计量芯片ADE7758在三相多功能网络电能表中的应用

陈志忠 徐月华

（广东机电职业技术学院机电系）

1 引言

随着我国经济的发展，电力供应已呈现了紧张的局面，尤其在沿海一些人口众多，工业、经济发达的城市尤为严峻。为缓解这一现状，供电部门正大力推广分时计费，多费率等计费模式[1]，因此三相多功能电能表成为电能表领域新的发展趋势和需求热点。

美国模拟器件公司（ADI）推出的电力计量芯片ADE7758具有体积小、精度高、开发方便等特点。该IC内嵌了高精度的模数转换器和固定模式的高速数字信号处理器（DSP），具有数字积分、滤波和众多实用电能监测、计量功能，只需与芯片的接口（SPI）通信便能获取计量结果，大大简化了电力计量应用模块化的设计，有利于提高产品性能，降低产品成本。

2 多功能电能表功能简述

多功能电能表结构如图1所示。该表具有测量三相电源的电压、电流、频率、功率因数、有功功率、

图1 多功能电能表结构图

无功功率等电量参数功能；能分时段记录有功电能、无功电能；具有多种通信接口[2]。

电能表电源由三相电压供给，供电可以采取三相三线或三相四线方式，只要有一相电源供电正常电表就能工作。三相电压经过降压、整流、滤波、稳压等调整电路后，为电能表内各芯片提供适当工作电压。

三相电压、三相电流等电量参数的计量由ADE7758芯片内部的数字信号处理器（DSP）完成。微处理器MCU通过SPI 串行接口读取ADE7758芯片内部的当前电量数据信息，根据当前电量信息及电能表设置要求完成各种复杂数据计算处理。微处理器MCU将处理结果送LCD 显示，通过RS485总线、Pyxos接口、GPRS无线网络等接口模块[3]，以完成三相多功能电能表的各种功能。

3 三相多功能电能表关键技术设计

3.1 计量芯片ADE7758概述

计量芯片ADE7758的基本特性如下：

(1) 精度高：常温下，有功电能误差< 0.1%。

(2) 采集数据：有功/无功/视在功率，电压、电流有效值，采样波形数据等。

(3) 2组脉冲输出：有功功率、无功或视在功率。

(4) 兼容三相/三线，三相/四线等接线方式。

3.2 计量芯片ADE7758的引脚功能及硬件设计要点

如图2所示，三相电压、三相电流经过互感器和调理电路后，输入到计量芯片ADE7758 的三相电压、电流采集端。ADE7758芯片内部的数字信号处理器（DSP）对采集三相电压、电流数据进行计算处理，并转换为有功功率、无功功率、视在功率、无功功率等电量信息，这些电量信息由微处理器MCU通过SPI串行接口读取。

图2 计量芯片ADE7758的典型外围应用电路图

(1) 电源部分[4]

引脚：数字地端 DGND(2)、数字电源端DVDD(3) 、模拟地端AGND (11) 、模拟电源端(4) 。

ADE7758芯片的数字、模拟电路部分供电是独立的。电源电压应维持在5V±5%，用一个10uF的电容和一个100nF的瓷片电容并联耦合。当使用同一个5V电源供电时，可采用电感进行分隔。模拟地端为内部ADCS、温度敏感元件、参考电压端等部分的参考地端，该引脚应该连接到系统的标准模拟地或干扰最小的接地点。干扰最小的接地参考点应该跟所有的模拟电路相连。为了减少ADE7758芯片地端的噪声，模拟地端和数字地端应该只用一个点来连接。也可以把整个器件都安放在模拟接地面上。

(2) 基准电压

REFIN/OUT(2)：基准电压。ADE7758片内具有基准电压，标称值为2.42 V。可以使用外部基准电压与该引脚相连。无论是否要连接外部基准电压，该引脚都应该用一个1uF的瓷片电容跟AGND连接耦合。

(3) 电流输入通道

引脚：A相电流IAP(5)、IAN(6)；B相电流IBP(7)、IBN(8)；C 相电流 ICP(9)、ICN(10)。

电流输入通道为全差动电压输入，应用时要注意电流输入的极性，否则会造成功率计算错误。根据内部放大器的增益选择来设定输入差动电压的最大值，最大差动输入可选择±0.5V、±0.25V、±0.125V。

三相多功能电能表的电流输入通道一般采用电流互感器(CT)进行隔离转换，常用互感器电流规格为1.5A/6A。对于大电流用户，采用外接一次互感器，按标准其电流输出为5A。

(4) 电压输入通道

引脚：A相电压VAP(16)；B相电压VBP(15)；C相电压VCP(14)；零线VN(13 )。

电压输入通为单端电压输入，最大信号电压±0.5V（相对于 VN端）。可以通过内部寄存器 PGA选择输入信号最大值为±0.5V、±0.25V、±0.125V 。

三相多功能电能表的电压输入通道可以采用电压互感器(PT)进行隔离转换，也可以采用采用电阻网络分压方式。电阻网络分压方式可以降低产品的成本，但存在电表与三相交流电不隔离的问题。

(5) SPI总线接口及中断

引脚：片选信号CS(21)；SPI串行接口的数据输入端DIN(22)；SPI串行接口的时钟输入端SCLK(23)；SPI串行接口的数据输出端 DOUT(24)；中断请求输出IRQ(18) 。

当IRQ 输出变为低电平时，微处理器MCU 的ISR 必须对中断状态寄存器进行读操作，以确定中断源。在对状态寄存器的内容进行读操作时，IRQ 的输出在第一个字节传送的最后一个 SCLK 下降沿上被设定为高电平(对中断状态寄存器读出的命令)。直到下一次8 位传送的最后一位(中断状态寄存器的内容)被移出之前，IRQ 输出都保持高电平，若这时中断尚未决定，则 IRQ 输出将再次变为低电平。若没有任何中断处于等待状态，则IRQ 输出将保持高电平。

(6) 其他引脚

APCF(1)：有功功率校正频率逻辑输出引脚。

VARCF(17)：无功功率校准频率逻辑输出。

CLKIN(19)、CLKOUT(20)：数字信号处理时钟。

3.3 Pyxos FT嵌入式控制网络功能及硬件设计

多功能电能表通信网络接口一般采用 RS485接口方式。RS485接口简单，但存在通信协议不标准的问题。采用Pyxos嵌入式控制网是一个有效解决方案。

Pyxos FT平台是美国埃施朗公司的最新一代嵌入式控制网络平台。该平台是一种I/O网络技术，应用在控制器和相关的I/O之间。I/O总线传输的数据通常只直接供控制器使用，使用简单的控制策略，避免使用分离的I/O布线。

Pyxos FT平台特性[5]：网络传输速率高（312.5kb/s），响应时间短（≤25ms/32节点），网络自组织安装，不需要特殊工具。支持在同一对通信双绞线上连接电源，通信信道供电，无极性。总线连接可达400米，自由拓扑连接可达100米。低成本，体积小（5mm×5mm），非常适于嵌入到各种各样的设备中。使用和LonWorks网络共享的数据类型，因此Pyxos 节点和LonWorks设备能够无缝地集成。微处理器MCU通过SPI总线接口，可以读取Pyxos数据。微处理器MCU与Pyxos芯片连接如图3所示。

图3 Pyxos控制网络外围应用电路图

4 系统软件

系统软件包括系统初始化、时间读取与时段判断程序、电力参数计算、通信命令处理、产生各种历史及报警记录、显示状态等模块组成。软件流程如图4。

其中读电能参数及计算模块将完成电力参数滤波、电力参数计算以及电能累加功能。系统实时读取ADE7758芯片内部存储的各相有功电能、无功电能、电压有效值和频率原始值，经过滤波处理，获得正确的电力参数，并通过计算公式完成三相电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数、频率等测量。

图4 电力参数测控系统软件流程

5 系统应用

利用网络电能表组成的校园楼宇供电管理系统如下图5所示。由电流互感器、网络电能表、红外探测器、门磁、LonWorks控制器（DDC）、i.Lon网关等组成。对配电房三相电源的电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数、配电柜开关分合状态等多种参数进行监视查询。对教室供电实行“有人供电，无人断电”处理。对校园公共照明按时间、亮度进行控制。结合系统管理软件实现智能化管理。

图5 楼宇供电管理系统

该系统自09年4月运行以来，经过测试和数据分析，具有性能稳定、成本低、功能完善等优点。

6 结束语

该系统采用了ADE7758芯片，大大地减少的软件中的计算工作，而且提高了系统的测量精度。Pyxos嵌入式控制网络技术为电能表实现网络化测控提供了很好的技术平台。Pyxos能无缝地和 GB/Z 20177 LonWorks网络以及互联网连接在一起，适合各种应用的要求。因此，多功能网络电能表的研究具有较好的推广应用价值。

[1]张晓东,屈百达. 基于ADE7758的复费率三相电能表设计.电子技术[M],2008,45(1):28～31

[2]王翠青,陈未如,任子真.基于ATmega 128L和ADE7758的电子式多功能电能表的设计与实现[J].沈阳化工学院学报,2008,21(1): 81～84

[3]黄聚永,袁慧梅,张志忠.基于ADE7758芯片的GPRS网络电能表的设计与实现[J].微计算机信息,2007(1):166～167

[4]Analog Device Inc.Poly Phase Multifunction Energy Metering IC.http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/A DE7758.pdf,2008-10

[5]Echelon Corporation.Pyxos FT Chip Data Book.http://www.echelon.com/support/documentation/manuals/transceivers/005-0188-01A.pdf,2007-1