基于PD78F0485單片機(jī)和ATT7026電能計(jì)量芯片的電力智能儀表設(shè)計(jì)

徐國明 曹 達(dá) 周 乾

（浙江涵普電力科技有限公司，浙江 海鹽 314300）

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，液晶以其驅(qū)動(dòng)電壓低、功耗小、可靠性高、顯示信息量大、無閃爍、對(duì)人體無危害等特點(diǎn)，得到了越來越廣泛的運(yùn)用，液晶電視、液晶計(jì)算機(jī)、液晶手機(jī)等，到處都有液晶的身影。而在電力行業(yè)中，液晶在各種儀表上的運(yùn)用也日趨廣泛，正越來越多地替代傳統(tǒng)數(shù)碼管顯示的儀表。

但隨之而來的問題是成本的升高，畢竟液晶的價(jià)格相對(duì)數(shù)碼管來說要高出不少。因此除了降低液晶價(jià)格外，還需要在設(shè)計(jì)方案時(shí)進(jìn)一步降低成本。

另外隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，專用計(jì)量芯片以其精度高，功能強(qiáng)大等特點(diǎn)，得到了越來越多的應(yīng)用。

1 液晶顯示方案

本設(shè)計(jì)在顯示上本設(shè)計(jì)中采用了一塊5V 供電的三行段碼液晶，由于瑞薩PD78F0485 單片機(jī)也可以使用5V 電源，因此兩者共用一個(gè)5V 電源。

在瑞薩PD78F0485 單片機(jī)中，本身配置有一個(gè)LCD 控制器/驅(qū)動(dòng)器。可以實(shí)現(xiàn)以下功能：

1）LCD 驅(qū)動(dòng)器電壓發(fā)生器可以切換外部電阻分壓和內(nèi)部電阻分壓；

2）基于自動(dòng)讀取存儲(chǔ)器顯示數(shù)據(jù)，自動(dòng)輸出Segment 和公共端信號(hào)。

3）共有6 種不同的顯示模式

* 靜態(tài)

* 1/2 占空比（1/2 偏壓）

* 1/3 占空比（1/2 偏壓）

* 1/3 占空比（1/3 偏壓）

* 1/4 占空比（1/3 偏壓）

* 1/8 占空比（1/4 偏壓）

4）每種顯示模式都有6 種不同的幀頻率。

5）最大支持40 個(gè)Segment 信號(hào)和8 個(gè)公共端信號(hào)輸出。

可見這個(gè)LCD 控制器/驅(qū)動(dòng)器的功能很完善，完全能滿足常用段碼液晶的顯示要求。因此不用再額外增加專用的液晶驅(qū)動(dòng)芯片，降低了成本。

本方案中，顯示模式采用了1/4 偏壓方式，而LCD 驅(qū)動(dòng)器電壓發(fā)生器則采用了外部電阻分壓。

LCD 驅(qū)動(dòng)器電壓發(fā)生器可以通過調(diào)節(jié)外部電阻分壓來調(diào)節(jié)液晶的對(duì)比度。在外部電阻分壓時(shí)，一共需要使用5 個(gè)電阻進(jìn)行分壓，以得到4 種不同的分壓值，分別輸入到PD78F0485 的VLC0、VLC1、VLC2 和VLC3 四個(gè)LCD 驅(qū)動(dòng)電壓管腳中。

在本設(shè)計(jì)中，經(jīng)過對(duì)液晶的實(shí)際調(diào)試，最終采用了4 個(gè)10kΩ電阻和一個(gè)0Ω的電阻，使得VLC0、VLC1、VLC2 和VLC3 的電壓分別為：5V、3.75V、2.5V 和1.25V。分壓電路如圖1所示。

圖1 LCD 驅(qū)動(dòng)分壓電路

LCD 控制器/驅(qū)動(dòng)器進(jìn)入工作后，可以自動(dòng)讀取存儲(chǔ)器顯示數(shù)據(jù)，自動(dòng)輸出Segment 和公共端信號(hào)。當(dāng)對(duì)應(yīng)的公共端和segment 信號(hào)之間的電位差大于LCD 驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)，液晶對(duì)應(yīng)像素就被打開了。

液晶上的公共端信號(hào)和Segment 信號(hào)如果單純使用DC 電壓，會(huì)導(dǎo)致性能衰退，為避免這個(gè)問題，PD78F0485 單片機(jī)使用了AC 電壓來驅(qū)動(dòng)液晶，以延長液晶的壽命。

2 信號(hào)采樣和A/D 轉(zhuǎn)換

為了降低儀表的生產(chǎn)成本，本設(shè)計(jì)中的電壓采樣方式采用電阻分壓方式。在電流采樣上，采用了電流互感器方式。CT 二次電流建議為毫安級(jí)。

在電量數(shù)據(jù)的計(jì)算處理上，本設(shè)計(jì)選用一片ATT7026 電能計(jì)量芯片，由其完成A/D 轉(zhuǎn)換過程。

ATT7026 是一塊高精度三相電能專用計(jì)量芯片，可測(cè)量功率、有功電能、無功電能，以及三相電壓電流有效值、功率因數(shù)、相角、頻率等參數(shù)，充分滿足智能儀表的要求。

ATT7026 提供了一個(gè)SPI 通信接口，本設(shè)計(jì)中PD78F0485 單片機(jī)正是通過這個(gè)接口，實(shí)現(xiàn)和ATT7026 進(jìn)行計(jì)量參數(shù)以及校表參數(shù)的數(shù)據(jù)交換。

單片機(jī)通過與電能計(jì)量芯片通信讀取的電量和電能數(shù)據(jù)，經(jīng)過適當(dāng)處理即可送顯示。

這樣既可以減輕單片機(jī)PD78F0485 的任務(wù)，又能提高測(cè)量和計(jì)量的精度，而且也降低了軟件開發(fā)難度，特別是電能計(jì)量部分，并進(jìn)一步降低了 成本。

3 Modbus 協(xié)議和Profibu 協(xié)議通信

此設(shè)計(jì)的智能儀表在通信上支持Modbus-RTU和Profibus-DP 兩種通信協(xié)議。

Modbus-RTU 協(xié)議在國內(nèi)應(yīng)用非常廣泛，通信規(guī)約也較簡單。此設(shè)計(jì)將PD78F0485 單片機(jī)中的UART0 串行口用于Modbus 協(xié)議的通信功能。由于現(xiàn)場(chǎng)常用的是RS485 傳輸方式，因此采用MAX485芯片用于電平信號(hào)的轉(zhuǎn)換，并且用光耦將CPU 的信號(hào)隔離開，并增加一路5V 隔離電源為光耦和485芯片供電，以提高通信的穩(wěn)定性。

近幾年來，Profibus 總線脫穎而出，Profibus 產(chǎn)品逐漸占據(jù)工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)的主流，得到了越來越廣泛的應(yīng)用，因此有必要為電力智能儀表配置Profibus-DP 協(xié)議的通信接口。

為了實(shí)現(xiàn)Profibus 協(xié)議的轉(zhuǎn)換，此設(shè)計(jì)選用了VPC3+C 通信協(xié)議芯片。VPC3+C 是德國Profichip公司生產(chǎn)的智能從站通信協(xié)議芯片，帶有8 位微處理器接口，集成有全部Profibus-DP 協(xié)議，自動(dòng)識(shí)別和支持可達(dá)12Mbit/s 的數(shù)據(jù)傳輸率。該芯片可工作于3.3V 或5V 電壓，與單片機(jī)通信時(shí)，不必考慮電壓轉(zhuǎn)換問題。相比西門子的SPC3 芯片，VPC3+C芯片價(jià)格上更低，可以降低成本。

在硬件上，單片機(jī)可通過8 條數(shù)據(jù)線與8 條數(shù)據(jù)線與VPC3+C 芯片連接，實(shí)現(xiàn)并行數(shù)據(jù)交換。VPC3+C 協(xié)議芯片在通信過程中主要用于Profibus- DP 協(xié)議的轉(zhuǎn)換。

為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，要求現(xiàn)場(chǎng)總線的接口能以12Mbit/s 的速度進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，因此需要選用高速的RS485 芯片。本設(shè)計(jì)選用Profibus 接口專用芯片AMD2486，ADM2486 是ADI 公司生產(chǎn)的半雙工、隔離RS-485 收發(fā)器。其內(nèi)部含有保護(hù)隔離電路，不必額外增加光耦，簡化了硬件電路的布線，提高了通信的穩(wěn)定性。

VPC3+C 協(xié)議芯片應(yīng)用原理框圖如圖2所示。

圖2 協(xié)議轉(zhuǎn)換原理圖

對(duì)VPC3+C 協(xié)議芯片進(jìn)行軟件開發(fā)時(shí)，主要是控制VPC3+C 芯片和處理各種中斷和用戶數(shù)據(jù)，只要了解Profibus 協(xié)議相關(guān)內(nèi)容，特別是基本概念、基本術(shù)語以及VPC3+C 芯片的技術(shù)內(nèi)容，即能自己編寫程序了。另外Profibus-DP 通信時(shí)，需要編寫一個(gè)設(shè)備描述文件（即GSD 文件），里面包括從站地址、交換數(shù)據(jù)的種類及數(shù)量等信息，以GSD 結(jié)尾，通信前需要載入PLC 等主站設(shè)備。這些信息必須正確，否則無法與主站正常通信。

通過使用VPC3+C 協(xié)議芯片，可以有效降低項(xiàng)目開發(fā)難度，縮短開發(fā)時(shí)間，降低了成本。

4 測(cè)試結(jié)果

這里例舉的測(cè)試結(jié)果包括A 相電壓、A 相電流，總有功功率和有功電能，誤差均為引用誤差。試驗(yàn)結(jié)果如表1至表4所示。

表1 電壓測(cè)試結(jié)果（額定電壓220V）

表2 電流測(cè)試結(jié)果（額定電流5A）

表3 總有功功率測(cè)試結(jié)果（額定電壓220V、額定電流5A）

表4 有功電能測(cè)試結(jié)果（額定電壓220V、額定電流5A）

（續(xù)）

5 結(jié)論

經(jīng)測(cè)試證明，本設(shè)計(jì)在降低了開發(fā)難度和儀表成本的同時(shí)，也保證了儀表的性能和可靠性，可以應(yīng)用于對(duì)電力監(jiān)控和電力安全有較高要求、需要電能內(nèi)部計(jì)量考核的場(chǎng)所，如變電站自動(dòng)化、配電網(wǎng)自動(dòng)化、工業(yè)自動(dòng)化、配電型配電盤、開關(guān)柜、小區(qū)電力監(jiān)控和智能建筑等場(chǎng)合。

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