陳志忠 徐月華

（廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電系）

1 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，電力供應(yīng)已呈現(xiàn)了緊張的局面，尤其在沿海一些人口眾多，工業(yè)、經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的城市尤為嚴(yán)峻。為緩解這一現(xiàn)狀，供電部門正大力推廣分時(shí)計(jì)費(fèi)，多費(fèi)率等計(jì)費(fèi)模式[1]，因此三相多功能電能表成為電能表領(lǐng)域新的發(fā)展趨勢和需求熱點(diǎn)。

美國模擬器件公司（ADI）推出的電力計(jì)量芯片ADE7758具有體積小、精度高、開發(fā)方便等特點(diǎn)。該IC內(nèi)嵌了高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換器和固定模式的高速數(shù)字信號處理器（DSP），具有數(shù)字積分、濾波和眾多實(shí)用電能監(jiān)測、計(jì)量功能，只需與芯片的接口（SPI）通信便能獲取計(jì)量結(jié)果，大大簡化了電力計(jì)量應(yīng)用模塊化的設(shè)計(jì)，有利于提高產(chǎn)品性能，降低產(chǎn)品成本。

2 多功能電能表功能簡述

多功能電能表結(jié)構(gòu)如圖1所示。該表具有測量三相電源的電壓、電流、頻率、功率因數(shù)、有功功率、

圖1 多功能電能表結(jié)構(gòu)圖

無功功率等電量參數(shù)功能；能分時(shí)段記錄有功電能、無功電能；具有多種通信接口[2]。

電能表電源由三相電壓供給，供電可以采取三相三線或三相四線方式，只要有一相電源供電正常電表就能工作。三相電壓經(jīng)過降壓、整流、濾波、穩(wěn)壓等調(diào)整電路后，為電能表內(nèi)各芯片提供適當(dāng)工作電壓。

三相電壓、三相電流等電量參數(shù)的計(jì)量由ADE7758芯片內(nèi)部的數(shù)字信號處理器（DSP）完成。微處理器MCU通過SPI 串行接口讀取ADE7758芯片內(nèi)部的當(dāng)前電量數(shù)據(jù)信息，根據(jù)當(dāng)前電量信息及電能表設(shè)置要求完成各種復(fù)雜數(shù)據(jù)計(jì)算處理。微處理器MCU將處理結(jié)果送LCD 顯示，通過RS485總線、Pyxos接口、GPRS無線網(wǎng)絡(luò)等接口模塊[3]，以完成三相多功能電能表的各種功能。

3 三相多功能電能表關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)

3.1 計(jì)量芯片ADE7758概述

計(jì)量芯片ADE7758的基本特性如下：

(1) 精度高：常溫下，有功電能誤差< 0.1%。

(2) 采集數(shù)據(jù)：有功/無功/視在功率，電壓、電流有效值，采樣波形數(shù)據(jù)等。

(3) 2組脈沖輸出：有功功率、無功或視在功率。

(4) 兼容三相/三線，三相/四線等接線方式。

3.2 計(jì)量芯片ADE7758的引腳功能及硬件設(shè)計(jì)要點(diǎn)

如圖2所示，三相電壓、三相電流經(jīng)過互感器和調(diào)理電路后，輸入到計(jì)量芯片ADE7758 的三相電壓、電流采集端。ADE7758芯片內(nèi)部的數(shù)字信號處理器（DSP）對采集三相電壓、電流數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理，并轉(zhuǎn)換為有功功率、無功功率、視在功率、無功功率等電量信息，這些電量信息由微處理器MCU通過SPI串行接口讀取。

圖2 計(jì)量芯片ADE7758的典型外圍應(yīng)用電路圖

(1) 電源部分[4]

引腳：數(shù)字地端 DGND(2)、數(shù)字電源端DVDD(3) 、模擬地端AGND (11) 、模擬電源端(4) 。

ADE7758芯片的數(shù)字、模擬電路部分供電是獨(dú)立的。電源電壓應(yīng)維持在5V±5%，用一個10uF的電容和一個100nF的瓷片電容并聯(lián)耦合。當(dāng)使用同一個5V電源供電時(shí)，可采用電感進(jìn)行分隔。模擬地端為內(nèi)部ADCS、溫度敏感元件、參考電壓端等部分的參考地端，該引腳應(yīng)該連接到系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)模擬地或干擾最小的接地點(diǎn)。干擾最小的接地參考點(diǎn)應(yīng)該跟所有的模擬電路相連。為了減少ADE7758芯片地端的噪聲，模擬地端和數(shù)字地端應(yīng)該只用一個點(diǎn)來連接。也可以把整個器件都安放在模擬接地面上。

(2) 基準(zhǔn)電壓

REFIN/OUT(2)：基準(zhǔn)電壓。ADE7758片內(nèi)具有基準(zhǔn)電壓，標(biāo)稱值為2.42 V?？梢允褂猛獠炕鶞?zhǔn)電壓與該引腳相連。無論是否要連接外部基準(zhǔn)電壓，該引腳都應(yīng)該用一個1uF的瓷片電容跟AGND連接耦合。

(3) 電流輸入通道

引腳：A相電流IAP(5)、IAN(6)；B相電流IBP(7)、IBN(8)；C 相電流 ICP(9)、ICN(10)。

電流輸入通道為全差動電壓輸入，應(yīng)用時(shí)要注意電流輸入的極性，否則會造成功率計(jì)算錯誤。根據(jù)內(nèi)部放大器的增益選擇來設(shè)定輸入差動電壓的最大值，最大差動輸入可選擇±0.5V、±0.25V、±0.125V。

三相多功能電能表的電流輸入通道一般采用電流互感器(CT)進(jìn)行隔離轉(zhuǎn)換，常用互感器電流規(guī)格為1.5A/6A。對于大電流用戶，采用外接一次互感器，按標(biāo)準(zhǔn)其電流輸出為5A。

(4) 電壓輸入通道

引腳：A相電壓VAP(16)；B相電壓VBP(15)；C相電壓VCP(14)；零線VN(13 )。

電壓輸入通為單端電壓輸入，最大信號電壓±0.5V（相對于 VN端）?？梢酝ㄟ^內(nèi)部寄存器 PGA選擇輸入信號最大值為±0.5V、±0.25V、±0.125V 。

三相多功能電能表的電壓輸入通道可以采用電壓互感器(PT)進(jìn)行隔離轉(zhuǎn)換，也可以采用采用電阻網(wǎng)絡(luò)分壓方式。電阻網(wǎng)絡(luò)分壓方式可以降低產(chǎn)品的成本，但存在電表與三相交流電不隔離的問題。

(5) SPI總線接口及中斷

引腳：片選信號CS(21)；SPI串行接口的數(shù)據(jù)輸入端DIN(22)；SPI串行接口的時(shí)鐘輸入端SCLK(23)；SPI串行接口的數(shù)據(jù)輸出端 DOUT(24)；中斷請求輸出IRQ(18) 。

當(dāng)IRQ 輸出變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，微處理器MCU 的ISR 必須對中斷狀態(tài)寄存器進(jìn)行讀操作，以確定中斷源。在對狀態(tài)寄存器的內(nèi)容進(jìn)行讀操作時(shí)，IRQ 的輸出在第一個字節(jié)傳送的最后一個 SCLK 下降沿上被設(shè)定為高電平(對中斷狀態(tài)寄存器讀出的命令)。直到下一次8 位傳送的最后一位(中斷狀態(tài)寄存器的內(nèi)容)被移出之前，IRQ 輸出都保持高電平，若這時(shí)中斷尚未決定，則 IRQ 輸出將再次變?yōu)榈碗娖?。若沒有任何中斷處于等待狀態(tài)，則IRQ 輸出將保持高電平。

(6) 其他引腳

APCF(1)：有功功率校正頻率邏輯輸出引腳。

VARCF(17)：無功功率校準(zhǔn)頻率邏輯輸出。

CLKIN(19)、CLKOUT(20)：數(shù)字信號處理時(shí)鐘。

3.3 Pyxos FT嵌入式控制網(wǎng)絡(luò)功能及硬件設(shè)計(jì)

多功能電能表通信網(wǎng)絡(luò)接口一般采用 RS485接口方式。RS485接口簡單，但存在通信協(xié)議不標(biāo)準(zhǔn)的問題。采用Pyxos嵌入式控制網(wǎng)是一個有效解決方案。

Pyxos FT平臺是美國埃施朗公司的最新一代嵌入式控制網(wǎng)絡(luò)平臺。該平臺是一種I/O網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，應(yīng)用在控制器和相關(guān)的I/O之間。I/O總線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)通常只直接供控制器使用，使用簡單的控制策略，避免使用分離的I/O布線。

Pyxos FT平臺特性[5]：網(wǎng)絡(luò)傳輸速率高（312.5kb/s），響應(yīng)時(shí)間短（≤25ms/32節(jié)點(diǎn)），網(wǎng)絡(luò)自組織安裝，不需要特殊工具。支持在同一對通信雙絞線上連接電源，通信信道供電，無極性?？偩€連接可達(dá)400米，自由拓?fù)溥B接可達(dá)100米。低成本，體積小（5mm×5mm），非常適于嵌入到各種各樣的設(shè)備中。使用和LonWorks網(wǎng)絡(luò)共享的數(shù)據(jù)類型，因此Pyxos 節(jié)點(diǎn)和LonWorks設(shè)備能夠無縫地集成。微處理器MCU通過SPI總線接口，可以讀取Pyxos數(shù)據(jù)。微處理器MCU與Pyxos芯片連接如圖3所示。

圖3 Pyxos控制網(wǎng)絡(luò)外圍應(yīng)用電路圖

4 系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)軟件包括系統(tǒng)初始化、時(shí)間讀取與時(shí)段判斷程序、電力參數(shù)計(jì)算、通信命令處理、產(chǎn)生各種歷史及報(bào)警記錄、顯示狀態(tài)等模塊組成。軟件流程如圖4。

其中讀電能參數(shù)及計(jì)算模塊將完成電力參數(shù)濾波、電力參數(shù)計(jì)算以及電能累加功能。系統(tǒng)實(shí)時(shí)讀取ADE7758芯片內(nèi)部存儲的各相有功電能、無功電能、電壓有效值和頻率原始值，經(jīng)過濾波處理，獲得正確的電力參數(shù)，并通過計(jì)算公式完成三相電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數(shù)、頻率等測量。

圖4 電力參數(shù)測控系統(tǒng)軟件流程

5 系統(tǒng)應(yīng)用

利用網(wǎng)絡(luò)電能表組成的校園樓宇供電管理系統(tǒng)如下圖5所示。由電流互感器、網(wǎng)絡(luò)電能表、紅外探測器、門磁、LonWorks控制器（DDC）、i.Lon網(wǎng)關(guān)等組成。對配電房三相電源的電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數(shù)、配電柜開關(guān)分合狀態(tài)等多種參數(shù)進(jìn)行監(jiān)視查詢。對教室供電實(shí)行“有人供電，無人斷電”處理。對校園公共照明按時(shí)間、亮度進(jìn)行控制。結(jié)合系統(tǒng)管理軟件實(shí)現(xiàn)智能化管理。

圖5 樓宇供電管理系統(tǒng)

該系統(tǒng)自09年4月運(yùn)行以來，經(jīng)過測試和數(shù)據(jù)分析，具有性能穩(wěn)定、成本低、功能完善等優(yōu)點(diǎn)。

6 結(jié)束語

該系統(tǒng)采用了ADE7758芯片，大大地減少的軟件中的計(jì)算工作，而且提高了系統(tǒng)的測量精度。Pyxos嵌入式控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為電能表實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化測控提供了很好的技術(shù)平臺。Pyxos能無縫地和 GB/Z 20177 LonWorks網(wǎng)絡(luò)以及互聯(lián)網(wǎng)連接在一起，適合各種應(yīng)用的要求。因此，多功能網(wǎng)絡(luò)電能表的研究具有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

[1]張曉東,屈百達(dá). 基于ADE7758的復(fù)費(fèi)率三相電能表設(shè)計(jì).電子技術(shù)[M],2008,45(1):28～31

[2]王翠青,陳未如,任子真.基于ATmega 128L和ADE7758的電子式多功能電能表的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].沈陽化工學(xué)院學(xué)報(bào),2008,21(1): 81～84

[3]黃聚永,袁慧梅,張志忠.基于ADE7758芯片的GPRS網(wǎng)絡(luò)電能表的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].微計(jì)算機(jī)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