基于MCP3906電能芯片和AT-Mega16單片機的單相電表計量設計

電能表作為電能計量的專(zhuān)用儀表,在電能管理儀器儀表中占有很大比例,其性能直接影響著(zhù)電能管理的效率和科技水平。從產(chǎn)品的功能、性能及經(jīng)濟效益等多方面來(lái)看,全電子電能表與傳統的感應式電能表相比,存在著(zhù)明顯的優(yōu)勢。而且電能表作為計量管理和用電管理的終端,它所提供的各種功能是實(shí)現電力系統自動(dòng)化管理必不可少的。傳統的測量都是采用A／D轉換電路,但這種方法使部分電參量測量精度欠佳,性?xún)r(jià)比不理想,且軟件編程相對復雜,微控制器必須對采樣電路進(jìn)行數據處理(如電壓、電流的平均值、有效值,有功、無(wú)功計算等)。而隨著(zhù)現代電子產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展,測量電路的集成化、模塊化成為未來(lái)發(fā)展的趨勢,各大器件公司也紛紛推出自己的電能計量芯片。這種集成芯片不僅精確度高,而且硬件、軟件設計簡(jiǎn)單,價(jià)格便宜,性?xún)r(jià)比高,極具市場(chǎng)潛力。本文給出了基于Microchip公司的MCP3906單相電能計量芯片,并以AVR公司的ATMega16為MCU設計開(kāi)發(fā)的一款新型單相電能表實(shí)現方案。與以往電能表相比,該方案具有設計接口簡(jiǎn)單、結構緊湊、可靠性高等特點(diǎn)。

1 MCP3906單相電能計量芯片

MCP3906是Microchip公司推出的單相電能計量芯片,它支持國際電能計量標準技術(shù)規范IEC62053,可提供與平均有功功率成比例的頻率輸出,以及與瞬時(shí)功率成比例的高頻輸出用于電表校準。MCP3906內部包含兩個(gè)16位△-∑ADC,可用于各種IB和IMAX電流和小分流器(200μΩ )的電表設計。該芯片還包含一個(gè)超低溫漂(15ppm／℃)參考電壓,通過(guò)特殊設計的帶隙溫度曲線(xiàn),可在整個(gè)工業(yè)級溫度范圍內使溫度梯度達到最小。固定功能的片上DSP模塊可用于計算有功功率,此外,片上還有驅動(dòng)機械計數器的高輸出驅動(dòng)器,可以減少現場(chǎng)故障和機械計數器咬合。芯片的空載門(mén)限模塊可防止任何電流潛變(Creep)測量,而上電復位(Power on Reset,POR)模塊則可在低電壓時(shí)限制電表測量。因此,MCP3906是具備高現場(chǎng)可靠性的精密電能計量IC,并采用業(yè)界標準的引腳配置。

1.1 MCP3906的內部結構及工作原理

MCP3906是混合模擬／數字信號的CMOS集成電路,其內部結構框圖如圖1所示。

MCP3906可提供與有功功率成比例的頻率輸出和與瞬時(shí)功率成比例的高頻輸出來(lái)用于校準。它的兩個(gè)通道均使用16位二階△-∑ADC,能以MCLK／4的頻率對輸入進(jìn)行采樣,同時(shí)允許對動(dòng)態(tài)范圍很寬的輸入信號進(jìn)行采樣?？删幊淘鲆娣糯笃?Programmable Gain Amplifier,PGA)擴大了電流輸入通道(通道0)的可用范圍。其有功功率的計算以及與計算有關(guān)的濾波均可在數字域中完成,從而提高了其穩定性和溫漂性能。

MCP3906的兩個(gè)數字高通濾波器(HPF1和HPF2)可以濾除兩個(gè)通道的系統偏移量,因此,有功功率的計算不含任何電路或系統偏移量。經(jīng)過(guò)高通濾波后,電壓和電流信號相乘,即可得出瞬時(shí)功率信號。此信號不含直流偏移分量,因此可有效利用求平均法(Averaging Technique)計算出所需的有功功率輸出。

瞬時(shí)功率信號包含的有功功率信息就是瞬時(shí)功率的直流分量。求平均法可用于計算正弦和非正弦波形,以及所有功率因數。瞬時(shí)功率經(jīng)過(guò)低通濾波器(LPF)就可以產(chǎn)生瞬時(shí)有功功率信號。

通過(guò)MCP3906的DTF轉換器可對瞬時(shí)有功功率信息進(jìn)行累加,以產(chǎn)生輸出脈沖,此脈沖的頻率與平均有功功率成比例。FOUT0和FOUT1輸出的低頻脈沖可用于設計驅動(dòng)機電式計數器和雙相步進(jìn)電機,以便顯示實(shí)際消耗的有功功率。每個(gè)脈沖對應于一個(gè)固定的有功電量值,其功能可由F2、F1和F0的邏輯進(jìn)行選擇。HFOUT輸出具有較高的頻率設定和較低的積分周期,可用于表征瞬時(shí)有功功率信號。由于累加時(shí)間較短,該輸出可使用戶(hù)在穩定的負載條件下進(jìn)行快速的校準。

1.2 MCP3906的引腳功能

MCP3906采用24引腳SSOP封裝,其引腳排列如圖2所示。各引腳的功能說(shuō)明如表1所列。

2 MCP3906在單相電能表中的應用

2.1 單相電能表的系統組成

利用MCP3906和AVR Mega16設計的單相電能表系統框圖如圖3所示。圖中,MCP3906芯片用于對輸入的電壓和電流進(jìn)行計算。將經(jīng)過(guò)高通濾波后的電壓和電流信號相乘,得出瞬時(shí)功率信號,此瞬時(shí)功率經(jīng)過(guò)低通濾波器即可產(chǎn)生瞬時(shí)有功功率信號。此信號不含直流偏移分量,但可利用求平均法計算出所需的有功功率輸出：然后通過(guò)器件的DTF轉換器對瞬時(shí)有功功率信息進(jìn)行累加,以產(chǎn)生輸出脈沖,此脈沖的頻率與平均有功功率成比例,每個(gè)脈沖對應于一個(gè)固定的有功電量值;再通過(guò)AVR單片機對該脈沖信號進(jìn)行計數,即可得出有功功率的數值;最后通過(guò)LCD顯示模塊顯示出來(lái)。系統的電能累計分為第一次上電后的連續累計和時(shí)段累計兩種。時(shí)段累計需要對時(shí)間進(jìn)行判斷,即如果當前的時(shí)間處在某個(gè)時(shí)段內,則對該時(shí)段進(jìn)行電能累計;否則,不進(jìn)行電能累計。

2.2 系統功能模塊

(1) RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊

時(shí)鐘是電能分時(shí)計量的基礎,實(shí)時(shí)時(shí)鐘分硬時(shí)鐘和軟時(shí)鐘兩種,本設計選用硬時(shí)鐘。當前應用較為廣泛的時(shí)鐘芯片有PCF8583、DS1302等。本設計選用DS1302實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片來(lái)為系統提供時(shí)鐘,可精確到年月日時(shí)分秒。該芯片內置可編程日歷時(shí)鐘和31字節的RAM,工作電壓范圍為2.5～5.5V,且功耗低。掉電后可由電池供電,其工作壽命達10年以上。

(2) LCD顯示模塊

電能表的顯示一般可采用段式LCD顯示器,這種顯示器具有功耗低、壽命長(cháng)、顯示方式靈活等優(yōu)點(diǎn)。
(3) 通信接口模塊

通訊處理模塊是電能表系統與外界通訊的模塊,這是依據國標規程編寫(xiě)的一個(gè)軟件模塊。該模塊包括通訊接收處理、通訊命令處理及通訊發(fā)送處理等部分。由于通訊信道有紅外信道和RS485信道兩個(gè)信道,故在通訊時(shí),要由MCU來(lái)判斷道底使用哪個(gè)信道。

(4) 數據存儲模塊

該功能模塊主要由支持I2C總線(xiàn)的可擦寫(xiě)EEP-ROM (AT25C256)和掉電保護電路組成,主要用于存儲計算出來(lái)的電壓、電流、有功等實(shí)時(shí)值以及每個(gè)時(shí)段的有功電能值,還有掉電時(shí)間記錄、電壓電流越上下限報警記錄和歷史記錄等等。如果模塊掉電,系統中的掉電保護電路會(huì )自動(dòng)切換到后備電池給外部RAM供電,以保證RAM里所有的數據不丟失。

(5) 電源

為確保電能表穩定可靠的運行,電源是電能表設計的一個(gè)關(guān)鍵。本設計采用一路9V電源和一路5V電源來(lái)分別給AVR Mega16和RS485通信單元供電。通信單元、計量單元和MCU之間的通信采用光耦進(jìn)行隔離,可提升整個(gè)系統的抗干擾能力。眾所周知,電能表的干擾源主要有電網(wǎng)的電壓波動(dòng)、閃電沖擊和變壓器產(chǎn)生的電磁感應等。本設計采用壓敏電阻來(lái)吸收瞬問(wèn)高壓沖擊。電源進(jìn)線(xiàn)處則使用磁環(huán)來(lái)防止高頻電磁脈沖對電路的干擾和破壞。

2.3 軟件設計

整個(gè)電能表的軟件程序由主程序、系統初始化、電量處理模塊、數據存儲、鍵盤(pán)中斷、LCD顯示模塊、通信模塊等組成。通過(guò)主程序或通過(guò)中斷方式可以調用子程序,以實(shí)現系統的整體功能。

其中主程序可用于完成啟動(dòng)和系統初始化(包括FLASH、RAM、LCD的設置、SCI及RTC等的初始化),以及判定時(shí)段,在LCD上顯示電量和時(shí)間等。主程序的流程圖如圖4所示。

而電量處理模塊則用于讀取計量芯片的有功等電量數據,并進(jìn)行復雜的處理,最后保存這些電能參量。

按鍵中斷模塊主要用來(lái)處理按鍵中斷。LCD顯示模塊則用于完成LCD字段的顯示,可通過(guò)LCD顯示屏輪流顯示有功和總電量等參數。

通信模塊主要按照通訊規約的要求,來(lái)實(shí)現與抄表系統的可靠通訊。以便通過(guò)抄表系統來(lái)讀取用戶(hù)的電量數據以及設置時(shí)間、費率和地址等電表參數。

3 結束語(yǔ)

通過(guò)本文基于MCP3906電能芯片和AT-Mega16單片機的單相電表可實(shí)現對單相電能的計量。該系統性能穩定、功能完善、操作簡(jiǎn)單,非常適用于單相電能的測量。其較高的性?xún)r(jià)比也為計量機構和用戶(hù)提供了更多的一種選擇。