划可到达的最高时钟为212MHz。
5、结束语
用电设备的技能杂乱程度的进步使得仅用有功功率进行计量现已不能表明输送到终端的悉数电量。依据一些电力供货商的经历，对无功功率也进行计量是解决问题的一种对策。例如意大利最重要的电力公司现已决议装置2000万只一起具有有功功率和无功功率计量的电能表用于对用户的用电进行计量。
本文作者立异点：运用数字办法完结有功功率和无功功率丈量的办法，并运用EP1C3T144I-7这样的FPGA芯片完结对2个TLC0820模仿/数字转化器的作业操控，战胜了电压信号和电流信号丈量的不同步所引起的丈量差错。体系能够完结电网功率，包含有功功率、无功功率以及总功率，的计量。整个体系具有比较满意的各项功率丈量精度，而且结构简略，本钱低价。
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