专利名称：一种智能型直流电力数显表的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及直流电力信号处理技术领域，尤其涉及一种智能型直流电力数显表。
背景技术：
普通直流电力仪表是一种用于检测直流电力信号并用指针指示显示直流电力信 息的电子仪表，由于其测量输出具备直观性，动态反应灵敏，目前在直流供配电领域得到了 广泛使用。图1是现有的普通直流电力仪表的示意性的内部结构图。如图1所示，普通直流 电力仪表一般包括直流电力信号采集模块100、直流电力信号调理模块200和直流电力信 息显示模块300，直流电力信号调理模块200分别与直流电力信号采集模块100、直流电力 信息显示模块300连接，其中，直流电力信号采集模块100用于采集外部直流电流和/或电 压，并将采集的直流电流和电压发送给直流电力信号调理模块200进行处理；直流电力信 号调理模块200用于将从直流电力信号采集模块100接收的信号转换为可供输出的显示驱 动信号，并将处理后的显示驱动信号发送给直流电力信息显示模块300进行显示；直流电 力信息显示模块300用于根据从直流电力信号调理模块200接收的显示驱动信号使用指针 指示显示直流电力信息。普通的这种直流电力仪表存在以下几个问题1、直流电力信号调理模块200的结构精细且复杂，通常包括线圈或永磁铁、定铁 片、游丝、阻尼片、平衡铁、转轴等，从而导致电力仪表零部件生成和后续组装工作工艺要求 很高，生产效率低；2、直流电力信号调理模块200多使用磁电式或电磁式，灵敏度高但抗干扰性不 好；3、指针式数据输出，指示显示精度不高；4、功能单一，不便于通过一块直流电力数显表同时测量多种数据；5、量程单一或者最多只有两个量程；6、没有通讯功能，完全依赖人工巡视采集数据，实时性差。
发明内容为了解决以上问题，本实用新型提供一种智能型直流电力数显表，以实现直流电 力信息的数字显示，提高显示精度、扩大测量范围和增加通讯、保护功能。为了实现以上目的，本实用新型提供的电力数显表包括直流电力信号采集模块， 其用于采集外部直流电流和电压，并将采集的电流和电压发送给微处理器进行处理；微处 理器，其用于将从直流电力信号采集模块接收的电流和电压信号转换为将显示的数字信 号，并将转换后的数字信号发送给直流电力信息显示模块进行显示，同时将通过通讯模块 从上位机接收的控制信号转发给直流电力信号采集模块、直流电力信息显示模块和输出控制模块；直流电力信息显示模块，其用于根据从微处理器接收的数字信号显示直流电力信 息；通讯模块，其用于与上位机进行通讯，并将上位机发出的控制信号发送给微处理器；和 输出控制模块，其用于输出控制电力数显表外部装置的操作的控制信号。优选地，所述直流电力信号采集模块包括直流分流器、电阻分压网络、低通滤波电 路和信号采集芯片，其中，采集的外部大电流经过直流分流器转换为小电压信号，然后经过 低通滤波电路输入到信号采集芯片的电流采集口，同时，采集的外部高电压经过电阻分压 网络转换成低电压信号，然后经过低通滤波电路输入到信号采集芯片的电压采集口，信号 采集芯片对输入的电流和电压进行内部转换和输出。优选地，还包括用于输入直流分流器的分流比的输入单元，微处理器根据输入的 分流比计算出将显示的数字数据。优选地，所述信号采集芯片通过光电隔离模块与微处理器进行通讯。优选地，所述信号采集芯片采用MCP3202芯片，并通过其串行外设接口将电流和 电压输出到光电隔离模块。优选地，所述直流电力信息显示模块包括数码管和专用的数码管驱动芯片，所述 数码管驱动芯片采用芯片TM1623。优选地，所述通讯模块通过光电隔离模块与微处理器进行通讯。优选地，所述通讯模块采用ISL485通讯芯片，所述微处理器采用PIC18F4520微处 理器，并采用通用同步/异步串行收发外设接口通过光电隔离模块与通讯芯片进行通讯。优选地，所述通讯芯片通过RS485接口与用于控制电力信息采集和显示以及电力 数显表的外部装置的操作的上位机进行通讯。优选地，所述直流电力信息显示模块根据从上位机接收的相关直流电力信息变量 轮流换屏显示指令来显示。从以上技术方案可看出，本实用新型可获得如下技术效果1、实现了直流电力信 息的数字显示，并具有通讯功能，实时性高；2、通过采用先进的信号采集芯片，可提高直流 电力信号的采集精度，并可同时采集多种数据进行处理，从而实现多种数据的同时测量；3、 通过选配不同的直流分流器和现场编程技术(即，现场输入直流分流器的分流比并根据输 入的分流比计算显示数据)，可扩大测量范围，实现多个量程测量，并可提高数字显示精度。

图1是现有的普通直流电力仪表的结构示意图；图2是根据本实用新型的直流电力数显表的结构示意图；图3是根据本实用新型的直流电力采集模块的电路图；图4是根据本实用新型的输出控制模块的电路图。
具体实施方式
本发明对于现有的传统直流电力数显表的改进之处在于在直流电力信号采集模 块中使用了先进的信号采集芯片，提高了直流电力信号的采集精度，并可同时采集多种数 据进行处理；在信号调理模块中使用了 MCU微处理器，将模拟量转化为数字量，简化了信号 调理模块构成；在直流电力信息显示模块中使用专用的数码管驱动芯片和数码管取代指针式数据输出，提高了显示的准确度；增加了通讯模块和输出控制模块，采用专用的通讯芯片 来支持通讯功能。以下，将结合附图和实施例对本实用新型进行详细描述。(第一实施例)图2是本实用新型的第一实施例的直流电力数显表的结构示意图。根据图2，该电 力数显表包括直流电力信号采集模块100、微处理器200、直流电力信息显示模块300、通讯 模块400和输出控制模块500，其中，微处理器200分别与直流电力信号采集模块100、直流 电力信息显示模块300、通讯模块400和输出控制模块500连接。以下将对这些模块的具体 实现进行描述。(一 )直流电力信号采集模块100直流电力信号采集模块100采集外部直流电流和电压，并将采集的电流和电压发 送给微处理器进行处理。图3是直流电力信号采集模块100的电路图。如图3所示，直流电力信号采集模块 100包括直流分流器(Rl)、电阻分压网络(R3，R4)、低通滤波电路(Cl，R2，C2)和(C3，R5， C4)和信号采集芯片(即，MCP3202芯片)，关于MCP3202芯片的详细介绍，可参见美国微芯 公司官方网址，其中，直流分流器Rl是一种大功率的毫欧级小电阻。如图3所示，采集的外部大电流经过直流分流器(Rl)转换为小电压信号，然后经 过低通滤波电路(C1，R2，C2)输入到信号采集芯片的采集口 CH0。同时，采集的外部高电压 经过电阻分压网络(R3，R4)转换为低电压信号，然后经过低通滤波电路(C3，R5，C4)输入 到信号采集芯片的采集口 CHl。在信号采集芯片中，采集到的电流和电压信号经过内部运算 从Dout接口(串行外设接口)输出，输出的是数字量的电流值和电压值。在本实施例中，选取如下的各个元器件R1为FL-2型lOOmV，R2为4K7，R3为 510K/lffl%, R4 为 lk, R5 为 4K7, C1、C2、C3、C4 为 IOOnF。从图3所示的结构可看出，本发明中使用了集成度高的信号采集芯片直接将模拟 量转换为数字量进行处理和输出，从而改善了原来模拟量到模拟量的信号处理和输出的模 式，实现了直流电力信息的数字显示的数字采集，并且，减小了信号采集信息的随机误差， 从而提高了直流电力数显表的精度和准确度。此外，通过图3所示的信号采集模块100，可 同时采集多种电流和电压数据进行处理，从而可以实现仅用一个数显式就可同时检测多种 数据的功能。此外，为了保证电力数显表整个系统的可靠性，需要在信号采集模块100(具体 地，信号采集芯片)和微处理器200之间添加一个光电隔离模块600(见图2、，即，从信号 采集芯片的Dout接口输出的数字信号需要通过光电隔离模块输入到微处理器300中。这 里，光电隔离模块600的作用是使电力采集信号和微处理器信号隔离，互不干扰，从而保证 数据传输的可靠性。在本实施例中，光电隔离模块600可采用美国安捷伦公司的6W37光 电隔离模块(详情可参见美国安捷伦公司官方网址)。( 二)微处理器200微处理器200将从直流电力信号采集模块100接收的电流和电压信号转换为将显 示的数字信号，并将转换后的数字信号发送给直流电力信息显示模块300进行显示，同时 将通过通讯模块从上位机(未显示)接收的控制信号转发给直流电力信号采集模块100、直 流电力信息显示模块300和输出控制模块500，这里，上位机通常用于控制电力信息采集和显示以及电力数显表的外部装置的操作等。在本实施例中，采用美国微芯公司的PIC18F4520微处理器(详情可参见美国微星 公司官方网址)作为微处理器200，此微处理器采用优化的C编译器构架和通用的输入输出 管脚，工作频率达到40MHz，电源电压输入宽，而且性价比高。(三)直流电力信息显示模块300直流电力信息显示模块300根据从微处理器200接收的数字信号显示直流电力信 息，这里，直流电力信息可以指任何与采集的直流电流和电压相关的信息，例如，电流值、电 压值、功率值、电能值、温度值等等。为了实现数字显示，直流电力信息显示模块300包括数码管和专用的数码管驱动 芯片。在本实施例中，采用深圳天微公司的TM1623(详情可参见深圳天微公司官方网站) 作为直流电力信息显示模块300中的数码管驱动芯片。该芯片不但能驱动数码管，而且还 集成了按键输入功能，为直流电力数显表的现场编程提供了可能和便利，关于现场编程技 术将在第二实施例中进行描述。此外，当需要显示多个变量(比如，电压、电流、功率、电能)时，可在显示屏幕上通 过分行换屏的形式显示。(四)通讯模块400通讯模块400与上位机进行通讯，并将上位机发出的控制信号发送给微处理器 200，再由微处理器200将上位机发出的控制信号转发给直流电力信号采集模块100、直流 电力信号采集模块300和输出控制模块500。在本实施例中，为了实现数字信号的安全可靠的远距离传输，采用美国htersel 公司的htersel通讯芯片ISL485 (详情可参见美国htersel公司官方网址)作为通信模 块400，通过这种通讯芯片，可以远距离传输信号，防止高压冲击，实现设备信号的安全可靠 传输，从而提高了通讯性能。此外，为了进一步改进通讯性能，可在通讯模块400和微处理器200之间添加一个 光电隔离模块700(见图2、来隔离通讯模块400的数字信号和微处理器信号，从而可加强 通讯正确率，减少出错率。在本实施例中，光电隔离模块700可采用美国安捷伦公司的光电 隔离模块6附35 (详情可参见美国安捷伦公司官方网址查询)。此外，通讯模块400通过微处理器200的USART (通用同步/异步串行收发)外设 接口与微处理器200通讯，并且，通讯模块400通过RS485接口与上位机通讯，采用RS485 接口与传统电力数显表采用RS RS232接口相比的优点在于可实现远距离传输和提高传输速率。(五)输出控制模块500输出控制模块500输出用于控制电力数显表的外部装置(例如，接触器、电机)的 操作的控制信号。例如，过流时输出一个过流信号给用户，用户根据该信号做保护处理，或 直接启动跳闸，从而隔离电力数显表的外部装置与电力数显表之间的电气联系，提供保护 操作。图4是输出控制模块500的电路图。如图4所示，输出控制模块500采用继电器 节点输出，其中，Cont为控制信号节点，RLU RL2为继电器输出节点。(第二实施例)[0053]本实施例与第一实施例的不同之处在于利用现场编程技术来实现多量程和高精 度显示。这里，现场编程技术是指，在电力数显表使用现场，通过电力数显表的输入按键或 其它输入手段将一些现场参数输入给电力数显表，电力数显表将根据这些参数工作。因为 这些参数在具有微处理器的电力数显表中是作为程序的可变参数部分参与程序执行的，所 以被称为现场编程。为了实现这个目的，在图2所示电力数显表中增加一个输入单元，以用于供用户 输入现场参数，具体地，输入直流分流器Rl的分流比，然后由微处理器200根据输入的分流 比计算出将显示的数字数据。在本实施例中，由于所采用的TM1623数码管驱动芯片本身集 成有按键输入功能，因此，可直接利用TM1623芯片上的按键输入功能输入直流分流器Rl的 分流比。当然，也可采用其它任何可输入分流比的方式进行输入。首先，根据不同测量范围的需要，选配不同的直流分流器R1，例如，当选配 lOOmV/lOOA型分流器时，其测量电流的额定量程为0-100A，额定输出电压为O-lOOmV，当选 配100mV/10A型分流器时，其额定测量电流量程为0-10A，额定输出电压为0-100mV。比如， 对于变化范围在8-10A之间的电流值，lOOmV/lOOA型和100mV/10A型直流分流器均可被选 用。但是，lOOmV/lOOA型分流器的输出电压在8_10mV之间，100mV/10A型分流器的输出电 压在SO-IOOmV之间。这些不同的输出电压经过低通滤波电路输入到信号采集芯片(即， MCP3202芯片)，从而被转换成不同准确度的数字量。然后，通过TM1623芯片上的按键输入所选配的直流分流器Rl的分流比，这里，分 流比为分流器额定输出电压除以额定测量电流的倒数。例如，对于lOOmV/lOOA型分流器， 分流比为1000，对于100mV/10A型分流器，分流比为100。然后，微处理器200根据输入的分流比计算出数码管将显示的精确的测量数据。 具体地，例如，假设测量的电流为8A。当输入分流比1000时，lOOmV/lOOA型分流器输出8mV， MCP3202 的参考电压 Vdd 为 5V，MCP3202 转换的数据为 8/1000*4096/5 = 6. 5488，MCP3202 输出int整型数据，所以实际输出为6，折算回去，显示输出为6/4096*5*1000(放大倍数) =7. 324A。当输入分流比100时，IOOmV/10A型分流器输出80mV，MCP3202的参考电压Vdd 为 5V, MCP3202 转换的数据为 80/1000*4096/5 = 65. 488，MCP3202 输出 int 整型数据，所 以实际输出为65，折算回去，显示输出为65/4096*5*100(放大倍数)=7. 93457A。当采取 4位数码管输出时，在程序中采用四舍五入，保留三位小数，将输出7.934。由此可见，使用 100mV/10A型分流器转换的数据准确度比使用lOOmV/lOOA型分流器转换的数据准确度高。 所以，对于不同范围的测量值应使用合适量程的分流器，选择合适量程的分流器能够大大 提高测量的精度。这里指出，计算出的数据的精度是可控的。具体地，数码管显示的位数取决于数码 管个数，数据显示的小数点可以是固定的，例如1位或2位小数，或者，小数点的位置也可随 数据大小自动移位，从而可提高视数精度。通过这种方法，显示精度在全部显示的位数内达 到1Χ10-ΜΑ、10Χ10-·Α、100Χ10-·Α等等。例如，假设有四位数码管，小数点位置最多 可移动三位。根据数据大小移动小数点位置，大于0小于10之间的数据，显示精度0. 001，大 于10小于100之间的数据，显示精度0.01，大于100小于1000之间的数据，显示精度0. 1， 大于1000小于10000之间的数据，显示精度1。此外，在本实施例中，由于直流分流器是可更换的，所以电力数显表的测量范围被扩大，从而实现了电力数显表的多量程测量，也就是说，测量范围是可变的，使用分流比更 大的直流分流器，测量范围就越大。 以上已参照附图和实施例对本实用新型进行了详细描述，但是，应该理解，本实用 新型并不限于以上所公开的具体实施例，任何本领域的技术人员在此基础之上容易想到的 修改和变型都应包括在本实用新型的保护范围内。
权利要求1.一种智能型直流电力数显表，包括直流电力信号采集模块，其用于采集外部直流电流和电压，并将采集的电流和电压发 送给微处理器进行处理；微处理器，其用于将从直流电力信号采集模块接收的电流和电压信号转换为将显示的 数字信号，并将转换后的数字信号发送给直流电力信息显示模块进行显示，同时将通过通 讯模块从上位机接收的控制信号转发给直流电力信号采集模块、直流电力信息显示模块和 输出控制模块；直流电力信息显示模块，其用于根据从微处理器接收的数字信号显示直流电力信息；通讯模块，其用于与上位机进行通讯，并将上位机发出的控制信号发送给微处理器；和输出控制模块，其用于输出控制电力数显表外部装置的操作的控制信号。
2.根据权利要求1所述的智能型直流电力数显表，其特征在于，所述直流电力信号采 集模块包括直流分流器、电阻分压网络、低通滤波电路和信号采集芯片，其中，采集的外部 大电流经过直流分流器转换为小电压信号，然后经过低通滤波电路输入到信号采集芯片的 电流采集口，同时，采集的外部高电压经过电阻分压网络转换成低电压信号，然后经过低通 滤波电路输入到信号采集芯片的电压采集口，信号采集芯片对输入的电流和电压进行内部 转换和输出。
3.根据权利要求2所述的智能型直流电力数显表，其特征在于，还包括用于输入直流 分流器的分流比的输入单元，微处理器根据输入的分流比计算出将显示的数字数据。
4.根据权利要求2所述的智能型直流电力数显表，其特征在于，所述信号采集芯片通 过光电隔离模块与微处理器进行通讯。
5.根据权利要求4所述的智能型直流电力数显表，其特征在于，所述信号采集芯片采 用MCP3202芯片，并通过其串行外设接口将电流和电压输出到光电隔离模块。
6.根据权利要求1所述的智能型直流电力数显表，其特征在于，所述直流电力信息显 示模块包括数码管和专用的数码管驱动芯片，所述数码管驱动芯片采用芯片TM1623。
7.根据权利要求1所述的智能型直流电力数显表，其特征在于，所述通讯模块通过光 电隔离模块与微处理器进行通讯。
8.根据权利要求7所述的智能型直流电力数显表，其特征在于，所述通讯模块采用 ISL485通讯芯片，所述微处理器采用PIC18F4520微处理器，并采用通用同步/异步串行收 发外设接口通过光电隔离模块与通讯芯片进行通讯。
9.根据权利要求8所述的智能型直流电力数显表，其特征在于，所述ISL485通讯芯片 通过RS485接口与用于控制电力信息采集和显示以及电力数显表的外部装置的操作的上 位机进行通讯。
10.根据权利要求9所述的智能型直流电力数显表，其特征在于，所述直流电力信息显 示模块根据从上位机接收的相关直流电力信息变量轮流换屏显示指令来显示。
专利摘要本实用新型提供一种智能型直流电力数显表，包括用于采集外部直流电流和电压的直流电力信号采集模块、用于将采集的信号转换为可供显示的数字信号的微处理器、用于根据数字信号显示直流电力相关信息的直流电力信息显示模块、用于与上位机进行通讯的通讯模块和用于输出用于控制电力数显表外部装置的操作的控制信号的输出控制模块。该直流电力数显表实现了直流电力信息的高精度数字显示，并且可同时测量多种数据，测量范围宽。
文档编号G01R31/00GK201876506SQ201020585290
公开日2011年6月22日 申请日期2010年10月21日 优先权日2010年10月21日
发明者宋建慧, 张敏, 张爱民, 靳梦龙 申请人:新疆特变电工自控设备有限公司