智能三相表计量模块设计及实现

张俊婷，纪志坚

（青岛大学 自动化学院，青岛266071）

在国家一带一路政策发展鼓励下，电网等企业逐步走向世界，与世界接轨，这对智能电能表的要求更加严格，尤其是对电能表的准确计量性[1]。传统的电能表计量误差偏大、不准确，这将严重影响电网企业等的利益；其次是计量模块运行时抗干扰能力差，通讯能力差[2]。本文采用的计量芯片HT7038 计量更加准确，抗干扰能力强，功耗低，而且集成了其他功能，如用电信息存储和处理、信息交互、实时监控等功能[5]。

1 电源单元设计及介绍

1.1 电源芯片HT7540 简介

HT7540 是合泰的一款三端低功耗电源芯片，输出电流可达到100 mA，允许输入的电压高达30 V。内部结构如图1 所示[3]。

图1 HT7540 内部结构图Fig.1 HT7540 internal structure

这款芯片具体优点概括如下[4]：①低功耗；②低压降；③较低的温度系数；④高输入电压（高达30 V）；⑤静态电流1 μA；⑥大电流输出：100 mA；⑦输出电压精度：±2%

1.2 电源电路设计

电源的设计需保证电表能在断电的情况下，数据不丢失。 本文的电源设计充分的考虑到了这一点，采用了双电池供电，具体电路设计如图2 所示。

外部电源供电+12 V， 电源输入经过电解电容EP1、电容CP1 和电容CP3 滤波之后，再经过稳压芯片UP1 输出，经过滤波电容CP2，得到+4 V 电压，在经过二极管DP2 降压得到+3.3 V 电压，为计量芯片和MCU 提供电源[6]。 二极管DP1 的作用主要是当外部有电时，不受外部电源影响，能够保证电池的安全可靠性能。 QP1 是三极管， 选用的是MMBT2907A，主要起到开关的作用[7]。

图2 电源电路设计Fig.2 Power circuit design

BAT1 电池是6 V，也称为抄表电池，确保在断电的情况下，电表的基本功能能正常运行。 BAT2 电池是3.6 V，也称为时钟电池，保证在最极端状况下（外部无电源且抄表电池无电压）HT6025 芯片内部时钟准确，确保芯片内部记录的数据不丢失，具有数据断电保护作用。 其余两路分别为电池检测电路。

2 MCU 主控单元设计

2.1 主控芯片HT6025 简介

本文采用的是钜泉光电的主控芯片HT6025，HT6025 芯片是多功能、高性能、低功耗单相智能电表专用256 K 的MCU 芯片， 内部集成了Cortex-M0处理器、时钟管理、电源管理、硬件自动温度补偿RTC、PLL、高频RC、低频RC、LCD 驱动等单元，以及NVIC 和DEBUG 调试功能[8]。 其中，支持每秒补偿机制的RTC 单元，芯片以32.768 kHz 晶振时钟源作为RTC 时钟源，通过芯片内部集成的时钟自动数字补偿单元， 在无需其软件参与的情况下， 实现RTC 的自动补偿[9]。 其内部框图如图3 所示。

图3 HT6025 内部框图Fig.3 HT6025 internal block diagram

主要性能如下[9]：①工作电压范围为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 最高工作频率达到44 M；④两路硬件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独立的RTC 供电引脚， 在芯片内除RTC 模块之外的所有模块不供电的情况下，RTC 模块仍然可以保持独立工作。

2.2 主控单元外围电路设计

HT6025 的JTAG 调试硬件接口是TI 标准14Pin接口，ICP 接口是下载口，其中TMS、TCK、TDI、TDO，分别为测试模式选择、测试时钟、测试数据输入和测试数据输出，需要+3.3 V 外接电源输入[10]。XA1 是32768 Hz 的外部晶振， 为HT6026 提供时钟信号。LVDIN 引脚是外部电压检测引脚，当供电电压低于或高于1.21 V 时产生中断信号。DA1 是一个稳压二极管，主要是钳位保护作用，钳位电压在2.7 V 左右。复位引脚RESET 经电容CA4 接地，CLKOUT 引脚、RX4 引脚和TX4 连接RS485 通信芯片[4]，HT6025的外围电路设计如图4 所示。

图4 HT6025 外围电路设计Fig.4 HT6025 peripheral circuit design

3 计量单元设计

3.1 计量芯片HT7038 简介

HT7038 系列多功能高精度三相电能专用计量芯片，适用于三相三线和三相四线应用。 HT7038 集成了6 路二阶sigma-delta ADC、参考电压电路以及所有功率、能量、有效值、功率因数及频率测量的数字信号处理等电路，能够测量各相以及合相的有功功率、无功功率、有功能量及无功能量，同时还能测量各相电流、电压有效值、功率因数、相角、频率等参数，充分满足三相复费率多功能电能表的需求[6]。

HT7038 支持全数字域的增益、相位校正，即纯软件校表。 有功、无功电能脉冲输出CF1、CF2 提供瞬时有功、无功功率信息，可直接接到标准表，进行误差校正。 2 个高频脉冲输出CF1/CF2，分别对应全波有功电能、全波无功电能[7]。

HT7038 提供一个SPI 接口， 方便与外部MCU之间进行计量及校表参数的传递，SPI 接口的具体规格参见SPI 详细说明部分， 所有计量参数及校表参数均可通过SPI 接口读出。HT7038 内置电压监测电路可以保证上电和断电时正常工作。 其内部框图如图5 所示。

3.2 计量电路设计

计量是电能表最基本的功能，也是要求最高的电路，不仅要计量准确，而且通信的抗干扰能力也要强。 计量电路主要包括四部分，一是电压采样电路，二是电流采样电路，三是通讯电路，四是误差输出电路[2]。

图5 HT7038 内部框图Fig.5 HT7038 internal structure

HT7038 外围电路基本设计，VEMU 为计量芯片HT7038 供电如图6 所示。

图6 HT7038 外围电路设计Fig.6 HT7038 peripheral circuit design

电压采样电路的每一相采用7 个330 k 的电阻与1 个1.2 k 电阻串联设计，330 k 的电阻主要是负责分压，1.2 k 电阻属于采样电阻。 采样分压电路如图7 所示。

图7 采样分压电路Fig.7 Sampling divider circuit

电流采样电路采用了对称设计，RM1，RM2，RM5，RM6，RM9，RM10 为采样电阻，如图8 电流采样电路所示，保证了输入采样电流精确性，同时采样电阻（精度±0.1%）采用的误差精度更小。

图8 电流采样电路Fig.8 Current sampling circuit

计量通讯协议采用的是SPI 通讯协议， 具体电路设计如图9 所示。

误差输出电路如图10 所示，包括有功输出、无功输出，采用了光耦隔离，保证了计量芯片工作的稳定性，提高了抗干扰性。

4 试验测试

本文所用的测试台体采用的是一个高精度的标准源，能够给电表样机提供标准电源以及高精度计量源，本次采用的三相电表为中电流电表，即三相电压U 为220 V，电流为5（60）A。 电表挂台体测试实物图如图11 所示。

图9 计量通讯电路设计Fig.9 Metering communication circuit design

图10 误差输出电路设计Fig.10 Error output circuit design

图11 样机测试环境Fig.11 Prototype test environment

通过台体校准得到样机的正向有功误差，数据如表1 正向有功误差记录表所示，Ib=5 A 为参比电流，Imax=60 A 为最大电流，1.0、0.5 L 表示功率因数。

表1 正向有功误差记录表Tab.1 Positive active error record

从数据分析中可以得出，本文设计的电能表在各点测试情况下有功误差均在0.1%以内，满足国网标准要求（小于0.6%），证明本文的计量模块设计是合理的。

5 结语

本文给出了基于HT7038 的智能三相表计量模块设计方案， 介绍了该模块的整体结构电路设计，并进行了电能表相关误差分析。 该方案结构简单、成本低廉，而且电能表计量准确、性能稳定，具有很好的应用价值和市场前景。