基于PD78F0485单片机和ATT7026电能计量芯片的电力智能仪表设计

徐国明 曹 达 周 乾

（浙江涵普电力科技有限公司，浙江 海盐 314300）

随着科学技术的不断发展，液晶以其驱动电压低、功耗小、可靠性高、显示信息量大、无闪烁、对人体无危害等特点，得到了越来越广泛的运用，液晶电视、液晶计算机、液晶手机等，到处都有液晶的身影。而在电力行业中，液晶在各种仪表上的运用也日趋广泛，正越来越多地替代传统数码管显示的仪表。

但随之而来的问题是成本的升高，毕竟液晶的价格相对数码管来说要高出不少。因此除了降低液晶价格外，还需要在设计方案时进一步降低成本。

另外随着电力电子技术的不断发展，专用计量芯片以其精度高，功能强大等特点，得到了越来越多的应用。

1 液晶显示方案

本设计在显示上本设计中采用了一块5V 供电的三行段码液晶，由于瑞萨PD78F0485 单片机也可以使用5V 电源，因此两者共用一个5V 电源。

在瑞萨PD78F0485 单片机中，本身配置有一个LCD 控制器/驱动器。可以实现以下功能：

1）LCD 驱动器电压发生器可以切换外部电阻分压和内部电阻分压；

2）基于自动读取存储器显示数据，自动输出Segment 和公共端信号。

3）共有6 种不同的显示模式

* 静态

* 1/2 占空比（1/2 偏压）

* 1/3 占空比（1/2 偏压）

* 1/3 占空比（1/3 偏压）

* 1/4 占空比（1/3 偏压）

* 1/8 占空比（1/4 偏压）

4）每种显示模式都有6 种不同的帧频率。

5）最大支持40 个Segment 信号和8 个公共端信号输出。

可见这个LCD 控制器/驱动器的功能很完善，完全能满足常用段码液晶的显示要求。因此不用再额外增加专用的液晶驱动芯片，降低了成本。

本方案中，显示模式采用了1/4 偏压方式，而LCD 驱动器电压发生器则采用了外部电阻分压。

LCD 驱动器电压发生器可以通过调节外部电阻分压来调节液晶的对比度。在外部电阻分压时，一共需要使用5 个电阻进行分压，以得到4 种不同的分压值，分别输入到PD78F0485 的VLC0、VLC1、VLC2 和VLC3 四个LCD 驱动电压管脚中。

在本设计中，经过对液晶的实际调试，最终采用了4 个10kΩ电阻和一个0Ω的电阻，使得VLC0、VLC1、VLC2 和VLC3 的电压分别为：5V、3.75V、2.5V 和1.25V。分压电路如图1所示。

图1 LCD 驱动分压电路

LCD 控制器/驱动器进入工作后，可以自动读取存储器显示数据，自动输出Segment 和公共端信号。当对应的公共端和segment 信号之间的电位差大于LCD 驱动电压时，液晶对应像素就被打开了。

液晶上的公共端信号和Segment 信号如果单纯使用DC 电压，会导致性能衰退，为避免这个问题，PD78F0485 单片机使用了AC 电压来驱动液晶，以延长液晶的寿命。

2 信号采样和A/D 转换

为了降低仪表的生产成本，本设计中的电压采样方式采用电阻分压方式。在电流采样上，采用了电流互感器方式。CT 二次电流建议为毫安级。

在电量数据的计算处理上，本设计选用一片ATT7026 电能计量芯片，由其完成A/D 转换过程。

ATT7026 是一块高精度三相电能专用计量芯片，可测量功率、有功电能、无功电能，以及三相电压电流有效值、功率因数、相角、频率等参数，充分满足智能仪表的要求。

ATT7026 提供了一个SPI 通信接口，本设计中PD78F0485 单片机正是通过这个接口，实现和ATT7026 进行计量参数以及校表参数的数据交换。

单片机通过与电能计量芯片通信读取的电量和电能数据，经过适当处理即可送显示。

这样既可以减轻单片机PD78F0485 的任务，又能提高测量和计量的精度，而且也降低了软件开发难度，特别是电能计量部分，并进一步降低了 成本。

3 Modbus 协议和Profibu 协议通信

此设计的智能仪表在通信上支持Modbus-RTU和Profibus-DP 两种通信协议。

Modbus-RTU 协议在国内应用非常广泛，通信规约也较简单。此设计将PD78F0485 单片机中的UART0 串行口用于Modbus 协议的通信功能。由于现场常用的是RS485 传输方式，因此采用MAX485芯片用于电平信号的转换，并且用光耦将CPU 的信号隔离开，并增加一路5V 隔离电源为光耦和485芯片供电，以提高通信的稳定性。

近几年来，Profibus 总线脱颖而出，Profibus 产品逐渐占据工业自动化生产的主流，得到了越来越广泛的应用，因此有必要为电力智能仪表配置Profibus-DP 协议的通信接口。

为了实现Profibus 协议的转换，此设计选用了VPC3+C 通信协议芯片。VPC3+C 是德国Profichip公司生产的智能从站通信协议芯片，带有8 位微处理器接口，集成有全部Profibus-DP 协议，自动识别和支持可达12Mbit/s 的数据传输率。该芯片可工作于3.3V 或5V 电压，与单片机通信时，不必考虑电压转换问题。相比西门子的SPC3 芯片，VPC3+C芯片价格上更低，可以降低成本。

在硬件上，单片机可通过8 条数据线与8 条数据线与VPC3+C 芯片连接，实现并行数据交换。VPC3+C 协议芯片在通信过程中主要用于Profibus- DP 协议的转换。

为了保证数据传输的实时性，要求现场总线的接口能以12Mbit/s 的速度进行数据通信，因此需要选用高速的RS485 芯片。本设计选用Profibus 接口专用芯片AMD2486，ADM2486 是ADI 公司生产的半双工、隔离RS-485 收发器。其内部含有保护隔离电路，不必额外增加光耦，简化了硬件电路的布线，提高了通信的稳定性。

VPC3+C 协议芯片应用原理框图如图2所示。

图2 协议转换原理图

对VPC3+C 协议芯片进行软件开发时，主要是控制VPC3+C 芯片和处理各种中断和用户数据，只要了解Profibus 协议相关内容，特别是基本概念、基本术语以及VPC3+C 芯片的技术内容，即能自己编写程序了。另外Profibus-DP 通信时，需要编写一个设备描述文件（即GSD 文件），里面包括从站地址、交换数据的种类及数量等信息，以GSD 结尾，通信前需要载入PLC 等主站设备。这些信息必须正确，否则无法与主站正常通信。

通过使用VPC3+C 协议芯片，可以有效降低项目开发难度，缩短开发时间，降低了成本。

4 测试结果

这里例举的测试结果包括A 相电压、A 相电流，总有功功率和有功电能，误差均为引用误差。试验结果如表1至表4所示。

表1 电压测试结果（额定电压220V）

表2 电流测试结果（额定电流5A）

表3 总有功功率测试结果（额定电压220V、额定电流5A）

表4 有功电能测试结果（额定电压220V、额定电流5A）

（续）

5 结论

经测试证明，本设计在降低了开发难度和仪表成本的同时，也保证了仪表的性能和可靠性，可以应用于对电力监控和电力安全有较高要求、需要电能内部计量考核的场所，如变电站自动化、配电网自动化、工业自动化、配电型配电盘、开关柜、小区电力监控和智能建筑等场合。

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