基于计量芯片ADE7758的三相多功能电表设计

2012-06-22杜欣慧

电气技术 2012年2期

杜欣慧王茜

（太原理工大学电气与动力工程学院，太原 030024）

随着我国经济的发展，电力供应呈现紧张局面，尤其在沿海地区，工业、经济发达的城市尤为严峻，对电能计量的要求也逐步升高。电子技术和计算机的高速更新改变了当前社会，也使电表的设计有了突破性的变化，目前对电表的要求已经不再是简单的数值计量，而是集合了计量、管理、自动抄表于一体的高科技新技术产品。贴片式电子元器件及大规模集成电路的采用，使得电表自身寿命及准确度均有极大提高。美国AD公司生产的电能测量集成电路ADE7758，体积小且动态范围可达1000:1，具有数字积分、数字滤波和众多实用电能检测、计量等功能。研发者仅仅只需要将此芯片与MCU做SPI通信即可获得相应的计量数据，并且勿需人为干预，大大减轻了设计人员的负担，更有利于性能的提高，成本的降低。配合现有的通信技术便足以实现多种应用功能，如自动抄表、实时电价、分时电价、预付费等。

论文采用芯片ADE7758，并配合STC89C52主控，最终完成了电表的硬软件设计。

1 电表整体方案设计及工作原理

1.1 方案设计

本方案所设计的电能表由电气参数检测、STC89C52控制、12864显示、采集数据的存储、信息通信及外部电源等部分组成，框图参考图1所示。检测部分以数字电能表芯片ADE7758为中心，获取有功电量、无功电量、电压、电流、频率等数据，并通过SPI传至MCU。控制部分以STC89C52为核心，配以各种外围芯片，包括实时时钟、存储器AT24C02和高品质液晶12864等，微处理器根据当前的电量信息完成各种参量的计算，并显示在液晶屏上。通信部分采用 RS485半双工通信方式，用于向上位机实时传送数据、编写程序。供电模块出于节能理念，采用高频电源开关，以适应不同电源电压环境。

图1 电表结构框图

1.2 电表工作原理

美国Analog Devices 公司2005年推出的专门用于计量三相电量多功能的 ADE7758芯片是一种具有高精确度的三相电能测量 IC，脉冲输出有两路，串行口一个。ADE7758 集成了数字积分、温度敏感元件、基准参考电压源等，并包含各种必需的信号处理电路，如有功功率、复功率、视在功率、有效值的测量以及数字方式校正系统误差（增益、相位和失调等）。

ADE7758电流采样通过电流互感器实现，电压采样通过分压电阻网络实现。采样信号经信号放大PGA1，PGA2和模数变换ADC转换为对应的数字信号，之后，电流信号经电流通道内的高通滤波器HPF滤除DC分量并且数字积分后，与经相位校正Φ的电压信号相乘，产生瞬时功率。瞬时功率信号经过低通滤波 LPF2后分离出平均功率，平均功率在能量累加器中不断累加，再经数频转换DFC后转换为脉冲输出。STC89C52通过对脉冲计数实现能量的计算。

2 硬件设计及相应注意问题

2.1 采集电路的设计方法

ADE7758有六路模拟信号输入，可分为电流通路和电压通道，如图2所示。电流通道有3对差分电压输入，分别是 IAP，IAN；IBP，IBN；ICP，ICN。通过 3个电流通道的最大信号电压为±0.5V。ADE7758具有的单端电压输入通道为三路，分别是VAP、VBP和VCP。输入电压变化范围最大值同样是±0.5V。因此数据采集电路包括电流和电压两个采集模块。

以A相模拟通道为例，电压信号首先经过两个电阻构成的衰减网络衰减，再经RC滤波送至VAP端子，两个倒置的二极管构成保护电路。由R1、R2构成的衰减网络设计其拐角频率为 3dB，用以与后面的 RC网络匹配。电流互感器 CT出来的电流信号，经 RC电路（由 R4、C2 、R5构成）做相序的补偿。一般CT会产生0.1～1°的相角误差，使用ADE7758的相位补偿功能进行相位调节（APHCL、BPHCL、CPHCL），可以大大减小相角误差的影响。其他各个相应输入端子的抗混叠滤波网络分别由R3，R6、R9、C1、C3、C5构成。数字采样处理中的特有现象是频率混叠。混叠现象产生于两倍的信号最高频率大于采样频率时。混叠会产生假频，并严重影响测量结果。

图2 数据采集接口电路图

2.2 单片机与ADE7758的接口设计

单片机与 ADE7758连接的通信电路如图 3所示。ADE7758的SPI端口由端子 DOUT、SCLK、DIN、CS、IRQ构成。ADE7758与单片机之间经过高速光电耦合进行串口信号的传输，此设计使用光电隔离器 6N137和 TLP421，不仅具有良好的电磁兼容性，而且保证了数据采集、计量的实时性。IRQ为ADE7758的中断申请输出，低电平有效。APCF和 VARCF分别为有功、无功能量脉冲输出端子，可用来实现有功、无功能量的计量。

图3 单片机与ADE7758接口电路

2.3 需要注意的问题

ADE7758没有复位端，当模拟电压低于4V时，内部直接复位。

当 ADE7758与 MCU使用不同电源时，MCU要经常监视7758内部寄存器是否变化，防止电源波动导致7758内部复位，使校准参数发生改变而导致计量错误。

若用PT采样电压信号时，则7758与MCU的管脚可通过1个1kΩ的电阻直接相连；若用电阻分压采样电压信号时，则需通过高速光耦相连。

3 软件设计

软件的变成设计采用嵌套的方法，分为主程序和中断程序两大部分。主程序用于起动软件及各个模块初始化，如图4所示。中断程序用于对各事件进行处理，例如ADE7758响应MCU、按键处理、数据通信处理等。考虑采用嵌套思想，在编程时需注意层次关系及子程序是否跨区。

图4 主程序框图

实现ADE7758的所有功能，可采用读写片上寄存器，即ADE7758的各种设定和操作主要是对其众多寄存器的读和写。在读、写每个寄存器时，首先要执行一个写通信的操作，然后数据开始传输。电能表的测控命令和测量信息可经多种方式与MCU通信。MCU完成对 ADE7758的配置，包括工作模式、测量模式、波形采样模式、值偏差补偿量和中断模式等。

ADE7758是通过中断方式与MCU进行数据交换。根据不同中断产生响应信号，并将标志位置1，IRQ引脚输出从高电平变为低电平，MCU检测到相应引脚跳变信号后开始中断处理。此中断源主要有电压、电流过零，电压电流过大，断相错误等电网出现异常的情况。

在分时段计量时，选取一时间段，比如，此时段属于用电高峰期，电力公司为缓解用电高峰，达到削峰填谷的目的，可制定此时电价稍高于平时。程序设计中，通过两个变量flag1和flag2来保存时间参数，令flag1为选定时间段17:30-19:30内的标志，而flag2为其他时间段。采用T0中断方式进行有功电量参数的累加计量。程序框图设计参见图5。