發布日期：2022-04-27 點擊率：75
摘要：用SPI總線將ADE77xx專用芯片和單片微機組合成的多功能數字式電度表，其精度高、可靠性好，用作峰谷用電、分時計費的計量儀表，應大力推廣。
關鍵詞：SPI總線 ADE77xx芯片峰谷用電 分時計費
引言
我國經過二十多年的改革開放和技術引進，在高技術方面已與國外縮小了不少差距，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”規劃提出了達到同一GDP增長率需節能20％的奮斗目標，以科學的發展觀，創新、節能、環保是當前技術革命的三大重點。
我國是能源消耗大國，而能源又十分缺乏，它極大地制約了我國國民經濟的健康、快速、持續發展，因此一方面要大力尋找新能源，如風能、核能、太陽能，同時又要大力節約能源。
用SPI總線把ADE77xx系列專用電能計測芯片如表1所示和單片微機組合而成的多功能、峰谷用電，分時計費的電度表是目前的主流，應大力推廣。
筆者曾用SPI總線[1]把ADE7758[2]和MCU組成多功能——峰谷用電、分時計費電度表，下面就研制過程中的一些關鍵問題作一簡要介紹，與同行商榷。
1 電度表工作原理
1.1 原理框圖
電度表主要有信號采集傳感器和電壓、電流取樣電路、ADE77xx計量芯片和電能脈沖輸出驅動電路、MCU單片微機、外擴鐵電E2PROM、晶體和時鐘電路、128×64點陣LCD、RS485及隔離驅動串行接口、開關量輸出、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。上述系統較容易實現0.5級多功能電度表。
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，在電壓動態范圍為（50～200）％Un（Un為額定電壓，AC220或AC380）時其比差非線性度為±0.1％，角差非線性度為±5角分。負載阻抗≤300Ω。電壓互感器輸出直接與ADE7758相連，單端輸入，電路結構如圖2所示。
圖2 電壓采樣電路
當輸入電壓為AC220V時，圖2中R用金屬氧化膜電阻，其溫度系數應選得較小。RL為總的負載電阻，應≤300Ω，～280V時為滿量程。R1、C1為抗混疊濾波。
當輸入電壓為AC380V時，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，電路結構如圖3所示。與ADE7758的連接采用差動輸入，以提高抗共模干擾能力。
CT1為0.2級電力電流互感器，儀表可測最大電流為7000A，K1（CT1互感器變比，1~1400倍，可根據主回路電流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)范圍內比差非線度為±0.1％，負載阻抗
(R)≤100Ω，角差非線度±5角分。R取值與ADE7758輸入量程有關。
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輸入，抗共模干擾能力較強，三路電壓采樣為單端輸入。電壓和電流信號最大輸入為±0.5V，±0.25V，±0.125V，可編程增益控制。AD具有內部基準參考電壓，若電度表的測量精度高于0.5級（如需制造0.2級，0.1級）時建議使用AD公司的高精度電壓基準芯片（如ADR441B；2.500V±1mV，3PPm/℃）。
① 支持有功/無功/視在功率、電壓有效值、電流有效值和采樣波形數據以及功功率的感性和容性。
② 有功能量測量精度在動態范圍1～1000、＠25℃條件下測試，高于±0.1％。
③ 二路脈沖輸出，一路有功功率，另一路可編程無功功率或視在功率輸出。
④ 功率、相位、rms可補償校正。
⑤ 片內可編程欠電壓門檻和過電壓檢測。
⑥ 過電流檢測和峰值電流檢測。
⑦ 電壓過零檢測周期或頻率；
⑧ 相序檢測和相位補償，電源電壓監視；
⑨ 內部具有硬件電路的“加，乘，平方，開方，積分，低通濾波，高通濾波，補償校正等運算。
⑩ SPI接口＋中斷（IRQ）輸出與CPU接口，SPI接口中有數據輸入（DIN），數據輸出（DOUT）、時鐘（SCLK）和片選（CS）等4個引腳，一個中斷（IRQ）輸出引腳。
11 具有中斷屏蔽寄存器和中斷標志位寄存器，當相應屏蔽位打開，相應功能完成時即產生中斷，并將對應的中斷標志位置“1”，向CPU發出中斷請求，當CPU響應中斷后即可讀取ADE7758相應功能寄存器中的數據，數據讀取后，由CPU進行處理并清除ADE7758中的中斷標志位。
中斷源共有19種；
功率累計積分達到寄存器滿量程的一半時產生中斷，含有功、無功、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產生中斷；
A、B、C三相中任一相電壓過零超時，相當于頻率失調時產生中斷；
A、B、C三相中每相電壓過零點時產生中斷，用于測量頻率或周期；
能量累加寄存器半周期積分結束時產生中斷；可讀取電能；
電壓或電流峰值超過時產生中斷，用于過壓檢測和過流檢測；
波形寄存器中出現數據時產生中斷；
有功電能符號改變時（發電/受電變化時）產生中斷；
無功電能符號改變時（感性/容性無功電能）產生中斷；
三相相序錯時產生中斷。
對ADE7758使用時采用中斷后讀數同步性較好，該芯片在完成某項功能或檢測異常時才產生中斷，中斷產生時，相應寄存器中的數據已經就緒，不宜采用CPU定時讀取ADE7758
寄存器中存放的數據，前者是同步讀數，后者是異步讀數。如要提高測量精度，建議使用外接高精度基準電壓芯片。
1.4 SPI總線
SPI總線是一種高速同步串行總線，兩個芯片之間的數據速率可達幾兆bps。我們用5Mbps傳送。ADE7758與CPU之間有3個引腳，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，故名“板內總線”，且數據線、時鐘線之間最好用地線隔開，避免線間串擾。其原理框圖如圖4所示。
圖4 SPI總線原理圖
圖4中：SDI為輸入數據線；SDO為輸出數據線；SCK為時鐘線，主控制器發送時鐘，從控制器接收時鐘。MICROCHIP公司的PIC（CPU）芯片，SPI總線和I2C總線引腳共用，初始化程序中要預置成用于SPI總線功能。FREESCALE公司的CPU中SPI和I2C引腳是分開的。SPI總線數據傳輸時一般用中斷方式，一個字節中斷一次，故數據率較高，也可在一幀數據傳送的第一字節產生中斷，后續字節傳送用查詢。
使用SPI總線要注意的是數據傳送速率與印制板布線兩個問題。
2 實時時鐘(RTC)與峰谷用電、分時計費
用SPI總線、ADE7758專用芯片、CPU組成的多功能電度表，容易達到0.5級精度，但電能計量的精度與實時時鐘的溫度穩定性和時間穩定性有密切關系，選擇內置晶體的RTC價格較貴，若晶體外置則要考慮晶體的穩定性或采取必要的溫度補償措施。
這種多功能三相智能電表，通過鍵盤設定，LCD顯示，人—機界面友好，容易實現峰谷用電，分時計費，適用于智能成套開關柜和各種工業、農業、國防的三相電度計量、收費。
3 結束語
ADE7758計量芯片與8位或16位單片微機組合成三相多功能電度表，容易實現0.5級的高精度，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可實現0.2級精度。
這類電度表精度高，可靠性好，使用鍵盤設定和LCD（128×64點陣）顯示，漢字提示，界面友好，同時具有聯網功能和電能脈沖輸出，給用戶帶來極大的方便，在具有現場總線局域網的智能成套柜中，可直接將各種數據上傳給中央控制室。
這種電表具有峰谷用電、分時計費功能，24小時內可分8小時段計費，可節約用電、平衡用電，提高電能的使用效率，符合我國節能降耗的國策，應大力推廣使用。
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，且將計量芯片與MCU（8052核心）組合成一個芯片，其造價更低，性能更好。我們應利用這類芯片，開發出價廉物美的智能型電度表。
參考文獻
1 High Performance,Enhanced Flash Microcontrellers With 10-Bit A/D PIC18FXXX PIC micro 18FXXXX MCU系列參考手冊.
2 Analug Device,Inc ADE7758 Poly Phase Multi-Function Energy Metering IC With Per Phase information.
王成多，男，1940年生，1965年畢業于浙江大學，一直從事計算機應用、智能電器、數字儀表、現場總線局域網的開發研究。
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