基于計(jì)量芯片ADE7758的三相多功能電表設(shè)計(jì)

杜欣慧 王 茜

（太原理工大學(xué)電氣與動(dòng)力工程學(xué)院，太原 030024）

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，電力供應(yīng)呈現(xiàn)緊張局面，尤其在沿海地區(qū)，工業(yè)、經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的城市尤為嚴(yán)峻，對電能計(jì)量的要求也逐步升高。電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)的高速更新改變了當(dāng)前社會(huì)，也使電表的設(shè)計(jì)有了突破性的變化，目前對電表的要求已經(jīng)不再是簡單的數(shù)值計(jì)量，而是集合了計(jì)量、管理、自動(dòng)抄表于一體的高科技新技術(shù)產(chǎn)品。貼片式電子元器件及大規(guī)模集成電路的采用，使得電表自身壽命及準(zhǔn)確度均有極大提高。美國AD公司生產(chǎn)的電能測量集成電路ADE7758，體積小且動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)1000:1，具有數(shù)字積分、數(shù)字濾波和眾多實(shí)用電能檢測、計(jì)量等功能。研發(fā)者僅僅只需要將此芯片與MCU做SPI通信即可獲得相應(yīng)的計(jì)量數(shù)據(jù)，并且勿需人為干預(yù)，大大減輕了設(shè)計(jì)人員的負(fù)擔(dān)，更有利于性能的提高，成本的降低。配合現(xiàn)有的通信技術(shù)便足以實(shí)現(xiàn)多種應(yīng)用功能，如自動(dòng)抄表、實(shí)時(shí)電價(jià)、分時(shí)電價(jià)、預(yù)付費(fèi)等。

論文采用芯片ADE7758，并配合STC89C52主控，最終完成了電表的硬軟件設(shè)計(jì)。

1 電表整體方案設(shè)計(jì)及工作原理

1.1 方案設(shè)計(jì)

本方案所設(shè)計(jì)的電能表由電氣參數(shù)檢測、STC89C52控制、12864顯示、采集數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、信息通信及外部電源等部分組成，框圖參考圖1所示。檢測部分以數(shù)字電能表芯片ADE7758為中心，獲取有功電量、無功電量、電壓、電流、頻率等數(shù)據(jù)，并通過SPI傳至MCU。控制部分以STC89C52為核心，配以各種外圍芯片，包括實(shí)時(shí)時(shí)鐘、存儲(chǔ)器AT24C02和高品質(zhì)液晶12864等，微處理器根據(jù)當(dāng)前的電量信息完成各種參量的計(jì)算，并顯示在液晶屏上。通信部分采用 RS485半雙工通信方式，用于向上位機(jī)實(shí)時(shí)傳送數(shù)據(jù)、編寫程序。供電模塊出于節(jié)能理念，采用高頻電源開關(guān)，以適應(yīng)不同電源電壓環(huán)境。

圖1 電表結(jié)構(gòu)框圖

1.2 電表工作原理

美國Analog Devices 公司2005年推出的專門用于計(jì)量三相電量多功能的 ADE7758芯片是一種具有高精確度的三相電能測量 IC，脈沖輸出有兩路，串行口一個(gè)。ADE7758 集成了數(shù)字積分、溫度敏感元件、基準(zhǔn)參考電壓源等，并包含各種必需的信號處理電路，如有功功率、復(fù)功率、視在功率、有效值的測量以及數(shù)字方式校正系統(tǒng)誤差（增益、相位和失調(diào)等）。

ADE7758電流采樣通過電流互感器實(shí)現(xiàn)，電壓采樣通過分壓電阻網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)。采樣信號經(jīng)信號放大PGA1，PGA2和模數(shù)變換ADC轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的數(shù)字信號，之后，電流信號經(jīng)電流通道內(nèi)的高通濾波器HPF濾除DC分量并且數(shù)字積分后，與經(jīng)相位校正Φ的電壓信號相乘，產(chǎn)生瞬時(shí)功率。瞬時(shí)功率信號經(jīng)過低通濾波 LPF2后分離出平均功率，平均功率在能量累加器中不斷累加，再經(jīng)數(shù)頻轉(zhuǎn)換DFC后轉(zhuǎn)換為脈沖輸出。STC89C52通過對脈沖計(jì)數(shù)實(shí)現(xiàn)能量的計(jì)算。

2 硬件設(shè)計(jì)及相應(yīng)注意問題

2.1 采集電路的設(shè)計(jì)方法

ADE7758有六路模擬信號輸入，可分為電流通路和電壓通道，如圖2所示。電流通道有3對差分電壓輸入，分別是 IAP，IAN；IBP，IBN；ICP，ICN。通過 3個(gè)電流通道的最大信號電壓為±0.5V。ADE7758具有的單端電壓輸入通道為三路，分別是VAP、VBP和VCP。輸入電壓變化范圍最大值同樣是±0.5V。因此數(shù)據(jù)采集電路包括電流和電壓兩個(gè)采集模塊。

以A相模擬通道為例，電壓信號首先經(jīng)過兩個(gè)電阻構(gòu)成的衰減網(wǎng)絡(luò)衰減，再經(jīng)RC濾波送至VAP端子，兩個(gè)倒置的二極管構(gòu)成保護(hù)電路。由R1、R2構(gòu)成的衰減網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)其拐角頻率為 3dB，用以與后面的 RC網(wǎng)絡(luò)匹配。電流互感器 CT出來的電流信號，經(jīng) RC電路（由 R4、C2 、R5構(gòu)成）做相序的補(bǔ)償。一般CT會(huì)產(chǎn)生0.1～1°的相角誤差，使用ADE7758的相位補(bǔ)償功能進(jìn)行相位調(diào)節(jié)（APHCL、BPHCL、CPHCL），可以大大減小相角誤差的影響。其他各個(gè)相應(yīng)輸入端子的抗混疊濾波網(wǎng)絡(luò)分別由R3，R6、R9、C1、C3、C5構(gòu)成。數(shù)字采樣處理中的特有現(xiàn)象是頻率混疊。混疊現(xiàn)象產(chǎn)生于兩倍的信號最高頻率大于采樣頻率時(shí)。混疊會(huì)產(chǎn)生假頻，并嚴(yán)重影響測量結(jié)果。

圖2 數(shù)據(jù)采集接口電路圖

2.2 單片機(jī)與ADE7758的接口設(shè)計(jì)

單片機(jī)與 ADE7758連接的通信電路如圖 3所示。ADE7758的SPI端口由端子 DOUT、SCLK、DIN、CS、IRQ構(gòu)成。ADE7758與單片機(jī)之間經(jīng)過高速光電耦合進(jìn)行串口信號的傳輸，此設(shè)計(jì)使用光電隔離器 6N137和 TLP421，不僅具有良好的電磁兼容性，而且保證了數(shù)據(jù)采集、計(jì)量的實(shí)時(shí)性。IRQ為ADE7758的中斷申請輸出，低電平有效。APCF和 VARCF分別為有功、無功能量脈沖輸出端子，可用來實(shí)現(xiàn)有功、無功能量的計(jì)量。

圖3 單片機(jī)與ADE7758接口電路

2.3 需要注意的問題

ADE7758沒有復(fù)位端，當(dāng)模擬電壓低于4V時(shí)，內(nèi)部直接復(fù)位。

當(dāng) ADE7758與 MCU使用不同電源時(shí)，MCU要經(jīng)常監(jiān)視7758內(nèi)部寄存器是否變化，防止電源波動(dòng)導(dǎo)致7758內(nèi)部復(fù)位，使校準(zhǔn)參數(shù)發(fā)生改變而導(dǎo)致計(jì)量錯(cuò)誤。

若用PT采樣電壓信號時(shí)，則7758與MCU的管腳可通過1個(gè)1kΩ的電阻直接相連；若用電阻分壓采樣電壓信號時(shí)，則需通過高速光耦相連。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件的變成設(shè)計(jì)采用嵌套的方法，分為主程序和中斷程序兩大部分。主程序用于起動(dòng)軟件及各個(gè)模塊初始化，如圖4所示。中斷程序用于對各事件進(jìn)行處理，例如ADE7758響應(yīng)MCU、按鍵處理、數(shù)據(jù)通信處理等。考慮采用嵌套思想，在編程時(shí)需注意層次關(guān)系及子程序是否跨區(qū)。

圖4 主程序框圖

實(shí)現(xiàn)ADE7758的所有功能，可采用讀寫片上寄存器，即ADE7758的各種設(shè)定和操作主要是對其眾多寄存器的讀和寫。在讀、寫每個(gè)寄存器時(shí)，首先要執(zhí)行一個(gè)寫通信的操作，然后數(shù)據(jù)開始傳輸。電能表的測控命令和測量信息可經(jīng)多種方式與MCU通信。MCU完成對 ADE7758的配置，包括工作模式、測量模式、波形采樣模式、值偏差補(bǔ)償量和中斷模式等。

ADE7758是通過中斷方式與MCU進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。根據(jù)不同中斷產(chǎn)生響應(yīng)信號，并將標(biāo)志位置1，IRQ引腳輸出從高電平變?yōu)榈碗娖剑琈CU檢測到相應(yīng)引腳跳變信號后開始中斷處理。此中斷源主要有電壓、電流過零，電壓電流過大，斷相錯(cuò)誤等電網(wǎng)出現(xiàn)異常的情況。

在分時(shí)段計(jì)量時(shí)，選取一時(shí)間段，比如，此時(shí)段屬于用電高峰期，電力公司為緩解用電高峰，達(dá)到削峰填谷的目的，可制定此時(shí)電價(jià)稍高于平時(shí)。程序設(shè)計(jì)中，通過兩個(gè)變量flag1和flag2來保存時(shí)間參數(shù)，令flag1為選定時(shí)間段17:30-19:30內(nèi)的標(biāo)志，而flag2為其他時(shí)間段。采用T0中斷方式進(jìn)行有功電量參數(shù)的累加計(jì)量。程序框圖設(shè)計(jì)參見圖5。

4 電表校準(zhǔn)

校表的流程包括電壓增益校準(zhǔn)、電流增益校準(zhǔn)、電流失調(diào)校準(zhǔn)、有功增益校準(zhǔn)、相位校準(zhǔn)和有功/無功失調(diào)校準(zhǔn)。現(xiàn)列舉電壓校準(zhǔn)的方法。

三相電壓Un通入后，設(shè)寄存器VRMSGAIN=0，便可讀取三相電壓有效值Uf，計(jì)算各相的電壓增益，公式為：Un=Uf(1+VRMSGAIN/4096)，將結(jié)果分別置入各相的VRMSGAIN寄存器。

圖5 分時(shí)段電能計(jì)算

比如，Un=220V，A相電壓Uar=242.6V，則

AVRMSGAIN=(Un/Uar-1)×4096=(220/242.6-1)×4096=-381=oxFE83

將VRMSGAIN置入0xFE83，即完成A相電壓增益的校準(zhǔn)。

5 電表功能

系統(tǒng)配置3個(gè)按鍵，占用單片機(jī)P2.2－P2.4口，如圖6所示經(jīng)與門邏輯與采用中斷方式工作。

圖6 單片機(jī)按鍵連接電路圖

可以實(shí)現(xiàn)如下功能：①查看系統(tǒng)一段時(shí)間內(nèi)總的有功功率、無功功率；②可采集瞬時(shí)分相電壓、電流、功率因數(shù)等數(shù)據(jù)并顯示；③通過對時(shí)間的檢測，可實(shí)現(xiàn)電量參數(shù)的定時(shí)存儲(chǔ)，對有功電量分時(shí)段計(jì)量，達(dá)到多費(fèi)率的功能；④按鍵可對時(shí)鐘初值進(jìn)行調(diào)整；⑤對異常事件進(jìn)行中斷記錄。

6 結(jié)論

本文對三相電能測量表進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)，上述的五項(xiàng)功能已在實(shí)驗(yàn)室中實(shí)現(xiàn)，但因山西省目前未實(shí)行分時(shí)電價(jià)，功能三暫時(shí)不能應(yīng)用于實(shí)際，其余的4項(xiàng)功能均可用于實(shí)際。使用ADE7758芯片使電力測量模塊的設(shè)計(jì)難度有所簡化，提高了精度、保證了穩(wěn)定性、縮小體積并且降低了成本，順應(yīng)國際市場的需求，極具有推廣價(jià)值。

[1]王春光,曾國紅. AD71056基于LPC921的電能表設(shè)計(jì)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2007(10):54-56.

[2]儀表技術(shù)編輯部.電子電能表與電能測量技術(shù)講座[J].儀表技術(shù),2002.

[3]黃聚永,袁慧梅,張志忠,劉建芳.基于ADE7758芯片的GPRS網(wǎng)絡(luò)電能表設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息,2007(1).

[4]ANOLOG DEVICE.ADE7758 Datasheet[Z].