智能三相表計量模塊設計及實現

張俊婷，紀志堅

（青島大學 自動化學院，青島266071）

在國家一帶一路政策發展鼓勵下，電網等企業逐步走向世界，與世界接軌，這對智能電能表的要求更加嚴格，尤其是對電能表的準確計量性[1]。傳統的電能表計量誤差偏大、不準確，這將嚴重影響電網企業等的利益；其次是計量模塊運行時抗干擾能力差，通訊能力差[2]。本文采用的計量芯片HT7038 計量更加準確，抗干擾能力強，功耗低，而且集成了其他功能，如用電信息存儲和處理、信息交互、實時監控等功能[5]。

1 電源單元設計及介紹

1.1 電源芯片HT7540 簡介

HT7540 是合泰的一款三端低功耗電源芯片，輸出電流可達到100 mA，允許輸入的電壓高達30 V。內部結構如圖1 所示[3]。

圖1 HT7540 內部結構圖Fig.1 HT7540 internal structure

這款芯片具體優點概括如下[4]：①低功耗；②低壓降；③較低的溫度系數；④高輸入電壓（高達30 V）；⑤靜態電流1 μA；⑥大電流輸出：100 mA；⑦輸出電壓精度：±2%

1.2 電源電路設計

電源的設計需保證電表能在斷電的情況下，數據不丟失。 本文的電源設計充分的考慮到了這一點，采用了雙電池供電，具體電路設計如圖2 所示。

外部電源供電+12 V， 電源輸入經過電解電容EP1、電容CP1 和電容CP3 濾波之后，再經過穩壓芯片UP1 輸出，經過濾波電容CP2，得到+4 V 電壓，在經過二極管DP2 降壓得到+3.3 V 電壓，為計量芯片和MCU 提供電源[6]。 二極管DP1 的作用主要是當外部有電時，不受外部電源影響，能夠保證電池的安全可靠性能。 QP1 是三極管， 選用的是MMBT2907A，主要起到開關的作用[7]。

圖2 電源電路設計Fig.2 Power circuit design

BAT1 電池是6 V，也稱為抄表電池，確保在斷電的情況下，電表的基本功能能正常運行。 BAT2 電池是3.6 V，也稱為時鐘電池，保證在最極端狀況下（外部無電源且抄表電池無電壓）HT6025 芯片內部時鐘準確，確保芯片內部記錄的數據不丟失，具有數據斷電保護作用。 其余兩路分別為電池檢測電路。

2 MCU 主控單元設計

2.1 主控芯片HT6025 簡介

本文采用的是鉅泉光電的主控芯片HT6025，HT6025 芯片是多功能、高性能、低功耗單相智能電表專用256 K 的MCU 芯片， 內部集成了Cortex-M0處理器、時鐘管理、電源管理、硬件自動溫度補償RTC、PLL、高頻RC、低頻RC、LCD 驅動等單元，以及NVIC 和DEBUG 調試功能[8]。 其中，支持每秒補償機制的RTC 單元，芯片以32.768 kHz 晶振時鐘源作為RTC 時鐘源，通過芯片內部集成的時鐘自動數字補償單元， 在無需其軟件參與的情況下， 實現RTC 的自動補償[9]。 其內部框圖如圖3 所示。

圖3 HT6025 內部框圖Fig.3 HT6025 internal block diagram

主要性能如下[9]：①工作電壓范圍為2.0 V～5.5 V；②采用ARM Cortex-M0 CPU Core、256 K Flash+1 K Information Block、32 K SRAM；③CPU 最高工作頻率達到44 M；④兩路硬件7816 功能；⑤Hold 模式下最低功耗4.3 μA，Sleep 模式下最低功耗3.3 μA；⑥獨立的RTC 供電引腳， 在芯片內除RTC 模塊之外的所有模塊不供電的情況下，RTC 模塊仍然可以保持獨立工作。

2.2 主控單元外圍電路設計

HT6025 的JTAG 調試硬件接口是TI 標準14Pin接口，ICP 接口是下載口，其中TMS、TCK、TDI、TDO，分別為測試模式選擇、測試時鐘、測試數據輸入和測試數據輸出，需要+3.3 V 外接電源輸入[10]。XA1 是32768 Hz 的外部晶振， 為HT6026 提供時鐘信號。LVDIN 引腳是外部電壓檢測引腳，當供電電壓低于或高于1.21 V 時產生中斷信號。DA1 是一個穩壓二極管，主要是鉗位保護作用，鉗位電壓在2.7 V 左右。復位引腳RESET 經電容CA4 接地，CLKOUT 引腳、RX4 引腳和TX4 連接RS485 通信芯片[4]，HT6025的外圍電路設計如圖4 所示。

圖4 HT6025 外圍電路設計Fig.4 HT6025 peripheral circuit design

3 計量單元設計

3.1 計量芯片HT7038 簡介

HT7038 系列多功能高精度三相電能專用計量芯片，適用于三相三線和三相四線應用。 HT7038 集成了6 路二階sigma-delta ADC、參考電壓電路以及所有功率、能量、有效值、功率因數及頻率測量的數字信號處理等電路，能夠測量各相以及合相的有功功率、無功功率、有功能量及無功能量，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[6]。

HT7038 支持全數字域的增益、相位校正，即純軟件校表。 有功、無功電能脈沖輸出CF1、CF2 提供瞬時有功、無功功率信息，可直接接到標準表，進行誤差校正。 2 個高頻脈沖輸出CF1/CF2，分別對應全波有功電能、全波無功電能[7]。

HT7038 提供一個SPI 接口， 方便與外部MCU之間進行計量及校表參數的傳遞，SPI 接口的具體規格參見SPI 詳細說明部分， 所有計量參數及校表參數均可通過SPI 接口讀出。HT7038 內置電壓監測電路可以保證上電和斷電時正常工作。 其內部框圖如圖5 所示。

3.2 計量電路設計

計量是電能表最基本的功能，也是要求最高的電路，不僅要計量準確，而且通信的抗干擾能力也要強。 計量電路主要包括四部分，一是電壓采樣電路，二是電流采樣電路，三是通訊電路，四是誤差輸出電路[2]。

圖5 HT7038 內部框圖Fig.5 HT7038 internal structure

HT7038 外圍電路基本設計，VEMU 為計量芯片HT7038 供電如圖6 所示。

圖6 HT7038 外圍電路設計Fig.6 HT7038 peripheral circuit design

電壓采樣電路的每一相采用7 個330 k 的電阻與1 個1.2 k 電阻串聯設計，330 k 的電阻主要是負責分壓，1.2 k 電阻屬于采樣電阻。 采樣分壓電路如圖7 所示。

圖7 采樣分壓電路Fig.7 Sampling divider circuit

電流采樣電路采用了對稱設計，RM1，RM2，RM5，RM6，RM9，RM10 為采樣電阻，如圖8 電流采樣電路所示，保證了輸入采樣電流精確性，同時采樣電阻（精度±0.1%）采用的誤差精度更小。

圖8 電流采樣電路Fig.8 Current sampling circuit

計量通訊協議采用的是SPI 通訊協議， 具體電路設計如圖9 所示。

誤差輸出電路如圖10 所示，包括有功輸出、無功輸出，采用了光耦隔離，保證了計量芯片工作的穩定性，提高了抗干擾性。

4 試驗測試

本文所用的測試臺體采用的是一個高精度的標準源，能夠給電表樣機提供標準電源以及高精度計量源，本次采用的三相電表為中電流電表，即三相電壓U 為220 V，電流為5（60）A。 電表掛臺體測試實物圖如圖11 所示。

圖9 計量通訊電路設計Fig.9 Metering communication circuit design

圖10 誤差輸出電路設計Fig.10 Error output circuit design

圖11 樣機測試環境Fig.11 Prototype test environment

通過臺體校準得到樣機的正向有功誤差，數據如表1 正向有功誤差記錄表所示，Ib=5 A 為參比電流，Imax=60 A 為最大電流，1.0、0.5 L 表示功率因數。

表1 正向有功誤差記錄表Tab.1 Positive active error record

從數據分析中可以得出，本文設計的電能表在各點測試情況下有功誤差均在0.1%以內，滿足國網標準要求（小于0.6%），證明本文的計量模塊設計是合理的。

5 結語

本文給出了基于HT7038 的智能三相表計量模塊設計方案， 介紹了該模塊的整體結構電路設計，并進行了電能表相關誤差分析。 該方案結構簡單、成本低廉，而且電能表計量準確、性能穩定，具有很好的應用價值和市場前景。