摘 要 本文主要介绍城市道路照明监控系统采集和测量电流、电压、有功功率和无功功率的功能，以及采集和测量数据由单片机进行接收、处理和储存，并通过通讯系统将数据传送到监控中心的原理分析。
关键词 路灯监控 数据采集 原理分析
路灯监控终端设备具有采集和测量交流电流、交流电压、有功功率和无功功率的功能，这些功能是由数据采集和测量电路实现的。数据采集和测量电路分别由采样电路、多路转换开关电路、有效值电路、A/D转换电路、功率测量电路以及单片机电路组成，其原理框图如图1所示。基本原理是：由路灯低压供电设备提供的被检测的正弦交流电压和交流电流，通过传感器组成的取样电路，将被检测的模拟信号转变成监控终端可以识别和处理的输入信号，经多路转换开关电路对采样电流和采样电压按照一定的顺序有选择的控制输出，并进行有效值转换和模/数转换，将采样的模拟输入信号转换成数字信号传送给单片机。同时功率测量电路完成对功率的测量，由单片机进行接收、处理和存储，并通过通讯系统将测量数据传送到监控中心。以下对监控终端数据采集和测量电路的工作原理作一分析。
1、采样电路
采样电路的功能是将被测量的交流高电压、大电流信号转变成与测量电路匹配的输入信号。采样电路具有能够采集12路电流、6路电压数据的能力，由电流传感器（CT）和电压传感器（PT）组成。电流传感器采用二级电流互感器方式，每一级与普通的电流互感器没有区别。电压传感器采用中间带抽头、输出具有阻容移相电路的电压互感器，图2是电压传感器电路原理图。各相电压通过电压互感器将得到2路采样电压UA和UAw（以A相电压为例）。其中UAw的相位相对UA移相90°，其目的是为测量无功功率提供采样电压。这样，采样电路完成了12路电流和6路电压的采样，并行送到多路转换开关电路的输入端。
2、多路转换开关电路
测量电路要完成对18路采样信号同时进行处理（并行处理），这会增加测量电路的成本和复杂程度，也是没有必要的。一般情况下，对多路信号的处理都是采用设置转换开关的方法，即在多路并行输入信号和输出信号之间，设置多选一转换开关，根据测量顺序，控制转换开关在某一时间段只选择一路采样信号输出，这样通过控制转换开关在不同的时间段选择不同的采样信号输出，就能达到并行数据串行输出和简化测量电路的目的。多路转换电路的功能就是将并行输入的18路采样信号，通过控制转换，将采样信号一路一路的传送到后边的测量电路。多路转换开关电路原理如图3所示，由3片CD4051集成电路芯片组成。CD4051是一个八选一的8通道模拟转换开关，输入的8路信号接在CD4051的X7-X0输入端，输出哪一路信号取决于芯片选择信号INH和地址码A、B、C的状态，即输入端的8路信号哪一路通过输出端X输出，由控制信号INH、A、B、C的状态决定。表1给出多路转换开关电路输出控制关系，其中INH、A、B、C信号状态，由单片机编程通过地址总线和数据总线自动控制。
以U14的CD4051芯片为例说明其转换原理。U14输入端的8路采样信号分别为I1A-I3B。当U14芯片选择信号INH2为1时（1表示5V），U14被禁止转换；当INH2为0时（0表示0V），U14被选中，允许U14完成转换输出。这时由地址码2C、2B、2A状态决定转换输出X的状态，当2C2B2A=000时，输出X为采样信号I1A；当2C2B2A=001时，输出X为采样信号I1B，依次类推，当2C2B2A=111时，输出端X为采样信号I3B。这样2C2B2A从000、001、010、011、100、101、110、111顺序变化，控制完成了8路采样信号I1A-I3B的串行输出。
图2中12路采样电流信号I1A、I1B、I1C-I4A、I4B、I4C分别接在2个CD4051输入端，其目的是用2个8通道模拟转换开关（U14、U15）组成1个16通道（只用12 路）的模拟转换开关，从而完成采样电流12路选1的转换输出（用7750Iin表示）。进一步将转换输出的12选1的电流采样信号与6路电压采样信号（UA、UB、UC、UAw、UBw、UCw）再经过1个CD4051（U13）进行开关转换，形成18路选1的转换开关电路，最终完成18路选1的模拟信号输出（用7750Uin表示）。
转换后的18路选1采样信号，经过LM442放大器进行增益放大，送到真有效值转换电路进行有效值转换。上述分析可以看出，多路转换开关电路能够自由选择采样信号的输出，完成对指定的采样信号的测量，是通过单片机编程控制多路转换开关电路实现的。
3、真有效值转换电路
真有效值转换电路完成对采样电流或采样电压进行有效值转换。真有效值转换电路由AD536集成电路组成，电路原理见图4所示。
表1 多路转换开关电路输出控制关系一览表
| U13 | 芯片选择INHI | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | ||
| 输出选择 | 1C | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 1 | |||
| 1B | 0 | 0 | 1 | 1 | 0 | 0 | 1 | ||||
| 1A | 0 | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 1 | ||||
| 输出7750Uin | UA | UB | UC | UAW | UBW | UCW | 7750Iin | 禁止输出 | |||
| U14 | 芯片选择INH2 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | |
| 输出选择 | 2C | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 | ||
| 2B | 0 | 0 | 1 | 1 | 0 | 0 | 1 | 1 | |||
| 2A | 0 | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | |||
| 输出7750Iin | I1A | I1B | I1C | I2A | I2B | I2C | I3A | I3B | 禁止输出 | ||
| U15 | 芯片选择INH3 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | |||||
| 输出选择 | 2C | 0 | 0 | 0 | 0 | ||||||
| 2B | 0 | 0 | 1 | 1 | |||||||
| 2A | 0 | 1 | 0 | 1 | |||||||
| 输出7750Iin | I3C | I4A | I4B | I4C | 禁止输出 | ||||||
AD536是一种能够直接计算出交流分量或复杂波形有效值的集成电路芯片，具有集成度高、功能完善，外围元件少，电路连接简单、电性能指标容易保证等诸多优点。AD536集成电路内部主要由绝对值/电流电压转换器、平方/除法器、电流镜及缓冲放大器四部分组成。输入的交变电压RMSin通过AD536集成电路，转换成与有效值相等的直流信号RMSout，并将输出的直流信号RMSout通过模/数转换电路使其数字化，最后利用单片机读取数据并进行相应的转换运算，从而得到测量采样信号的有效值。
需要说明的是，AD536不需要芯片选择控制，只要输入端有信号输入，经过一定的转换时间在输出端直接产生转换后的有效值直流信号。另外，在AD536真有效值转换电路中，外接的均化电容C的容量选择是非常重要的，它决定了真有效值转换时间，从而决定输出精度。对50Hz正弦交流电测量时，可以适当增大容量，如选择1m f电解电容器，以增加转换响应时间常数，提高转换精度。
4、模/数转换电路
模/数转换电路是将模拟信号转换成数字信号的电路，完成对真有效值转换后电流或电压值进行数字化处理。图5所示是模数转换电路和单片机接口电路原理图，图中左侧部分是模/数转换电路。模/数转换电路由AD574集成电路组成，其主要特点是：转换速率高，自带三态输出缓冲电路，可直接挂在单片机的数据总线上而无需接口电路，即输入到AD574的电压信号经模数转换成数字量后，可直接被单片机接收。
AD574集成芯片是12位逐次逼近式模数转换器，它的工作状态由CE，CS，R/C，12/8，AO/SC五个控制信号决定。CS为芯片选择信号，低电平有效（由单片机电路地址译码器74HC138产生）；CE为芯片使能信号，高电平有效；R/C为读/启动信号，高电平读数据，低电平转换；12/8接地时表示：模数转换后的12位数据分2次输出，即第一次输出高8位(DB4～DB11)，第二次输出低四位(DB0～DB3); AO/SC为内部寄存器控制输入端，低电平时表示高8位数据有效，高电平时表示低4位有效。此外STS为工作状态输出端，高电平表示正在转换，低电平表示转换完毕。AD574控制信号的功能组合见表2所示。
表2 AD574控制信号功能组合
|
CE
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CS
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R/C
|
12/8
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AO/SC
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工作状态
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0
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×
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×
|
×
|
×
|
禁止
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|
×
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1
|
×
|
×
|
×
|
禁止
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1
|
0
|
1
|
接地
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0
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高8位输出
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1
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0
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1
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接地
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1
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低4位输出
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AD574芯片的控制信号状态是由单片机编程控制的。工作原理是：当单片机准备读取某一路测量数据时，由程序通过地址译码器使芯片选择信号CS=0（ADCS），启动信号R/C=1，使AD574进入工作状态，开始对输入端的RMSout有效值模拟信号进行数字化转换。当AD574完成转换后，自动将工作状态输出端STS由1电平变为0电平，发出中断信号，通知单片机此时AD574模数转换工作已经完成。这时单片机向AD574发出读取数据的控制信号RD，并通过74HC00“与非门”电路送到AD574的CE端（CE=1）。单片机通过地址总线A2向AD574芯片的A0/SC端发出0电平，并通过数据总线将数字化后的12位数据中高8位数据（DB4~DB11）读取到单片机中，之后单片机再次通过地址总线A2向AD574芯片的A0/SC端发出1电平，通过数据总线继续读取12位数据中低4位数据（DB0~DB3），这样AD574完成了模数转换，单片机同时完成了12位的数据接收工作。转换工作完成后，单片机再次通过地址译码器使AD574转换电路的CS=1，AD574停止工作。
AD574的12脚和10脚连接有两个电位器，主要用于零点调整和满刻度调整（增益调整），一般情况下，当电路调整完之后不应随意改动。
5、功率测量电路
功率测量电路是由AD7750集成电路芯片实现的，AD7750是一个乘积频率转换器，它能够将两个输入模拟信号（电压或电流）相乘积转换成与其成正比的输出频率。功率测量电路的原理图如图6所示，AD7750内部结构包括2个模数转换器、1个乘法器、1个数字/频率转换器、基准电源和信号调节电路等。基本工作原理如下：
单片机通过控制多路转换开关电路，在给定的时间内，使多路选择器U14和U15仅输出1路电流采样信号7750Iin，使U13输出与对应电流相序一致的1路电压采样信号7750Uin（见图3和表1），分别加到AD7750集成电路的电流通道输入端V1+和电压通道输入端V2+，经模数转换变成数字信号，由数字乘法器得到交流瞬时功率信号，交流瞬时功率信号经低通滤波后成为平均实际功率，经过频率转换器转换，在AD7750输出端输出与平均实际功率成一定比例的脉冲信号F0。F0作为单片机的中断信号INT0（见图5），引起单片机中断，并进入事先编制好的中断程序对AD7750输出的F0信号进行累计，最后单片机根据F0信号的频率，换算出实际功率值。
对于无功功率的测量，理论上是对电流移相90°,再用同样的方法，通过AD7750转换，便可得到无功功率，但电路实现较为复杂。在本电路中采用的方法是：对电流相位保持不变，而是对电压信号移相，即通过电压传感器得到移相后的电压采样信号UAw、UBw、UCw，与对应相序的电流信号通过AD7750完成功率转换。但此时的功率还不是实际的无功功率，实际的无功功率还需根据负荷的感性/容性特性，即通过判定负荷的感性或容性特性对功率值进行修正，从而得到实际的无功功率。负荷的感性或容性特性可以通过电流和电压的相位关系确定，由电流电压相位检测电路来实现。
图7是电流电压相位检测电路原理图，电路由LM393双比较器和74HC74触发器两个集成电路芯片组成。被测量的电流和电压（移相后）的采样值送到由LM393双比较器的两个输入端，由电压过零点时（由负变正）产生的信号上升沿作为触发器的触发信号（CLK），以电压过零点时的电流相位输出电平作为触发器的输入信号（D），P10（Q）作为相位检测输出信号。当电压相位超前电流相位时，P10=0（低电平），当电压相位滞后电流相位时，P10=1（高电平）。电流电压相位检测电路的工作波形见图8、图9所示。相位状态信号P10被送到单片机输入接口（见图5），单片机根据P10状态，对得到的功率值进行修正，从而得到实际的无功功率值。
AD7750芯片的CO、CI端外接电容器和石英晶体，组成频率震荡器，为AD7750芯片提供时钟脉冲源。REV端外接发光二极管，用来指示当前检测到的功率是超前还是滞后，当功率超前时，输出高电平，点亮发光二极管。
6、单片机电路
在上述数据采集和测量电路中，单片机控制产生多路转换开关电路的芯片选择信号INH1、INH2、INH3和输出选择信号1A、1B、1C、2A、2B、2C，使多路转换开关电路能够按需要和按顺序输出被选择的采样信号，完成相应的电流、电压和功率的测量；单片机控制产生模/数转换电路的芯片选择和使能等信号CE、CS、R/C和AO/SC，使模/数转换电路启动，进入工作状态，完成数字化转换；单片机通过数据总线完成对电流、电压和功率测量数据的读取、处理和存储等，可见单片机是数据采集和测量电路的核心控制部件。但是在路灯监控终端设备中，单片机不仅控制完成电参数测量，还要控制完成数据通讯、语音通讯、开/关路灯控制、数据显示、开关量检测等大量工作，因此单片机及辅助电路相对比较复杂。目前有关单片机原理及应用方面的书籍很多，因此这里不再赘述。