基于ATT7022A的三相多功能電表設計

王顯靜，張天開，魏 凱，孫奕霖

（青島理工大學 自動化工程學院，山東 青島266033）

電能表是我國電工儀表行業中產量最大的產品。近幾年，國家連續出臺多項與電能表相關的政策，加上中國的社會用電量迅速增長、全國聯網、特高壓電網建設、智能家居進程、計量新技術應用等要素，不斷推進電表應用的擴展。

隨著高新技術尤其是電子信息技術的快速發展，電子式、多功能、高精度、多費率、自動抄表等產品成為電能表發展的主流。本文設計的電表主要有以下優點：

（1）系統采用互感器對電壓電流進行采樣。傳統的電表大多采用電阻分壓對電壓和電流量進行采樣。這種方法簡單易行，電路結構簡單。但是電阻分壓提取電壓值，對電阻的精度要求高，且浪費在分壓電阻上的能量太多，不符合環保節能的要求；同時對電流的采樣也會改變原有電路的參數[1]。

（2）串行通信采用RS-485，通過平衡發送和差分接收方式實現通信。由于傳輸線通常使用雙絞線，采用差分傳輸，所以有極強的抗共模干擾能力；總線收發器的靈敏度很高，可以檢測到低至200 mV的電壓，其傳輸信號在千米以上可以恢復；傳輸距離遠，傳播速度快。

（3）傳統抄表系統的電能計量模塊采用傅里葉算法計算，算法過于復雜，對處理器的要求較高，由于大量的采樣和數據運算給單片機帶來很大的負擔，嚴重影響了單片機處理其他問題的速度；并且大大增加了成本。本系統采用的ATT7022是一款國產的電能計量專用芯片，電路價格低廉。除了A/D轉換部分，在芯片內還集成了數據運算電路，可以大大節省測量系統主控MCU的工作負荷。為了保證測量精度它的采樣頻率為3.2 kHz。此芯片的接口簡單，使用方便。

此外，系統還設置了密碼保護功能、掉電存儲功能、過載保護功能等。

1 系統整體結構設計

1.1 系統的總體基本結構

本設計主要由主控部分、液晶顯示模塊、電壓電流采樣模塊、參數測量模塊、電源模塊、通信模塊參數測量部分構成。系統以16位凌陽單片機SPCE061A為控制核心[2]，配合高精度芯片ATT7022A完成電量參數的測量。系統總體基本結構如圖1所示。

系統通過ATT7022三相有功復功率電能專用計量芯片對采樣調理后的三相交流電信號進行處理，得到每相交流電電壓、電流、有功功率、無功功率、頻率和功率因數等參數，并將各參數數據送入SPCE061A進行數據遠程測量及紅外通信。在任意時刻，都可通過按鍵輸入信號驗證密碼后對當前時刻三相電的所有測量數據進行觀測并進行密碼修改[3]。

1.2 ATT7022簡介

本系統采用高精度的三相電能專用測量芯片ATT7022A作為主控芯片，其有功測量滿足 0.5S/0.2S。ATT7022三相電能專用計量精度非常高，適用于三相三線和三相四線。ATT7022能夠測量各相以及合相的有功功率、無功功率、視在功率、有功能量以及無功能量，同時還能測量各相電流、電壓有效值、功率因數、相角、頻率等參數，充分滿足三相復費率多功能電能表的需求。

2 系統硬件設計

本系統采用凌陽系列單片機SPCE061A為主控芯片，采用電流型電壓互感器HKPT31C及立式穿芯微型精密交流電流互感器HKCT21A-02對三相電壓、電流進行采樣。

2.1 采樣模塊設計

因為本系統需要測量電流電壓參量，而現有測量芯片無法直接對大電流和高電壓進行測量，故需要對這兩個信號進行采樣。本系統中電壓信號采集使用HKPT31C電流型電壓互感器，它具有體積小、精度高、印刷線路板直接焊接安裝、使用方便、機械和耐環境性能好、電壓隔離能力強、安全可靠等優點。電流采集器件使用HKCT21A-02-15A交流電流互感器，它同樣具有直接焊接安裝、精度高、全封閉、抗干擾性好、電壓隔離能力強、安全可靠的優點。

2.2 ATT7022模塊部分設計

電壓、電流測量采用互感器輸入方式，這時各通道不可避免地存在增益、相位方面的誤差，在高精度測量時這些誤差不容忽視，針對互感器比差的非線性，ATT7022可以提供校正，可對比差進行分段補償，對相位加以分段修正，并對電壓、電流有效值進行修正。通過SPI接口將校正的數據寫入ATT7022中實現。

2.3 RS-485模塊部分設計

RS-485與MAX485聯合使用，通過RS-458協議實現串口長距離通信，用MAX485完成將TTL電平與RS-485電平之間的轉化。本系統還采用光隔電路，在無信號傳輸時將MAX485和單片機進行隔離，減小了各器件間可能存在的干擾。圖2是系統RS-485串口通信電路，整個系統中有兩處這種電路，分別位于兩塊單片機上，實現雙向通信[4-5]。

3 系統軟件設計

3.1 主程序流程圖

主程序流程圖如圖3所示。首先進行系統初始化，通過ATT7022判斷電流電壓是否過載。若過載，報警并采用相應的保護措施；若正常，繼續進行數據采集處理，將處理后的數據通過紅外或RS-485方式傳送到另一塊單片機，通過LCD顯示。在另一塊單片機上按鍵，運行鍵盤掃描程序，選擇相應功能，通過LCD顯示觀察測量結果。

軟件的設計主要包括數據采集、LCD顯示程序、斷電保護程序、鍵盤程序、RS-485通信和紅外通信等部分。

3.2 密碼保護功能

密碼保護功能的實現依靠32 KB閃存Flash。密碼保護模塊流程圖如圖4所示。密碼存入一個特定的閃存地址，每次密碼驗證時，從閃存中讀出原設密碼，將從鍵盤中輸入的數字與原設密碼進行比較，正確就可以進入下一步，對各參量觀察，錯誤則提示密碼輸入錯誤重新輸入密碼。修改密碼時從鍵盤獲取修改的密碼值寫入指定閃存地址，覆蓋原來的密碼值。

圖4 密碼保護模塊流程圖

3.3 紅外通信

紅外發射電路串行碼主要由TimerA定時器發送，IOB8編程為第二功能，由TimerA控制輸出占空比可調的脈寬調制信號PWM0，產生38 kHz的載波信號。串行數據由單片機的串行輸出端TXD送出并驅動三極管，利用兩個紅外發射管將38 kHz的載波信號以光脈沖的形式向外發送。串行碼為1時，打開輸出，為0時，關閉 PWM0輸出(輸出低電平)。用 TimerB控制脈沖寬度。

紅外接收電路利用TSOP1738紅外光敏元件將接收到的載波頻率為38 kHz的脈沖調制紅外光信號轉化為電信號，再由前置放大器和自動增益控制電路進行放大處理。然后通過帶通濾波器進行濾波，濾波后的信號由解調電路解調。最后由輸出級電路進行反向放大輸出。

3.4 RS-485數據通信

RS-485接口采用差分方式傳輸信號，并不需要相對于某個參照點來檢測信號，系統只需檢測兩線之間的電位差。

4 測試結果與分析

4.1 三相有功功率測量及總有功功率

測得的三相有功功率與總有功功率如表1所示。

4.2 功率因數

4次測量的功率因數理論值與測量值如表2所示。

4.3 測試分析與結論

根據上述測試數據，經分析可以得出以下結論：

（1）本系統能對三相工頻交流電（頻率波動范圍為45 Hz～65 Hz）的三相電壓、三相電流、三相有功功率、三相無功功率、總有功功率、總無功功率、功率因數、電網頻率、有功電能和無功電能在誤差允許范圍內進行測量。

表1 三相有功功率和總有功功率的理論值與測量值對比

表2 功率因數

（2）實現電壓和電流相序檢測功能，有掉電存儲功能。

（3）通過密碼保護、標準RS-485通信實現遠程測量、紅外通信等，保證了數據傳輸的準確性。

[1]康華光，陳大欽.電子技術基礎（第 4版）[M].北京：高等教育出版社，2004：118-121.

[2]李曉白，秦紅磊，朱俊杰，等.凌陽 16位單片機 C語言開發[M].北京：北京航空航天大學出版社，2006：44-98.

[3]珠海炬力集成電路設計有限公司.ATT7022 manual[A].2003.

[4]王成華，王友仁，胡志忠.電子線路基礎教程[M].北京：科學出版社，2004：21-156.

[5]童詩白，華成英.模擬電子技術基礎[M].北京：高等教育出版社，2010：59-231.