一种适用于IT交流系统的电压检测模块的制作方法

一种适用于it交流系统的电压检测模块
技术领域
1.本技术涉及it交流系统技术领域，特别是涉及一种适用于it交流系统的电压检测模块。


背景技术：

2.交流系统的电压检测一般是检测a、b、c三相电压。有时交流系统会出现交、直流电源线接触在一起的现象，这也是交流系统故障的一种。为检测由此引起的系统故障，交流系统专用检测设备在检测三相电压的同时，增加了对窜入交流系统的直流电压检测。
3.然而，发明人认识到，交流系统专用检测设备对这些电压的检测电路一般与主板一同设计，如果采样电路出现故障，则需要连同主板一起维修或更换，维修成本较大。


技术实现要素：

4.基于此，针对上述技术问题，提供一种适用于it交流系统的电压检测模块。
5.一种适用于it交流系统的电压检测模块，包括集成在同一独立电路板上的至少一组相电压隔离采样单元、至少一组偏置电路、模数转换模块和通信隔离电路；所述相电压隔离采样单元与偏置电路一一对应，每组相电压隔离采样单元的输入端分别与it交流系统中的对应相线连接，每组相电压隔离采样单元的输出端均与对应偏置电路的输入端连接；每组偏置电路的输出端均与模数转换模块的一个转换通道的输入端连接，所述模数转换模块的输出端与通信隔离电路的输入端连接；
6.每组相电压隔离采样单元用于实时采集it交流系统中对应的相电压，并将采集到的相电压发送给对应的偏置电路；所述偏置电路用于将接收到的电压波形整体上移至x轴上方，使波形上各点电压均为正电压，然后将上移后得到的电压波形发送给模数转换模块；模数转换模块用于将接收到的模拟电压数据转换为数字电压数据，并将所述数字电压数据发送给通信隔离电路，所述通信隔离电路用于建立与外部处理器单元的通信连接。
7.可选地，所述电压检测模块还包括直流电压采样单元，所述直流电压采样单元的输入端与it交流系统的零线连接，所述直流电压采样单元的输出端与对应偏置电路的输入端连接；所述直流电压采样单元用于实时采集窜入it交流系统的直流电压，并将采集到的直流电压发送给对应的偏置电路。
8.进一步可选地，所述通信隔离电路用于将模数转换模块的转换结果发送给外部处理器单元；所述外部处理器单元用于根据接收到的所述转换结果计算每根相线的电压值，并输出每根相线的电压波形，以及计算窜入it交流系统的直流电压值，并输出窜入it交流系统的直流电压波形。
9.进一步可选地，所述电压检测模块还包括参数存储器，所述参数存储器用于存储电路参数，所述参数存储器通过iic接口与所述外部处理器单元通信连接，所述电路参数用于提供给所述外部处理器单元计算所述每根相线的电压值、计算所述窜入it交流系统的直流电压值使用。
10.进一步可选地，所述电压检测模块还包括偏置电压输出电路，所述偏置电压输出电路的输出端与每一组偏置电路连接，用于为每一组偏置电路提供偏置电压。
11.优选地，所述通信隔离电路是spi通信隔离电路，所述spi通信隔离电路采用ca-is372x型号的数字隔离芯片；所述电压检测模块还包括spi通信接口，所述外部处理器单元通过spi通信接口与所述spi通信隔离电路通信连接。
12.优选地，所述电压检测模块还包括三相电压输入端口，每组相电压隔离采样单元通过所述三相电压输入端口与it交流系统的一根相线连接，直流电压采样单元的输入端通过所述三相电压输入端口与it交流系统的零线连接。
13.优选地，所述电压检测模块还包括电源输入端口和三个互相独立的电源模块，所述三个互相独立的电源模块具体是相电压输入电路电源模块、模拟电路电源模块和数字电路电源模块；电源通过电源输入端口输入电压检测模块后，通过所述三个互相独立的电源模块为相应的电路部分提供所需的工作电压。
14.优选地，所述相电压隔离采样单元和直流电压采样单元的采样频率为每秒8000次。
15.优选地，所述模数转换模块为adi公司的ad73360l模数转换芯片。
16.本发明至少具有以下有益效果：
17.本发明基于对现有技术问题的进一步分析和研究，认识到现有的交流系统专用检测设备由于对相电压和窜入交流系统的直流电压的检测电路与主板一同设计，维修成本较大；本发明所提供的适用于it系统的电压检测模块，将电压采样和电压转换功能集成在一个独立的模块中，能够实现对it系统相电压的采样，并通过外部处理器单元实现相电压实际值的计算以及波形的输出；不同于传统的交流系统专用检测设备对电压的检测电路与主板一同设计，在该电压检测模块的采样单元发生故障时，可以很方便更换和维护，只需要更换或维修该检测模块即可，而不需要连同主板一起维修或更换，从而可以极大减少维修成本，对于产品的维护、新产品的开发和调试，都能带来极大的便利。
18.通过本发明还能够实现对窜入交流系统的直流电压的采样，并通过外部处理器单元实现直流电压实际值的计算以及波形的输出。另外，由于本发明引入了通信隔离电路，该电压检测模块能够实现通信接口与模拟电路的隔离，增强了本检测模块和外部主机的抗干扰性能，提高了检测模块的工作可靠性。
附图说明
19.图1为本发明实施例提供的一种适用于it交流系统的电压检测模块的结构图；
20.图2为本发明实施例中相电压隔离采样单元的电路原理图；
21.图3为本发明实施例中直流电压采样单元的电路原理；
22.图4为本发明实施例中模数转换模块的电路原理图；
23.图5为本发明实施例中spi通信隔离电路的电路原理图。
具体实施方式
24.为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不
用于限定本技术。
25.在一个实施例中，提供了一种适用于it交流系统的电压检测模块，包括集成在同一独立电路板上的相电压隔离采样模块1、偏置电路模块2、模数转换模块3(adc模块)和通信隔离电路4。所述相电压隔离采样模块1包括至少一组相电压隔离采样单元，偏置电路模块2包括至少一组偏置电路。所述独立电路板指的是独立于处理器所在主板的电路板。it交流系统是零线不接地交流系统，包括单相交流系统和三相交流系统，因此该电压检测模块可用于单相交流系统以及三相交流系统，可根据应用对象的不同，相应地调整相电压隔离采样单元和偏置电路的数量。具体来说，所述相电压隔离采样单元与偏置电路一一对应，每组相电压隔离采样单元的输入端分别与it交流系统中的对应相线连接，每组相电压隔离采样单元的输出端均与对应偏置电路的输入端连接；每组偏置电路的输出端均与模数转换模块3的一个转换通道的输入端连接，模数转换模块3的输出端与通信隔离电路4的输入端连接。
26.以该电压检测模块应用于三相交流系统为例，如图1所示，该电压检测模块包括三组相电压隔离采样单元，具体为相电压隔离采样单元101、相电压隔离采样单元102和相电压隔离采样单元103。相电压隔离采样单元101、相电压隔离采样单元102和相电压隔离采样单元103的输入端分别与it交流系统的a相、b相和c相的相线连接。具体来说，每组相电压隔离采样单元用于实时采集it交流系统中对应的相电压，并将采集到的相电压发送给对应的偏置电路。每组相电压隔离采样单元的电路原理图如图2所示，电压隔离采样单元由精密电阻r1、r2、r3与隔离芯片组成，隔离芯片选用iso124芯片，它是一款集成了一种新的占空比调制解调技术的精密隔离放大芯片，具有准确度高、线性度好和低噪声等特点。采样得到的电压信号通过隔离芯片隔离后，有卓越的可靠性和良好的的高频瞬变脉冲抗干扰度。
27.进一步地，所述电压检测模块还包括一组直流电压采样单元5，用于实时采集窜入it交流系统的直流电压。由于直流电压窜入it交流系统后，无论是从哪相窜入的，都会经过变压器绕组流到零线n，因此该电压检测模块采用将零线n引入，也就是将直流电压采样单元5的输入端与it交流系统的零线连接，在it交流系统中窜入直流电压后，就可检测到窜入的直流电压。具体来说，直流电压采样单元5的电路原理图如图3所示，在直流电压采样单元5中，窜入的直流电压通过精密电阻分压采样后通过电感隔离，以消除线路上的交流电压。与相电压隔离采样单元类似地，所述直流电压采样单元5的输出端也会与对应的一组偏置电路的输入端连接，直流电压采样单元5会将采集得到直流电压发送给对应的偏置电路。
28.也就是说，三相电压以及窜入交流系统的直流电压实时经过各自的采样单元采样后会被发送给相应的偏置电路，偏置电路会进一步将接收到的电压波形整体上移至x轴上方，使波形上各点电压都为正电压。在采样之后，每一组偏置电路都会将进行上移操作后得到的模拟电压数据送至adc模块的一个转换通道进行模数转换，adc模块会将接收到模拟电压数据转换为数字电压数据，然后再将转换后得到的数字电压数据发送给通信隔离电路4。
29.进一步地，所述模数转换模块3选用adi公司的ad73360l模数转换芯片，该芯片配有6个16位a/d转换通道，各通道均可实现77db的信噪比，每个通道还集成了一个可编程输入增益放大器，且各转换通道可同时进行采样，极大降低了转换间的将时间延迟。各个输入通道对应关系为：通道1对应a相输入电压，通道2对应b相输入电压，通道3对应c相输入电压，通道4则是窜入交流系统的直流电压，通道5、6为备用通道，模数转换模块3的电路原理
图如图4所示。
30.进一步地，通信隔离电路4用于建立与外部处理器单元的通信连接，也就是通信隔离电路4在接收到模数转换模块3的转换结果后，会将该转换结果发送给外部处理器单元，外部处理器单元可以是微控制单元(mcu)。作为优选的一种方案，所述通信隔离电路4是spi通信隔离电路，该spi通信隔离电路4采用高性能双通道标准数字隔离芯片ca-is372x，它具有精确的时序特性和低电源损耗，在隔离数字i/o口，ca-is372x器件可提供高电磁抗扰度和低度辐射，该spi通信隔离电路4的原理图如图5所示。与之相对应的，所述电压检测模块还设置有spi通信接口，spi通信隔离电路4的输出端通过spi通信接口引出，外部处理器单元的输入端与所述spi通信接口连接，外部处理器单元通过spi通信接口与spi通信隔离电路4通信连接。由此，模数转换模块3的转换结果会进一步通过spi通信隔离电路4送至mcu。
31.进一步地，所述外部处理器单元会根据接收到的模数转换模块3的转换结果进行三相电压以及窜入交流系统的直流电压的计算。也就是根据接收到的每根相线的采样数据计算每根相线的电压值，并根据计算结果，通过与该外部处理器单元连接的显示器输出每根相线的电压波形；同样也会根据接收到的直流电压的采样数据计算窜入it交流系统的直流电压值，并根据计算结果，通过与该外部处理器单元连接的显示器输出窜入it交流系统的直流电压波形。
32.具体来说，为了便于数据处理，采样时会降低直接获得的电压值，相电压隔离采样单元1和直流电压采样单元5均引入精密电阻分压，因此直接采样得到的数据并不是实际的相电压或窜入it交流系统的直流电压，得到的是使相电压或直流电压进行一定衰减后的结果。a、b、c三相对应的相电压隔离采样单元的衰减变比与直流电压采样单元5的衰减变比相同，衰减变比也就是，实际电压值与经过采样和模数转换后外部处理器单元所获得的采样结果两者的比值。具体地，对于该三组相电压隔离采样单元和直流电压采样单元5来说：
[0033][0034]
也就是说，外部处理器单元接收到的经过模数转换后的采样结果为：
[0035][0036]
vina就是采样后获取到的a相电压值，va就是实际的a相电压值，举例来说，当a相某时刻实际的电压值为220v，经过采样隔离单元采样及模数转换后，外部处理器单元得到的a相电压的测量值就会是2.2v。因此，外部处理器单元在根据接收到的采样得到的a相电压值计算a相实际电压值时，就是根据如下公式来还原衰减前的电压值：
[0037][0038]
由于b相、c相对应的相电压隔离采样单元的衰减变比以及直流电压采样单元5的衰减变比，均与a相的相电压隔离采样单元的衰减变比相同，b相、c相以及直流电压的实际电压值的计算公式是一致的。由此，外部处理器单元便能够根据相电压隔离采样单元以及直流电压采样单元5的实时采样结果，计算得出三相线各自的实时电压值以及窜入it交流系统的直流电压的实时电压值。较优地，三组相电压隔离采样单元和直流电压采样单元5的采样频率为每秒8000次，也就是说，四个采样单元会同时以8000次每秒的采样速率进行采
样，在通过外部处理器处理和计算后，能够通过与外部处理器连接的显示器，实时查看各相电压以及窜入it交流系统的直流电压的波形以及状态变化。
[0039]
然而实际上，各采样单元的某个元器件属性可能会和标准值有偏差，衰减变比可能不是严格遵守100:1，举例来说，当a相某时刻实际的电压值为220v，经过采样隔离单元采样及模数转换后，外部处理器单元得到的a相电压的采样值就不是2.2v，而可能是2.15v或者2.25v，这样外部处理器单元在根据衰减比将接收到的采样值还原回实际的电压值时，外部处理器单元计算得到的每个相线或窜入it交流系统的直流电压的实际电压值，与输入到相电压隔离采样单元或直流电压采样单元5的未经衰减的输入值是有一定偏差的，此时就需要外部处理器单元在计算时对得到的采样值进行补偿。
[0040]
因此，作为优选的一种方案，为了使得通过外部处理器单元计算后输出的三相电压或直流电压的实际电压值，与输入到相电压隔离采样单元或直流电压采样单元5的未经衰减的输入值是一致的，所述电压检测模块还包括参数存储器6，参数存储器6可通过iic接口与外部处理器单元通信连接。参数存储器6中存储有电路参数，外部处理器单元能够通过iic接口读取或修改参数存储器6中的电路参数。具体地，该电路参数就包括补偿参数，用于为外部处理器单元得到的采样值进行补偿，补偿参数可以以乘的形式参与运算，使得外部处理器单元能够将得到的电压采样值恢复为未经衰减的输入值以既定的100：1衰减比能得到的结果。也就是说通过补偿参数，当a相某时刻实际的电压值为220v，衰减比为100:1，经过采样隔离单元采样及模数转换后，外部处理器单元得到的a相电压的采样值就为2.15v时，通过补偿参数，能够将该2.15v恢复为2.2v。从而，外部处理器单元计算得到的每个相线或窜入it交流系统的直流电压的实际电压值，与输入到相电压隔离采样单或直流电压采样单元5的未经衰减的输入值就能是一致的。
[0041]
另外，外部处理器单元获得的各采样单元的采样数据，也能够通过iic接口存储到该参数存储器6中。
[0042]
进一步地，该电压检测模块还包括一组偏置电压输出电路7，所述偏置电压输出电路7的输出端与每一组偏置电路连接，该偏置电压输出电路7采用稳压模块为四组偏置电路提供偏置电压。
[0043]
进一步地，该电压检测模块还包括三相电压输入端口，该三相电压输入端口上设置有4个端口，分别对应it交流系统的a、b、c三个相线以及零线，该4个端口分别与a、b、c三个相线以及零线连接，然后进一步该三相电压输入端口会连接在it交流系统的交流电源处。从而每组相电压隔离采样单元的输入端通过该三相电压输入端口分别与it交流系统的a相线、b相线以及c相线实现连接，同样，直流电压采样单元5的输入端通过所述三相电压输入端口与it交流系统的零线实现连接
[0044]
进一步地，所述电压检测模块的供电分成三部分：系统相电压输入电路部分的供电、模拟电路部分的供电和数字电路部分的供电，各部分电路采用独立电源模块供电。具体来说，如图1和2所示，相电压输入电路部分的供电包括为相电压隔离采样单元的隔离芯片输入端的供电；如图1所示，模拟电路部分的供电包括为直流电压采样单元5和为模数转换模块3的供电，数字电路部分的供电包括通信隔离电路4的供电。也就是说，电压检测模块包括电源输入端口和三个互相独立的电源模块，三个互相独立的电源模块具体是相电压输入电路电源模块、模拟电路电源模块和数字电路电源模块，分别为系统相电压输入电路部分、
模拟电路部分和数字电路部分供电。相电压输入电路电源模块与模拟电路电源模块均采用1205d(输入12v，输出
±
5v)电源模块，数字电路电源模块采用1203d(输入12v，输出
±
3.3v)电源模块，外部电源通过电源输入端口输入电压检测模块后，通过上述三个互相独立的电源模块为各自相应的电路部分提供所需的工作电压，由此可以实现模拟电路部分和数字电路部分电源的隔离。
[0045]
综上，本发明实施例所提供的适用于it系统的电压检测模块，不但能够实现对it系统三相电压的采样，并通过外部处理器单元实现三相电压实际值的计算以及波形的输出；还能够实现对窜入交流系统的直流电压的采样，并通过外部处理器单元实现直流电压实际值的计算以及波形的输出。
[0046]
同时，该电压检测模块是将电压采样和电压转换功能集成在一个独立的模块中，不同于传统的交流系统专用检测设备对电压的检测电路与主板一同设计，在该电压检测模块的采样单元发生故障时，可以很方便更换和维护，只需要更换或维修该检测模块即可，而不需要连同主板一起维修或更换，从而可以极大减少维修成本，对于产品的维护、新产品的开发和调试，都能带来极大的便利。
[0047]
另外，由于本发明引入了通信隔离电路，该电压检测模块能够实现通信接口与模拟电路的隔离；并且，该电压检测模块的相电压隔离采样单元还采用了隔离芯片，实现了模拟电路部分与相电压隔离采样单元输入端的隔离。这样的双重隔离，增强了本检测模块和外部主机的抗干扰性能，也消除了外部输入对本检测模块的干扰，提高了检测模块的工作可靠性。
[0048]
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0049]
以上所述实施例仅表达了本技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术专利的保护范围应以所附权利要求为准。