摘要：用SPI總線將ADE77xx專用芯片和單片微機(jī)組合成的多功能數(shù)字式電度表，其精度高、可靠性好，用作峰谷用電、分時(shí)計(jì)費(fèi)的計(jì)量?jī)x表，應(yīng)大力推廣。
關(guān)鍵詞：SPI總線 ADE77xx芯片峰谷用電 分時(shí)計(jì)費(fèi)
引言
我國(guó)經(jīng)過(guò)二十多年的改革開(kāi)放和技術(shù)引進(jìn)，在高技術(shù)方面已與國(guó)外縮小了不少差距，但能源利用效率，尤其是電能的綜合利用率仍然差距較大。“十一五”規(guī)劃提出了達(dá)到同一GDP增長(zhǎng)率需節(jié)能20％的奮斗目標(biāo)，以科學(xué)的發(fā)展觀，創(chuàng)新、節(jié)能、環(huán)保是當(dāng)前技術(shù)革命的三大重點(diǎn)。
我國(guó)是能源消耗大國(guó)，而能源又十分缺乏，它極大地制約了我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的健康、快速、持續(xù)發(fā)展，因此一方面要大力尋找新能源，如風(fēng)能、核能、太陽(yáng)能，同時(shí)又要大力節(jié)約能源。
用SPI總線把ADE77xx系列專用電能計(jì)測(cè)芯片如表1所示和單片微機(jī)組合而成的多功能、峰谷用電，分時(shí)計(jì)費(fèi)的電度表是目前的主流，應(yīng)大力推廣。
筆者曾用SPI總線[1]把ADE7758[2]和MCU組成多功能——峰谷用電、分時(shí)計(jì)費(fèi)電度表，下面就研制過(guò)程中的一些關(guān)鍵問(wèn)題作一簡(jiǎn)要介紹，與同行商榷。
1 電度表工作原理
1.1 原理框圖
電度表主要有信號(hào)采集傳感器和電壓、電流取樣電路、ADE77xx計(jì)量芯片和電能脈沖輸出驅(qū)動(dòng)電路、MCU單片微機(jī)、外擴(kuò)鐵電E2PROM、晶體和時(shí)鐘電路、128×64點(diǎn)陣LCD、RS485及隔離驅(qū)動(dòng)串行接口、開(kāi)關(guān)量輸出、4~20mA模擬量輸出、鍵盤接口等組成。ADE7758、E2PROM、RTC等3種芯片與MCU之間用SPI總線、CS片選和不同中斷引線連接成系統(tǒng)。上述系統(tǒng)較容易實(shí)現(xiàn)0.5級(jí)多功能電度表。
圖1 電度表原理框圖
1.2 三相電壓、三相電流取樣電路
電壓取樣采用玻膜合金制成的微型電壓型電流互感器（PT），其變比為2mA/2mA，在電壓動(dòng)態(tài)范圍為（50～200）％Un（Un為額定電壓，AC220或AC380）時(shí)其比差非線性度為±0.1％，角差非線性度為±5角分。負(fù)載阻抗≤300Ω。電壓互感器輸出直接與ADE7758相連，單端輸入，電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 電壓采樣電路
當(dāng)輸入電壓為AC220V時(shí)，圖2中R用金屬氧化膜電阻，其溫度系數(shù)應(yīng)選得較小。RL為總的負(fù)載電阻，應(yīng)≤300Ω，～280V時(shí)為滿量程。R1、C1為抗混疊濾波。
當(dāng)輸入電壓為AC380V時(shí)，圖2中電阻R取200 kΩ/2W×2，AC500V滿量程。
電流取樣選用高精度微型電流互感器CT，電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。與ADE7758的連接采用差動(dòng)輸入，以提高抗共模干擾能力。
CT1為0.2級(jí)電力電流互感器，儀表可測(cè)最大電流為7000A，K1（CT1互感器變比，1~1400倍，可根據(jù)主回路電流I1大小選擇K1）為CT1變比，K1=I1/I2，I2一般取5A，根據(jù)用戶需要也可選1A或其他電流。
CT2為玻膜合金制成的微型電流互感器，K2（CT2的變比）一般取5A/5mA（為1000倍），原邊輸入電流(I2)的5％～120％(250mA～6A)范圍內(nèi)比差非線度為±0.1％，負(fù)載阻抗
(R)≤100Ω，角差非線度±5角分。R取值與ADE7758輸入量程有關(guān)。
圖3 電流采樣電路
1.3 ADE7758專用芯片
ADE7758具有6路24位Σ—ΔADC，采樣速率最高為26kSPS，三路電流采樣為差動(dòng)輸入，抗共模干擾能力較強(qiáng)，三路電壓采樣為單端輸入。電壓和電流信號(hào)最大輸入為±0.5V，±0.25V，±0.125V，可編程增益控制。AD具有內(nèi)部基準(zhǔn)參考電壓，若電度表的測(cè)量精度高于0.5級(jí)（如需制造0.2級(jí)，0.1級(jí)）時(shí)建議使用AD公司的高精度電壓基準(zhǔn)芯片（如ADR441B；2.500V±1mV，3PPm/℃）。
① 支持有功/無(wú)功/視在功率、電壓有效值、電流有效值和采樣波形數(shù)據(jù)以及功功率的感性和容性。
② 有功能量測(cè)量精度在動(dòng)態(tài)范圍1～1000、＠25℃條件下測(cè)試，高于±0.1％。
③ 二路脈沖輸出，一路有功功率，另一路可編程無(wú)功功率或視在功率輸出。
④ 功率、相位、rms可補(bǔ)償校正。
⑤ 片內(nèi)可編程欠電壓門檻和過(guò)電壓檢測(cè)。
⑥ 過(guò)電流檢測(cè)和峰值電流檢測(cè)。
⑦ 電壓過(guò)零檢測(cè)周期或頻率；
⑧ 相序檢測(cè)和相位補(bǔ)償，電源電壓監(jiān)視；
⑨ 內(nèi)部具有硬件電路的“加，乘，平方，開(kāi)方，積分，低通濾波，高通濾波，補(bǔ)償校正等運(yùn)算。
⑩ SPI接口＋中斷（IRQ）輸出與CPU接口，SPI接口中有數(shù)據(jù)輸入（DIN），數(shù)據(jù)輸出（DOUT）、時(shí)鐘（SCLK）和片選（CS）等4個(gè)引腳，一個(gè)中斷（IRQ）輸出引腳。
11 具有中斷屏蔽寄存器和中斷標(biāo)志位寄存器，當(dāng)相應(yīng)屏蔽位打開(kāi)，相應(yīng)功能完成時(shí)即產(chǎn)生中斷，并將對(duì)應(yīng)的中斷標(biāo)志位置“1”，向CPU發(fā)出中斷請(qǐng)求，當(dāng)CPU響應(yīng)中斷后即可讀取ADE7758相應(yīng)功能寄存器中的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)讀取后，由CPU進(jìn)行處理并清除ADE7758中的中斷標(biāo)志位。
中斷源共有19種；
功率累計(jì)積分達(dá)到寄存器滿量程的一半時(shí)產(chǎn)生中斷，含有功、無(wú)功、視在功率；
A、B、C三相中任一相電壓低于欠電壓溫度閥值時(shí)產(chǎn)生中斷；
A、B、C三相中任一相電壓過(guò)零超時(shí)，相當(dāng)于頻率失調(diào)時(shí)產(chǎn)生中斷；
A、B、C三相中每相電壓過(guò)零點(diǎn)時(shí)產(chǎn)生中斷，用于測(cè)量頻率或周期；
能量累加寄存器半周期積分結(jié)束時(shí)產(chǎn)生中斷；可讀取電能；
電壓或電流峰值超過(guò)時(shí)產(chǎn)生中斷，用于過(guò)壓檢測(cè)和過(guò)流檢測(cè)；
波形寄存器中出現(xiàn)數(shù)據(jù)時(shí)產(chǎn)生中斷；
有功電能符號(hào)改變時(shí)（發(fā)電/受電變化時(shí)）產(chǎn)生中斷；
無(wú)功電能符號(hào)改變時(shí)（感性/容性無(wú)功電能）產(chǎn)生中斷；
三相相序錯(cuò)時(shí)產(chǎn)生中斷。
對(duì)ADE7758使用時(shí)采用中斷后讀數(shù)同步性較好，該芯片在完成某項(xiàng)功能或檢測(cè)異常時(shí)才產(chǎn)生中斷，中斷產(chǎn)生時(shí)，相應(yīng)寄存器中的數(shù)據(jù)已經(jīng)就緒，不宜采用CPU定時(shí)讀取ADE7758
寄存器中存放的數(shù)據(jù)，前者是同步讀數(shù)，后者是異步讀數(shù)。如要提高測(cè)量精度，建議使用外接高精度基準(zhǔn)電壓芯片。
1.4 SPI總線
SPI總線是一種高速同步串行總線，兩個(gè)芯片之間的數(shù)據(jù)速率可達(dá)幾兆bps。我們用5Mbps傳送。ADE7758與CPU之間有3個(gè)引腳，由于傳送速率較高，因而二芯片必須靠近，只能布置在一塊印制板內(nèi)，故名“板內(nèi)總線”，且數(shù)據(jù)線、時(shí)鐘線之間最好用地線隔開(kāi)，避免線間串?dāng)_。其原理框圖如圖4所示。
圖4 SPI總線原理圖
圖4中：SDI為輸入數(shù)據(jù)線；SDO為輸出數(shù)據(jù)線；SCK為時(shí)鐘線，主控制器發(fā)送時(shí)鐘，從控制器接收時(shí)鐘。MICROCHIP公司的PIC（CPU）芯片，SPI總線和I2C總線引腳共用，初始化程序中要預(yù)置成用于SPI總線功能。FREESCALE公司的CPU中SPI和I2C引腳是分開(kāi)的。SPI總線數(shù)據(jù)傳輸時(shí)一般用中斷方式，一個(gè)字節(jié)中斷一次，故數(shù)據(jù)率較高，也可在一幀數(shù)據(jù)傳送的第一字節(jié)產(chǎn)生中斷，后續(xù)字節(jié)傳送用查詢。
使用SPI總線要注意的是數(shù)據(jù)傳送速率與印制板布線兩個(gè)問(wèn)題。
2 實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)與峰谷用電、分時(shí)計(jì)費(fèi)
用SPI總線、ADE7758專用芯片、CPU組成的多功能電度表，容易達(dá)到0.5級(jí)精度，但電能計(jì)量的精度與實(shí)時(shí)時(shí)鐘的溫度穩(wěn)定性和時(shí)間穩(wěn)定性有密切關(guān)系，選擇內(nèi)置晶體的RTC價(jià)格較貴，若晶體外置則要考慮晶體的穩(wěn)定性或采取必要的溫度補(bǔ)償措施。
這種多功能三相智能電表，通過(guò)鍵盤設(shè)定，LCD顯示，人—機(jī)界面友好，容易實(shí)現(xiàn)峰谷用電，分時(shí)計(jì)費(fèi)，適用于智能成套開(kāi)關(guān)柜和各種工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國(guó)防的三相電度計(jì)量、收費(fèi)。
3 結(jié)束語(yǔ)
ADE7758計(jì)量芯片與8位或16位單片微機(jī)組合成三相多功能電度表，容易實(shí)現(xiàn)0.5級(jí)的高精度，若使用0.1％線性度的電壓互感器和電流互感器、具有溫度修正的RTC可實(shí)現(xiàn)0.2級(jí)精度。
這類電度表精度高，可靠性好，使用鍵盤設(shè)定和LCD（128×64點(diǎn)陣）顯示，漢字提示，界面友好，同時(shí)具有聯(lián)網(wǎng)功能和電能脈沖輸出，給用戶帶來(lái)極大的方便，在具有現(xiàn)場(chǎng)總線局域網(wǎng)的智能成套柜中，可直接將各種數(shù)據(jù)上傳給中央控制室。
這種電表具有峰谷用電、分時(shí)計(jì)費(fèi)功能，24小時(shí)內(nèi)可分8小時(shí)段計(jì)費(fèi)，可節(jié)約用電、平衡用電，提高電能的使用效率，符合我國(guó)節(jié)能降耗的國(guó)策，應(yīng)大力推廣使用。
ADE7758是AD公司1999年推出的芯片，06年又推出ADE7762，ADE7752B三相電能計(jì)算芯片；單相電度表也推出ADE71XX系列（具有防竊電功能）和ADE75XX系列，且將計(jì)量芯片與MCU（8052核心）組合成一個(gè)芯片，其造價(jià)更低，性能更好。我們應(yīng)利用這類芯片，開(kāi)發(fā)出價(jià)廉物美的智能型電度表。
參考文獻(xiàn)
1 High Performance,Enhanced Flash Microcontrellers With 10-Bit A/D PIC18FXXX PIC micro 18FXXXX MCU系列參考手冊(cè).
2 Analug Device,Inc ADE7758 Poly Phase Multi-Function Energy Metering IC With Per Phase information.
王成多，男，1940年生，1965年畢業(yè)于浙江大學(xué)，一直從事計(jì)算機(jī)應(yīng)用、智能電器、數(shù)字儀表、現(xiàn)場(chǎng)總線局域網(wǎng)的開(kāi)發(fā)研究。
