田子飛

（開灤東歡坨礦業(yè)分公司 河北 唐山 064002）

隨著社會用電容量的擴(kuò)大，通過適時檢測用電信息，實(shí)現(xiàn)配電自動化和管理自動化，迫切需要電量檢測及配送向高精度，多功能，智能化方向發(fā)展。傳統(tǒng)設(shè)備在進(jìn)行多路電量參數(shù)監(jiān)測時，往往采用多個電量監(jiān)測儀器的方法，區(qū)分檢測主回路和支路電量參數(shù)，系統(tǒng)復(fù)雜，成本高。因此，研制一種可以進(jìn)行多路電量檢測系統(tǒng)是十分必要的。為此，三相數(shù)字電表是通過使用嵌入式系統(tǒng)，將采樣、DSP、ARM等技術(shù)集成在一起，實(shí)現(xiàn)復(fù)費(fèi)率、多種參數(shù)的測量顯示、接口豐富、易于擴(kuò)展的數(shù)字電表。文中基于ADE7878芯片設(shè)計(jì)了一種數(shù)控電量檢測系統(tǒng)，其可測量1路電壓，4路電流，4路功率，1路電能，檢測精度均可達(dá)1%，并給出了系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)已在相關(guān)產(chǎn)品的研制中得到了應(yīng)用。同時此設(shè)計(jì)方法也為相關(guān)產(chǎn)品的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

1ADE7878簡介

ADE7878是一款高精度、三相電能測量IC。ADE7878適合測量各種三線、四線的三相配置有功、無功和視在功率，例如Y形或三角形等。各相均具有系統(tǒng)校準(zhǔn)功能，即有效值失調(diào)校正、相位校準(zhǔn)和增益校準(zhǔn)。CF1、CF2和CF3邏輯輸出可提供許多功率信息：總/基波有功/無功功率、總視在功率或電流有效值和。

ADE7878具有波形采樣寄存器，允許訪問所有ADC輸出。該器件還提供電能質(zhì)量測量，例如：短時低壓或高壓檢測、短時高電流變化、線路電壓周期測量以及相位電壓與電流之間的角度等。利用兩個串行接口SPI和I2C，可以與ADE7878通信，同時專用高速接口、高速數(shù)據(jù)采集（HSDC）端口可以與I2C配合使用，以訪問ADC輸出和實(shí)時功率信息。該器件還有兩個中斷請求引腳/IRQ0和/IRQ1，用來指示一個使能的中斷事件已經(jīng)發(fā)生[1]。

2 電量檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

整個檢測系統(tǒng)由LPC2132控制及數(shù)據(jù)存儲模塊、信號調(diào)理和采集模塊、多路信號切換模塊和通訊模塊組成。我們采用LPC2132控制芯片實(shí)現(xiàn)電量檢測系統(tǒng)的各項(xiàng)功能。交流電壓和電流信號，經(jīng)過信號調(diào)理電路，經(jīng)過4052多路信號切換電路，輸出ADE7878采樣范圍內(nèi)的信號，ADE7878將模擬量信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，LPC2132芯片通過I2C通信接口，獲取ADE7878的數(shù)據(jù)，同時LPC2132適時切換4052多路開關(guān)，切換各個支路電流信號輸出到ADE7878芯片。檢測系統(tǒng)配有EEPROM掉電存儲單元，可以將ADE7878的校表參數(shù)及電能數(shù)據(jù)存儲。通訊模塊通過RS485通信接口，可以與計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，上傳采集到的數(shù)據(jù)信息。電量檢測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)原理如圖1所示。

2.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

圖1 電量檢測系統(tǒng)原理圖Fig.1 Diagram of power detection system

硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要分信號調(diào)理和采集模塊、多路信號切換模塊、MCU控制及數(shù)據(jù)存儲模塊和通信模塊3部分。

2.2.1 信號調(diào)理和采集模塊

電壓采樣采用電阻分壓的方式實(shí)現(xiàn)，用大電阻及小電阻串聯(lián)[2]，采樣小電阻兩端電壓信號，這樣輸出端VA（VB，VC）輸出一個范圍在0～500 mV之間的模擬電壓。該模擬電壓信號輸入到ADE7878中。信號調(diào)理和采集電路原理圖，如圖2所示。

圖2 信號調(diào)理和采集電路原理圖Fig.2 Circuit diagram of signal disposal and acquisition

電壓采樣電路計(jì)算公式及電壓系數(shù)如式（1）、（2）所示。

電流采樣的傳感器采用電流互感器，一次側(cè)直接為實(shí)際測量線路，其二次側(cè)輸出為電流信號（具體輸出電流大小根據(jù)需要而定），故電流采樣采用串聯(lián)電阻的方式實(shí)現(xiàn)，采用兩個電阻串聯(lián)實(shí)現(xiàn)，這樣可得到一個范圍在0～500 mV之間的交流電壓信號。該模擬電壓信號輸入到ADE7878中。電流采樣電路計(jì)算及電流系數(shù)計(jì)算公式如式（3）、（4）所示。

在進(jìn)行多路電量信號采集時，需要通過適時切換4052接入ADE7878芯片的模擬信號。實(shí)際電路中由于選用電阻本身的誤差和輸入失調(diào)、溫漂等問題的存在，上述計(jì)算公式零位和線性系數(shù)會稍有偏差，可以通過標(biāo)定得到準(zhǔn)確的系數(shù)和零位。

2.2.2 MCU控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

為了提高采集系統(tǒng)的可靠性，選用基于32位ARM7內(nèi)核的LPC2132芯片作為主處理器及外部的復(fù)位電路實(shí)現(xiàn)可靠復(fù)位。這樣使用一個小的、廉價的處理器核就可實(shí)現(xiàn)很高的指令吞吐量和實(shí)時的中斷響應(yīng)。MCU控制系統(tǒng)電路原理圖，如圖3所示。

圖3 MCU控制系統(tǒng)電路原理圖Fig.3 Circuit diagram of MCU control system

為了使系統(tǒng)能夠正確復(fù)位，在此系統(tǒng)中，使用專用復(fù)位芯片CAT1025復(fù)位。CAT1025集成了系統(tǒng)電源監(jiān)視電路。當(dāng)系統(tǒng)電壓高于設(shè)定電壓時，延時200 ms啟動系統(tǒng)，這使系統(tǒng)在上電時的復(fù)位時間大于LPC2132芯片所需要的復(fù)位時間，使系統(tǒng)正常復(fù)位[3]。

2.2.3 多路信號切換模塊的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)，采用一個電能芯片可采集4路的電流，功率或單路電流，功率，電能數(shù)據(jù)，其實(shí)現(xiàn)多路電流檢測的關(guān)鍵是通過CD4052/CC4052切換各路電流信號接入ADE7878芯片。

CD4052/CC4052是一個差分4通道數(shù)字控制模擬開關(guān)，有A、B 2個二進(jìn)制控制輸入端和INH輸入，具有低導(dǎo)通阻抗和很低的截止漏電流。這些開關(guān)電路在整個電源范圍內(nèi)具有極低的靜態(tài)功耗，與控制信號的邏輯狀態(tài)無關(guān)。二位二進(jìn)制輸入信號選通4對通道中的一通道，可連接該輸入至輸出[4]。其典型應(yīng)用原理如圖4所示。

圖4 CD4052的典型應(yīng)用圖Fig.4 CD4052 typical application diagram

在采集多路電流時，LPC2132通過CD4052控制端控制各支路信號接入ADE7878采樣管腳，由于ADE7878芯片內(nèi)部有DSP算法原理，存在數(shù)據(jù)建立時間問題，故檢測各支路電流信號的接入時間不要太短，否則正確數(shù)據(jù)沒有運(yùn)算完成，數(shù)據(jù)誤差較大。為了防止CD4052控制信號線干擾現(xiàn)象發(fā)生，將控制信號線接上拉電阻，這樣對切換過程影響小，工作可靠。

2.2.4 通信模塊的設(shè)計(jì)

LPC2132芯片串行通信接口采用的是TTL電平，它不能直接與PC機(jī)標(biāo)準(zhǔn)串行通信接口連接通信，必須設(shè)計(jì)TTL電平到RS485協(xié)議電平信號的轉(zhuǎn)換電路。

MAX485是一種把TTL電平轉(zhuǎn)換為RS485電平的芯片。RS485總線標(biāo)準(zhǔn)采用平衡發(fā)送和差分接收的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，利用信號線A、B間的電壓差傳輸數(shù)據(jù)，屬于兩線制的信號傳輸方式。RS-485總線用于多點(diǎn)互聯(lián)時非常方便，可以省掉許多信號線，應(yīng)用RS-485可以互聯(lián)構(gòu)成分布式系統(tǒng)，允許最多并聯(lián)32臺驅(qū)動器和32臺接收器，但對同一信號線上同一時刻只允許一個驅(qū)動器工作[5]。

2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中，單片機(jī)程序由3個模塊組成，分別是初始化模塊，串口通信模塊及ADE7878通信及控制模塊。

系統(tǒng)復(fù)位后，單片機(jī)先進(jìn)行各參數(shù)（如串口通信波特率[7-8]）初始化設(shè)置，并從EEPROM芯片讀取ADE7878校準(zhǔn)參數(shù)及存儲的電能參數(shù)，將校準(zhǔn)參數(shù)寫入ADE7878芯片，實(shí)現(xiàn)電量參數(shù)的準(zhǔn)確檢測。繼而間隔固定時間，適時操作4052開關(guān)電路，切換采集各路電量數(shù)據(jù)，并讀取ADE7878采集的各路電量參數(shù)，及時將電能參數(shù)存儲到EEPROM芯片，并適時清看門狗。如果有正確通信事件發(fā)生，則將采集到的電量數(shù)據(jù)經(jīng)RS485通信接口上傳數(shù)據(jù)。程序控制流程如圖5所示。

圖5 程序流程圖Fig.5 SCM process flow diagram

3 結(jié) 論

本系統(tǒng)采用的電路，用一個電能計(jì)量芯片即可實(shí)現(xiàn)多路電量數(shù)據(jù)的采集工作，并且在各電量數(shù)據(jù)額定采樣范圍內(nèi)，精度均可達(dá)1%，電路簡單，應(yīng)用靈活、精度高、成本低廉。系統(tǒng)各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，工作可靠，并已投入使用，有較高的使用價值，對過程監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集等系統(tǒng)的開發(fā)具有借鑒意義。

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