水电站是我国重点支持发展的能源建设，机组运行效率、耗水率、发电量等是衡量水电站经济运行的准则。为确保水电站安全经济地运行，及时发现异常现象或工程隐患，对水轮发电机组各项指标的实时监测尤为必要[1]。
    根据我国对水电站安全监测工作的要求和水电站安全检测的发展趋势，本文以STM32F103VC为硬件控制核心，设计了用于水电站各项指标监测的效率仪。
1 测量原理分析
    水电机组进行监测的参数主要有：瞬时流量、累积流量、工作水头、有功功率、耗水率和水轮机效率[2]等，通过对应变送器转变成4~20 mA的直流电流信号，经信号调理电路后送给STM32F103VC处理。
1.1 瞬时流量及累积流量
    水轮机过机流量采用蜗壳差压法进行测量[3]，如图1所示为蜗壳截面图。根据角动量守恒定律，蜗壳任意断面上有如下等式成立：

   
2 硬件设计
2.1 总体设计
    本效率仪整体框图如图2所示，以STM32-F103VC为核心，外围扩展有人机接口、按键控制、RS483/RS232通信和数据存储等设备。

    系统有4路输入，分别接相应的传感器，传感器输入为4 mA~20 mA的直流电流信号。系统的工作过程：直流信号经过I/V转换及电压调理将信号转化为0~2 V的电压信号，电压信号经过A/D转换，将传感器信号转化为数字量以便控制芯片进行运算处理。数据经过STM32F103VC处理之后，得到瞬时流量、累积流量、工作手头、水轮机效率及耗水率5个参数并由LCD显示出来。同时，将瞬时流量、工作水头、水轮机效率及耗水率4个表征水轮发电机组性能的参数经过D/A转换及V/I变换，转换为可以接入监测中心仪表的电流信号，以便工作人员进行监测。
2.2 数据采集模块设计
    由于系统的输入信号为传感器输出的4~20 mA直流电流信号，而A/D转换芯片的输入量为0~2.5 V电压信号，所以必须首先对信号进行I/V变化及电压调理。本设计选用AD公司的AD620，只需一个电阻就可以实现对增益的精确编程。增益为：
    
    经过转换调理后的电压信号送入A/D转换器进行模数转换，将模拟量转换为数字量以便进行数据运算处理。
2.3 数据输出及显示模块设计
    核心控制器根据上述公式对数字化的输入信号进行处理，计算出瞬时流量、累积流量、工作水头、有功功率、耗水量以及效率5个参数值。将5个参数值显示在LCD上，同时将计算出的参数转换为对应的4~20 mA电流值输入监测中心的指示仪表，以便工作人员监测。
   数据显示通过工业级显示液晶屏HG2401283-LYH-SV实现，其为240×128图形点阵显示模块，数据并行输入。显示内容包括瞬时流量、累积流量、工作水头、有功功率、耗水率、效率及通道报警。
   计算出的参数必须转化为模拟电流信号才能提供给检测中心，本设计通过美信公司的MAX5661转换器实现。MAX5661是一款16 bit的电压电流双输出D/A转换器，它具有SPI接口，与MCU通信简单快速，其电流输出范围为0~20 mA或4~20 mA，并且具有25%的额外超量程输出能力。
2.4 通信模块设计

   通信模块设计采用通用的RS485通信，并对通信电路进行了抗干扰设计，通信芯片选用美信公司的MAX-
3082ESA。该芯片工作于半双工模式，最多可挂接256个收发器，最高传输速率为115 Kb/s，具有很好的扩展性。通信模块电路如图4所示。

3 软件设计
3.1 协议分析及处理
    首先通过上位机软件进行基本的配置，如传感器参数、常数、满量程等。程序根据通信协议对通过485接收到的上位机命令进行分析，获取命令类型并进行相应的处理。协议分析及处理在主循环中，不断进行判断上位机软件所发出的命令，如果上位机软件没有发出命令则不作出反应。
3.2 按键及LCD显示
    效率仪有禁止刷新、启动测量、秒/分刷新选择键3个按键。LCD显示的内容由启动测量按键决定，若启动测量按键按下，则显示测量画面；否则显示开机画面。在禁止刷新按键没有按下时，启动定时器定时1 s。判断秒/分刷新选择按键状态，若为秒刷新则每进入一次中断都进行重新测量并显示；若为分刷新则进入60次中断进行重新测量并显示。程序对按键状态进行定义，在主循环中判断按键状态标志并调用相应的子程序。
3.3 数据采集及处理
    当启动测量按键按下时，调用测量子程序。采集4个通道的数据并进行运算，判断采集的通道数据是否满足4~20 mA并生成报警通道字符。运算之后的数据作为参数，一方面传递给显示子程序，另一方面传递给D/A转换子程序转换为输出信号。其简化流程图如图5所示。

4 性能及测量结果分析
4.1 精度分析
    数据采集精度是效率仪精度的决定性因素，本设计主要从两方面提高数据采集精度。
    (1)选用AD620进行I/V变换及电压调理。AD620具有高精度、低失调电压和低失调漂移特性，尤其适用于传感器接口这种精密数据采集系统。采用典型的三运放改进设计，大大抑制了共模干扰。同时，增益电阻Rg使用阻值为12.35 ?赘的精密电阻以提高转换精度。
    (2)采用TI公司的ADS8331作为A/D转换器。ADS8331为低功耗、16 bit、4通道模数转换器，其采样速率达到500 KS/s，转换精度高达0.038 mV。同时，ADS8331的基准电压通过基准源REF5025提供，进一步提高了采集数据的精度。
4.2 抗干扰及自我保护分析
    仪器的干扰主要存在于通信电路中，干扰会导致数据传输丢失、错误等问题。通信电路采用RS485通信，RS485采用平衡发送和差分接收，本身已具有共模抑制能力。设计时将控制部分和通信部分采用光耦元件进行隔离，避免了控制电路对通信电路的干扰及影响。为避免浪涌现象对通信的影响，在差分信号的输出线上串联了瞬态抑制二极管，同时通过一个限流电阻将通信地与设备地相连，有效抑制了电流回流引入的干扰。通信电路供电通过隔离电源DCR10505提供。
    在电路输入输出部分都有自我保护能力。在信号输入端接入100 mA自恢复保险丝，当电流过大时起到保护作用。输出电流信号由MAX5661提供，其增益电阻端接在封装之外，便于实现浪涌和瞬态保护且不会影响精度。此外，还集成了负载故障检测功能，当电流输出开路或电压输出短路时，漏极开路的故障引脚将被拉至低电平。使用MAX5661增强了电路的保护性。

    本文设计的效率仪精度和准确度都达到了国内领先水平，分辨率可以达到0.05% F.S，远远优于传统效率仪0.5% F.S的指标。效率仪具有很强的抗干扰能力和自我保护能力，远程在线检测中，数据误码率<10^-6。实现了对水电机组瞬时流量、累积流量、工作水头、有功功率及耗水率等各项指标的精确监测，可满足水电站的监测要求，并已成功用于某大型水电站。
参考文献
[1] 国家技术监督局.GB/T 15468-1995：水轮机技术条件.1995-01-27.
[2] 郑清顺.水机效率实验及经济效益[J].云南水力发电，1997(2).
[3] 游维涛，范宇峰.龙门滩水电站流量水头监测系统[J].中国农村水利水电，2003(10).
[4] 赵旭光，孙亚权.基于可编程控制器的水电机组水利参数自动检测系统[J].湖北水力发电，2004(1).