基于SPI總線(xiàn)的電能計量芯片ATT7022及其在配電監測終端的應用

摘要：介紹了高精度電能計量芯片ATT7022的主要功能、性能比較、內部結構、接口方式及校表方法等，同時(shí)對ATT7022在電能配電監控終端的應用作了簡(jiǎn)要闡述。

關(guān)鍵詞：SPI總線(xiàn) ATT7022 電能計量 W77E58 配電監控終端

1 概述

ATT7022是珠海炬力集成電路設計有限公司生產(chǎn)的一款高精度三相電能計量芯片，該芯片對有功、無(wú)功功率的測量精度分別達到0.2s和0.5s，所能測量的電參數包括有功、無(wú)功、視在功率、雙向有功和四角限無(wú)功電能；電壓和電流有效值；相位、頻率等。ATT7022具有計量參數齊全、校表功率完善等優(yōu)點(diǎn)，簡(jiǎn)化了軟件設計，縮短了軟件開(kāi)發(fā)周期。特別是AT7022可支持全數字校表，即軟件校表。軟件校表可提高校表精度、簡(jiǎn)化硬件設計、降低設計成本，為三相多功能計量裝置提供了功能更加齊全、設計更加簡(jiǎn)單的應用方案。表1和表2分別給出了三大計量芯片生產(chǎn)商的三相電能計量芯片計量參數校表參數的比較。

表1 三相電能計量芯片的主要電能測量參數比較

注：“√”表示支持，“”表示不支持，“―”表示無(wú)此參數

表2 三相電能計量芯片的主要校表參數比較

　　注：“√”表示支持，“”表示不支持，“1”表示合相時(shí)的參數，“2”表示該芯片不支持軟件校表

2 引腳功能

ATT7022的引腳排列如圖1所示，它采用44引腳QFP封裝，面積僅有10mm10mm，功耗僅為100～200mW，各引腳功能如下：

V1P/V1N，V3P/V3N，V5P/V5N：模擬電流信號輸入；

V2P/V2N，V4P/V4N，V6P/V6N：模擬電壓信號輸入；

REEOUT、REFCAP：基準電壓輸出；

RESET：復位輸入端；

SIG：寫(xiě)操作成功握手信號輸出；

SEL：接線(xiàn)方式選擇輸入端；

CF1/CF2：有功/無(wú)功電能脈沖輸出；

CS：SPI讀/寫(xiě)片選信號；

SCLK：SPI串行時(shí)鐘輸入；

DIN/DOUT：SPI串行數據輸入/輸出；

Revp：當系統檢測到任意相的有功功率為負時(shí)，該端輸出高電平；各相有功功率均為正時(shí)，該端輸出低電平；

OSCI/OSCO：系統晶振輸入端/輸出端；

Vcc/Avcc:數字電源/模擬電源；

GND/AGND：數字地/模擬地。

3 工作原理

3．1 AT7022電能計量芯片的內部結構

AT7022內部包括時(shí)鐘控制電路、模擬信號采樣、參考電壓、DSP、脈沖生成器、SPI通訊接口和電源管理七大部分，其內部原理框圖如圖2所示。

3．2 ATT7022的工作原理

ATT7022首先通過(guò)6通道16位∑-Δ的ADC模數轉換電路來(lái)對輸入電流和電壓信號進(jìn)行采樣，轉換后的數字量再經(jīng)過(guò)24位DSP數字信號處理以完成全部三相電能參數的運算，同時(shí)將結果保存在相應的寄存器中并通過(guò)SPI口與MCU進(jìn)行數據交換，DSP模塊同時(shí)還生成有功/無(wú)功電能脈沖輸出CF1/CF2，可用于現場(chǎng)校表。ATT7022在設計中已考慮到校表的方便性，采用全數字校表，只需適當修改校表寄存器即可實(shí)現校表功能。

3．3 串行SPI接口

ATT7022提供有標準的SPI接口，可與帶SPI口的MCU直接連接，也可用適當的I/O口線(xiàn)仿真SPI總線(xiàn)，其仿真讀寫(xiě)程序很容易實(shí)現。

ATT7022的一個(gè)數據傳輸總線(xiàn)從向SPI接口的DIN端送入8位命令字開(kāi)始的，當命令中包括一個(gè)寫(xiě)入命令時(shí)，在其后的24個(gè)SCLK周期內，串口將持續從DIN端讀入24位串行數據。當發(fā)出一個(gè)讀取命令時(shí)，串口將根據發(fā)出的命令來(lái)進(jìn)行尋址，然后在其后的24個(gè)連續的SCLK周期從DOUT引腳上串行輸出寄存器內容。數據的傳輸總是MSB在前，LSB在后。讀寄存器時(shí)，SCLK為高，數據在DOUT引腳上有效。而在寫(xiě)寄存器時(shí)，數據則在SCLK的下降沿從DIN引腳讀入，這一點(diǎn)在仿真SPI讀寫(xiě)操作子程序時(shí)應引起注意，否則讀寫(xiě)寄存器將出錯。

ATT7022的讀寫(xiě)時(shí)序見(jiàn)圖3所示。

3．4 寄存器配置及校表方法

ATT7022的寄存器分為計量參數和校表參數兩部分。器件中的計量參數寄存器多達82個(gè)，它們的地址在01H～6FH中不連續分布，未使用部分可留給以后擴展。計量參量的計算全部由硬件完成，用戶(hù)只需進(jìn)行單位換算就可得到測量值。

圖4

校表參數寄存器包括相位補償設置、功率增益、相位校正、電壓/電流校正、比差補償設置、啟動(dòng)電流、高頻脈沖輸出設置、斷相閾值電壓設置和合相能量累加模式等36個(gè)寄存器，它們的地址不連續地分布在01H～2AH，也考慮了以后的擴展。應當說(shuō)明的是，兩個(gè)寄存器的地址有重疊部分，但它們的物理位置是分開(kāi)的，可以通過(guò)讀寫(xiě)命令來(lái)區分。寄存器描述及讀寫(xiě)操作命令字等見(jiàn)參考文獻。

校表是電能表設計中非常重要的環(huán)節，ATT7022上電復位后，校表寄存器的初始數據為默認值，此時(shí)讀出的計量參數值和實(shí)際參數值不符，因而需要對校表寄存器進(jìn)行設置，以將測量值減小到誤差范圍之內。校表可按高頻輸出參數設置、比差補償區域設置、角差補償區域設置、功率增益校正、相位校正、啟動(dòng)電流設置、功率增益校正、參量累加模式設置、電壓校正、電流校正的先后順序進(jìn)行?，F以電壓增益的校準為例簡(jiǎn)要說(shuō)明AT7022的校表方法，其它參數校準請參照參考文獻。

電壓增益校正UgainA、UgainB、UgainC:在A(yíng)TT7022初始化時(shí)，Ugain為0，標準表上讀出的電壓有效值為Ur，通過(guò)SPI口讀出的測量電壓有效值寄存器的值為Datau。此時(shí)，如實(shí)際電壓有效值Ur，測量電壓有效值為Urms=DataU2 10/2 23，由于：

Ugain=(Ur/Urms)-1

因此，如果（Ugain≥0）,則Ugain=INT[Ugain2 23]

否則Ugain0,則Ugain=INT[2 24+Ugain2 23],

式中，INT表示取結果的整數部分。

4 ATT7022在配電監測終端的應用

ATT7022能夠提供的計量參數除瞬時(shí)有功功率、無(wú)功功率、視在功率、有功電能、無(wú)功電能、功率因數、相位、電壓有效值、電流有效值、瞬時(shí)合相電流值、線(xiàn)電壓頻率值、四象限無(wú)功、正向和反向有功電能外，還包括缺相、相序錯誤和反向有功指示等狀態(tài)信息，非常適用于配電終端監測的設計。計量部分的典型電路簡(jiǎn)圖如圖4所示。

目前我國在用電量一直處于遞增趨勢，然而拖欠電纜的違章用電時(shí)有存在，這不但不利于電力部門(mén)的管理，而且影響了其它部門(mén)的正常用電。

針對電力管理需求，筆者設計了一種由ATT7022構成的配電監控終端系統，如圖5所示，該系統包括電能計量和配電監控兩部分。其中電能計量部分利用ATT7022芯片來(lái)實(shí)現對大用戶(hù)電能參數的精確采樣，相當于一塊高精度電能表；配電監控部分則通過(guò)RS485總線(xiàn)對被監控電能表（用戶(hù)標準表）電能參數進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并通過(guò)終端內部的軟件分析模塊分析出兩部分數據的一致性和報警標志，從而確定了是否存在違章用電情況。配電監控還可通過(guò)GPRS/GSM模塊與電力部門(mén)的上位機進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊，從而實(shí)現用電遠程配置和在線(xiàn)管理。在緊急情況下還可以通過(guò)遙控拉閘/合閘來(lái)保證用安全。

ATT7022的電壓輸入范圍0V～1V（有效值），因此，筆者選用的電流互感器規格為1.5(6)A/5mA，精度是0.05級，負載阻抗為20Ω，電壓互感器規格選擇100V/0.5V。這樣在額定電流、輸入額定電壓時(shí)，其電流、電壓差動(dòng)輸入電壓的有效值分別為0.1V和0.5V左右，可滿(mǎn)足ATT7022的要求。

5 結束語(yǔ)

配電監控終端可對用電大戶(hù)進(jìn)行用電管理，通過(guò)對大用戶(hù)的用電情況進(jìn)行綜合分析來(lái)確定電網(wǎng)的運行情況，從而實(shí)施功控、電控、時(shí)控和遙控等多方位控制，防止用戶(hù)違章用電，實(shí)現用電管理自動(dòng)化，提高電網(wǎng)供電效率。