陳少良　田秀霞

摘 ?要： 為滿足高速發(fā)展的社會趨勢，設(shè)計一種以單片機(jī)STC12C5A60S2為控制核心和電能計量芯片ATT7022C為基礎(chǔ)的電參數(shù)測量終端，并結(jié)合Visual Studio 2017開發(fā)數(shù)據(jù)監(jiān)控界面，其中，主要包括12864液晶顯示、存儲、RS 232通信等模塊，實(shí)現(xiàn)了對關(guān)鍵測量數(shù)據(jù)的實(shí)時監(jiān)控功能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：所測數(shù)據(jù)均符合誤差國家標(biāo)準(zhǔn) GB/T 17215.322—2008《0.2S級和0.5S級靜止式有功電能表》要求;該方案具有能耗低、精度高、高效低廉易推廣等優(yōu)點(diǎn)，并且對電網(wǎng)輸配電和電力能源結(jié)構(gòu)合理配置具有促進(jìn)作用，在設(shè)計工業(yè)及家庭用電智能測量設(shè)備及擴(kuò)展應(yīng)用方面均有較好的實(shí)用價值。

關(guān)鍵詞： ATT7022C應(yīng)用; 電參數(shù)測量; 方案設(shè)計; 監(jiān)控界面開發(fā); 數(shù)據(jù)監(jiān)控; 實(shí)驗(yàn)測試

中圖分類號： TN949.6?34; TM93 ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2020）24?0013?04

Research on application of ATT7022C in electrical parameter measurement

CHEN Shaoliang， TIAN Xiuxia

（Shanghai University of Electric Power， Shanghai 200090， China）

Abstract： An electrical parameter measuring terminal with single chip microcomputer STC12C5A60S2 as its control core and the power metering chip ATT7022C as its base is designed to meet the social trend of rapid development. The Visual Studio 2017 is combined with it to develop the data monitoring interface. It mainly includes the 12864 liguid crystal display， storage， RS 232 communication and other modules. The real?time monitoring function of key measurement data is realized. The experimental results show that the measured data is in accord with the requirements of the national standard GB/T 17215.322?2008 “0.2S and grade 0.5S static active energy meter”. This scheme has the advantages of low energy consumption， high precision， high efficiency， low cost and easy promotion， and can promote the rational allocation of the power transmission and distribution of power grid， and power energy structure. It has a good reference value in the design of intelligent measuring equipment of the industrial and household electricity， and the extension of application.

Keywords： ATT7022C application; electrical parameter measurement; scheme design; monitoring interface development; data monitoring; experimental testing

0 ?引 ?言

電能作為一種邊生產(chǎn)邊消耗不易存儲的特殊商品，隨著西電東送南、中、北三條通道的形成，以及各大超高壓輸電線路工程的實(shí)施，使智能電網(wǎng)更加的龐大和完善，我國的能源結(jié)構(gòu)得到不斷優(yōu)化。同時各行業(yè)飛速發(fā)展，必然引起對耗電量的不斷增加，為了適應(yīng)社會發(fā)展新需求，對用電檢測儀表提出了更高的要求，電能質(zhì)量檢測技術(shù)結(jié)合各學(xué)科優(yōu)勢迅速發(fā)展[1?3]。目前主要有以下4種計量終端方案：

1） 電磁式互感器的電子式電能計量終端;

2） 弱輸出式互感器的電子式電能計量終端;

3） 電子式互感器的電子式計量終端;

4） 將計量電路與傳感信號結(jié)合配合專業(yè)計量芯片的電子式計量終端[4?6]。

方案1）由于存在鐵芯銅材致使能耗體積重量較大，方案1）～方案3）均存在設(shè)計步驟繁瑣，結(jié)構(gòu)不緊湊，穩(wěn)定性較差的問題，方案4）常出現(xiàn)計算能力過剩，造價一般較高，且安全問題仍然突出等問題。同時，出于不同用電環(huán)境的考慮，電計量終端開始往定制化、人性化的方向發(fā)展?；谝陨蠁栴}，綜合考慮，提出一種采用單片機(jī)STC12C5A60S2和專業(yè)計量芯片ATT7022C設(shè)計的電參數(shù)測量終端，該方案對電能測量儀表設(shè)計有較好的應(yīng)用前景，便于工程實(shí)現(xiàn)。

1 ?總體設(shè)計方案和工作原理

總體設(shè)計方案中，控制核心為STC12C5A60S2單片機(jī)，通過SPI（Serial Peripheral Interface）總線與專業(yè)電能計量芯片ATT7022C通信，總體設(shè)計框圖如圖1所示。

為了合理高效地利用芯片內(nèi)部資源，復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算均在計量芯片ATT7022C內(nèi)完成，單片機(jī)僅需完成少量控制運(yùn)算就能實(shí)現(xiàn)方案主體設(shè)計。以下為本終端設(shè)置的功能模塊：數(shù)據(jù)采集模塊、電源模塊、串口通信模塊、液晶顯示模塊，E2PROM存儲模塊?；ジ衅鞑杉妷弘娏鬓D(zhuǎn)換為小信號送入專業(yè)計量芯片處理，三相電流電壓小信號在計量芯片接收端分別為VXP，VXN。其中，電源模塊由外置電源供電。電壓采集互感器型號為TV31B02，正常工作時，當(dāng)原邊電流為2 mA時，副邊得到的小電流信號為2 mA，比差允許為±0.1%，角差小于等于15 V。輸入最大電流為10 mA，當(dāng)接可靠限流電阻時，最大可輸入電壓為1 000 V，原邊和副邊最大工作電流均不得大于10 mA，為電流型精密電壓互感器;電流采集互感器型號為TA32BM，正常工作時原邊和副邊工作電流分別為5 A和2.5 mA，且正常工作時相位差小于等于15 V，線性度小于等于0.2%，接100 Ω標(biāo)準(zhǔn)電阻，為初級單匝穿心微型互感器。此兩款互感器精度滿足國家標(biāo)準(zhǔn)、成本低、體積小，適合小型終端的擴(kuò)展設(shè)計[7?10]。ATT7022C芯片內(nèi)部包含80個計量參數(shù)寄存器，可選擇各類電能計量參數(shù)原始值。用戶端由LCD12864實(shí)時顯示數(shù)據(jù)，屏幕共4行，每行可顯示16個ASCⅡ碼字符，符合此次設(shè)計屏幕空間需求。E2PROM模塊應(yīng)用IAP（In Application Programming）應(yīng)用編程，通過控制部分IAP內(nèi)置寄存器常在主函數(shù)前設(shè)置一段代碼使程序運(yùn)行中對單片機(jī)程序存儲區(qū)再次寫入數(shù)據(jù)[11?12]。由于程序存儲空間較小，此處僅對重要單個數(shù)據(jù)操作，完成對該數(shù)據(jù)量的累加并保存至程序存儲區(qū)，具有掉電不丟失特征。本方案通過RS 232串口通信連接計算機(jī)，在計算機(jī)端借助Visual Studio 2017編程生成交互界面，實(shí)時監(jiān)控所需數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)保存至計算機(jī)。

2 硬件設(shè)計

2.1 ?ATT7022C硬件電路設(shè)計

硬件基本電路中，外接三相電流電壓經(jīng)所選互感器以及PCB電路將大電流電壓模擬信號轉(zhuǎn)換為計量芯片能夠接收的小數(shù)字信號，通過VXP/VXN輸入計量芯片，由于計量芯片內(nèi)部已合成模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊和專用DSP計算模塊，芯片內(nèi)完成所有復(fù)雜計算工作后，將結(jié)果安放在內(nèi)部特定參數(shù)計量寄存器內(nèi)。單片機(jī)在讀取所需的某些數(shù)據(jù)之前必須先對ATT7022C計量芯片完成軟件校表工作，即計算完校表參數(shù)之后只需將校表參數(shù)通過SPI接口輸入到ATT7022C的校表寄存器中;然后再通過SPI接口總線讀出所需的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，該總線為主從控制模式，高速同步雙向傳輸，并且只需4根線即能完成計量芯片與單片機(jī)通信操作，分別為數(shù)據(jù)輸出端、數(shù)據(jù)輸入端、時鐘信號控制端、片選端，由于本設(shè)計控制核心為主設(shè)備，ATT7022C為從設(shè)備，無其他從設(shè)備，因此在片選端直接放置有效信號即可;此外再添加一條復(fù)位線和握手信號線，控制ATT7022C的啟動，復(fù)位和數(shù)據(jù)傳輸[13?14]。

2.2 ?互感器電路設(shè)計

2.2.1 ?電壓互感器電路設(shè)計

電能計量終端輸入220 V的標(biāo)準(zhǔn)電壓，ATT7022C電壓信道的要求電壓范圍為10 mV～1 V，電路中串聯(lián)的電阻大小為220 kΩ，當(dāng)以額定模擬電壓工作時，電壓互感器轉(zhuǎn)換后，小電流信號為1 mA，使得其在R6（130 Ω）兩端產(chǎn)生的電壓[UR6]=（220 V/220 kV）×130=0.13 V，滿足ATT7022C的電壓范圍要求。在計量模塊的電壓信道前端設(shè)置由R4，C1，R7，C2組成的濾波電路。此時的電壓信號就可以輸入到ATT7022C的電壓端口V2P/V2N、V4P/V4N和V6P/V6N。REFOUT為基礎(chǔ)電壓輸出，它將待測量信號通過UREF的值不斷計算誤差并累積差值，通過反饋控制使得該差值無限趨近于0。三相電壓互感器電路如圖2所示。

2.2.2 ?電流互感器電路設(shè)計

電能計量終端接入的是0～5 A的標(biāo)準(zhǔn)電流信號，ATT7022C芯片要求電流信道的電壓范圍為2 mV～1 V。即當(dāng)原邊交流電流模擬信號為5 A時，相應(yīng)得到的小電流信號為2.5 mA，可得其在電路中R21（50 Ω）電阻兩端產(chǎn)生的電壓[UR21]=2.5×50=0.75 V，滿足ATT7022C的電壓范圍要求。為了避免在計量芯片ATT7022C的DSP運(yùn)算環(huán)節(jié)出現(xiàn)頻率混疊失真，設(shè)計由R20、R22、C7、C8組成的濾波電路，電流信號經(jīng)處理后就可以被送入到ATT7022C的電流采樣端口V1P/V1N、V3P/V3N、V5P/V5N，獲得三相電流，B、C兩相電流采集電路結(jié)構(gòu)參數(shù)與A相相同，A相電流采集電路如圖3所示。

3 ?軟件設(shè)計

在本方案中軟件設(shè)計主要為以下三部分：主程序、軟件校表以及Visual Studio 2017通信編程。

3.1 ?主程序

本次設(shè)計主程序中包含的子程序模塊有ATT7022C讀寫模塊，12864液晶模塊，RS 232通信模塊，E2PROM模塊。其中，main函數(shù)為執(zhí)行函數(shù)，main函數(shù)中首先對各功能模塊及參數(shù)進(jìn)行初始化，然后依次實(shí)現(xiàn)各模塊功能。

3.2 ?軟件校表

軟件校表的目的是使ATT7022C內(nèi)部計量寄存器在正常工作時獲得足夠精度的原始初值，軟件校表之前必須對ATT7022C進(jìn)行初始化操作，使得對應(yīng)校表寄存器值為0，校表完成后精度誤差可控制在國家標(biāo)準(zhǔn)以下，以下提供一種快捷軟件校表方法。

軟件校表前需設(shè)置必要不變參數(shù)作為基準(zhǔn)條件，其中，額定電壓為220 V，電流為1.5 A，脈沖常數(shù)為6 400 imp/（kW·h）。電壓電流互感器在設(shè)定輸入?yún)?shù)運(yùn)行時，首先測量各通道經(jīng)轉(zhuǎn)換后的小信號初值，讀取此時A相相應(yīng)電壓電流校表寄存器值分別為2 085 069，470 495，然后對B、C兩相完成相同操作。

首先設(shè)置高頻脈沖參數(shù)：

[HFConst=INT2.592×1010×G2×Vu×ViEC×Un×Ib ? ? ? ? ? ? ? ?=INT2.592×1010×1.1632×0.218×0.0516 400×220×1.5 ? ? ? ? ? ? ? ?=184]

式中：[G]為1.163;[EC]為電表脈沖常數(shù)[（imp/（kW·h））];[Vn]為參比電壓（V）;[Ib]為參比電流（A）;[Vu]為電壓通道采樣電壓（V）;[Vi]為電流通道采樣電壓（V）。

然后對電壓電流校正：

[Ugain=UrUrms-1=2 085 069220×213-1=0.156 932]

由于[Ugain≥0]，則：

[Ugain=INT[Ugain×215] ? ? ? ?=INT[0.156 932×215]=0x001416]

[Igain=IrIrms-1=DataI/（213×N）1.5-1 ? ? ?=470 495/2（213×40）1.5-1 ? ? ?=-0.042 775 5]

因?yàn)閇Igain<0]，則：

[Igain=INT[216+Igain×215] ? ? ? =INT[216-0.042 775 5×215] ? ? ? =0x00FA86]

接著對功率增益進(jìn)行計算，此時的脈沖誤差百分比為-6.167 5%，可記作-0.061 675，校正A相在[Ib]點(diǎn)功率增益為[cos?=1]：

[Pgain=--err1+err=0.061 6751-0.061 675=0.065 728 825]

因?yàn)閇Pgain≥0]，則：

[Pgain=INT[Pgain×215] ? ? ? ?=INT[0.065 728 825×215] ? ? ? ?=0x000869]

最后完成相位校正，此時的脈沖誤差百分比為0.452 0%，計算A相在[Ib]點(diǎn)相位[cos ?=0.5]：

[PhSregpq=-err3=-0.004 523=-0.002 609 699 7]

因?yàn)閇PhSregpq<0]，則：

[PhSregpq=INT[216+PhSregpq×215] ? ? ? ? ? ? ? ? ?=INT[216-0.002 609 699 7×215] ? ? ? ? ? ? ? ? ?=0x00FFA9]

將計算得到的增益值和電壓電流相位校正值寫入ATT7022C中對應(yīng)校表寄存器，其中，每相2個校表寄存器寫入值相同，B、C相完成上述同樣計算操作后將值寫入對應(yīng)校表寄存器完成軟件校表，備份校表寫入值供后續(xù)使用。

3.3 ?Visual Studio 2017通信編程

Visual Studio 2017具有完備多樣的開發(fā)功能，本方案中通過編寫兩個源文件，分別為界面生成程序和串口接收數(shù)據(jù)處理程序，最終生成交互界面窗口的可執(zhí)行文件，作為此次設(shè)計計算機(jī)端的解決方案，效果如圖4所示，并將所需數(shù)據(jù)每隔30 s自動以CSV格式保存至計算機(jī)。

4 ?實(shí) ?驗(yàn)

從表1可知，經(jīng)過校正后的儀表，根據(jù)測量數(shù)據(jù)電壓最大誤差為0.045%，電流最大誤差為0.2%，有功功率和視在功率與理論值偏離0.03%，無功功率誤差為0.1%，頻率誤差幾乎為0。

5 ? 結(jié) ? 語

針對目前電能監(jiān)測終端智能化、多功能化的趨勢，本方案在原有的基礎(chǔ)上結(jié)合Visual Studio 2017完成了對電參數(shù)檢測終端設(shè)計，極大地簡化了校表的繁瑣過程。最后實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，此設(shè)計精度在國家標(biāo)準(zhǔn)誤差范圍內(nèi)，相比于其他方案而言，該方案硬件結(jié)構(gòu)銜接性良好，程序資源配置合理，抗干擾性強(qiáng)，能耗及成本均低于設(shè)計預(yù)期，在電參數(shù)檢測擴(kuò)展項(xiàng)目中具有較好的應(yīng)用前景。

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作者簡介：陳少良（1995—），男，浙江紹興人，在讀碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏?shù)據(jù)采集與安全。

田秀霞（1976—），女，河南安陽人，博士，教授，研究方向?yàn)閿?shù)據(jù)庫安全、隱私保護(hù)（大數(shù)據(jù)與計算）、安全機(jī)器學(xué)習(xí)、面向電力用戶的安全計算、數(shù)字圖像篡改檢測。