ATT7022B高精度智能電表的設計

隨著(zhù)電子技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展以及配電網(wǎng)自動(dòng)化系統的實(shí)施，進(jìn)一步促進(jìn)了電能質(zhì)量問(wèn)題的研究及其檢測裝置的研制，以往采用多個(gè)采樣模塊加上多路轉換開(kāi)關(guān)和高分辨率的模擬數字轉換器構成一個(gè)同步采樣模塊的方式逐漸被帶DSP功能的專(zhuān)用高精度計量芯片所替代。與傳統電表相比，本文方案采用低功耗單片機STC89C51和炬力公司的三相電能專(zhuān)用計量芯片ATF7022B來(lái)實(shí)現防竊電電能表，具有高精度、低功耗、防竊電等特點(diǎn)，用RS485通信可以方便遠程抄表，遠程校表等功能。

1 電能計量芯片ATT7022B
1．1 ATT7022B的功能及結構
ATT7022B是一款多功能防竊電三相電能計量專(zhuān)用芯片，該芯片適用于三相三線(xiàn)和三相四線(xiàn)的應用。它集成了7路二階sigma-deatlADC，其中3路用于三相電壓采樣，3路用于電流采樣，還有1路可用于零線(xiàn)電流或其他防竊電參數的采樣、輸出采樣數據和有效值，使用方便。它集成了參考電壓電路以及所有包括基波、諧波和全波的各項電參數測量的數字信號處理電路，能夠測量各相及合相包括基波、諧波和全波的有功功率、無(wú)功功率、視在功率、有功能量以及無(wú)功能量，同時(shí)還能測量頻率、各相電流及電壓有效值、功率因數、相角等參數，提供兩種視在能量(PQS，RMS)。
ATT7022B的內部框圖如圖1所示，內部主要包括模擬信號采樣、數字信號處理及SPI通信接口等電路。

1．2 ATT7022B數據采集計量模塊的設計
數據采集計量模塊的設計是以電能計量芯片ATT7022B為核心，包括電壓及電流模擬輸入、脈沖輸出、電源及SPI通信接口等電路的設計。
模擬輸入電路設計：該部分電路主要由電流、電壓互感器、抗混疊濾波器和參考電壓輸入電路組成。從互感器出來(lái)的信號，經(jīng)過(guò)濾波處理后。消除了干擾信號，再疊加上一個(gè)參考電壓信號，即可送入ATT022B的A／D轉換器進(jìn)行采樣，如圖2所示。

SPI通信接口電路設計：ATT7022B內部集成了一個(gè)SPI串行通信接口，通過(guò)該接口可方便的實(shí)現與外部微處理器的通信。SPI口包含2條控制線(xiàn)和2條數據線(xiàn)，分別為CS，SCLK，DIN和DOUT。ATT7022B與外部MCU的SPI通信接口，如圖3所示。

2 硬件系統構成及主要模塊
2．1 系統基本原理
該系統主要以單片機STC89C51為控制核心。三相電壓電流通過(guò)電壓互感器，電流互感器轉換后，接入三相專(zhuān)用電能計量芯片ATT7022B實(shí)時(shí)采集變壓器的參數，通過(guò)SPI接口將采集的各種參數送入單片機STC89C5l；同時(shí)，單片機通過(guò)串口建立通信，將數據上傳到中心站，可以根據采集的數據進(jìn)行開(kāi)關(guān)量的采集。電能表的硬件設計分成數據采集計量模塊設計、主控制模塊(MCU)設計、電源模塊設計等3部分，如圖4所示。

2．2 存儲器的選擇
在電表中一個(gè)重要的問(wèn)題就是數據的保存，數據的存儲不但要正確而且還要及時(shí)，如果檢測到的數據不能及時(shí)寫(xiě)入存儲器或者是寫(xiě)入錯誤，都會(huì )使電能表的精度大為下降，在傳統的電子電表中，多采用電可擦除可編程存儲器(EEPROM)來(lái)保存。但是EEPROM速度慢，有10 ms的寫(xiě)周期，掉電后必須有掉電檢測電路，這樣會(huì )使測到的數據不可靠，EEPROM的擦寫(xiě)次數比較少，不能及時(shí)地輸入數據。鑒于EEPROM有以上的缺點(diǎn)，本系統的設計采用了鐵電存儲器FM3104，解決了上述問(wèn)題。FM3104具有非易失性、擦寫(xiě)次數多、速度快、功耗低的特點(diǎn)。鐵電存儲器與微處理器的接口電路設計如圖5所示，應用本方案使硬件電路簡(jiǎn)化，而且提高了精度。

2．3 系統的其它部分模塊
系統的其它部分主要有電源模塊、LCD液晶顯示和RS485接口模塊。系統內部有許多功能模塊，需要多種不同電壓的直流電源供電，采用VAF505構成電源模塊，為系統提供抗干擾性和可靠性的直流電源。為了達到好的顯示效果，采用北京青云公司生產(chǎn)的LCMl2864P中文液晶顯示模塊，該顯示模塊可實(shí)現漢字、ASCII碼、點(diǎn)陣圖形的同屏顯示，廣泛用于各種儀器儀表、家用電器和信息產(chǎn)品上作為顯示器件。RS485通信接口允許在簡(jiǎn)單的一對雙絞線(xiàn)上進(jìn)行多點(diǎn)、主從式半雙工通信，它所具有的噪聲抑制能力、數據傳輸速率、傳輸距離以及可靠性等是其他標準所無(wú)法比擬的。本終端采用RS485總線(xiàn)與外部電能表進(jìn)行數據通信，實(shí)現遠程抄表?？偩€(xiàn)驅動(dòng)芯片選用SN65ALSl76D完成RS485通信收發(fā)功能。

3 軟件設計
采用模塊化設計思想，單片機軟件設計主要包括主程序、初始化程序、ATT7022B復位程序、SPI通信程序、數據采集程序和數據發(fā)送程序。系統還包括3個(gè)中斷程序：ATT7022B異常判定中斷程序、定時(shí)中斷程序和串口通信中斷程序。

4 結束語(yǔ)
以STC89C51單片微處理器為核心，利用專(zhuān)用計量芯片ATT7022B的電能計量能力實(shí)現對有功、無(wú)功、視在功率、雙向有功和四象限無(wú)功電能，以及電壓和電流有效值、相位、頻率等電參數的準確測量。電表的線(xiàn)路設計簡(jiǎn)單、計量精度高。此電表目前已經(jīng)投入批量生產(chǎn)，運行良好。