基于A(yíng)DE7878的多路電量檢測系統設計
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1 ADE7878簡(jiǎn)介
ADE7878是一款高精度、三相電能測量IC。ADE7878適合測量各種三線(xiàn)、四線(xiàn)的二三相配置有功、無(wú)功和視在功率，例如Y形或三角形等。各相均具有系統校準功能，即有效值失調校正、相位校準和增益校準。CF1、CF2和CF3邏輯輸出可提供許多功率信息：總／基波有功／無(wú)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(fǎng)問(wèn)所有ADC輸出。該器件還提供電能質(zhì)量測量，例如：短時(shí)低壓或高壓檢測、短時(shí)高電流變化、線(xiàn)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(gè)串行接口SPI和I2C，可以與ADE7878通信，同時(shí)專(zhuān)用高速接口、高速數據采集(HSDC)端口可以與I2C配合使用，以訪(fǎng)問(wèn)ADC輸出和實(shí)時(shí)功率信息。該器件還有兩個(gè)中斷請求引腳／IRQ0和／IRQ1，用來(lái)指示一個(gè)使能的中斷事件已經(jīng)發(fā)生。
2 電量檢測系統設計
2．1 系統設計原理
整個(gè)檢測系統由LPC2132控制及數據存儲模塊、信號調理和采集模塊、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)現電量檢測系統的各項功能。交流電壓和電流信號，經(jīng)過(guò)信號調理電路，經(jīng)過(guò)4052多路信號切換電路，輸出ADE7878采樣范圍內的信號，ADE7 878將模擬量信號轉換為數字量，LPC2132芯片通過(guò)I2C通信接口，獲取ADE7878的數據，同時(shí)LPC2132適時(shí)切換4052多路開(kāi)關(guān)，切換各個(gè)支路電流信號輸出到ADE7878芯片。檢測系統配有EEPROM掉電存儲單元，可以將ADE7878的校表參數及電能數據存儲。通訊模塊通過(guò)RS485通信接口，可以與計算機進(jìn)行數據通信，上傳采集到的數據信息。電量檢測系統實(shí)現原理如圖1所示。
2．2 系統硬件設計
硬件系統設計主要分信號調理和采集模塊、多路信號切換模塊、MCU控制及數據存儲模塊和通信模塊3部分。
2．2．1 信號調理和采集模塊
電壓采樣采用電阻分壓的方式實(shí)現，用大電阻及小電阻串聯(lián)，采樣小電阻兩端電壓信號，這樣輸出端VA(VB，VC)輸出一個(gè)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。信號調理和采集電路原理圖，如圖2所示。
電壓采樣電路計算公式及電壓系數如式(1)、(2)所示。
電流采樣的傳感器采用電流互感器，一次側直接為實(shí)際測量線(xiàn)路，其二次側輸出為電流信號(具體輸出電流大小根據需要而定)，故電流采樣采用串聯(lián)電阻的方式實(shí)現，采用兩個(gè)電阻串聯(lián)實(shí)現，這樣可得到一個(gè)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ADE 7878中電流采樣電路計算及電流系數計算公式如式(3)、(4)所示。
在進(jìn)行多路電量信號采集時(shí)，需要通過(guò)適時(shí)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、溫漂等問(wèn)題的存在，上述計算公式零位和線(xiàn)性系數會(huì )稍有偏差，可以通過(guò)標定得到準確的系數和零位。
2．2．2 MCU控制系統的設計
為了提高采集系統的可靠性，選用基于32位ARM7內核的LPC2132芯片作為主處理器及外部的復位電路實(shí)現可靠復位。這樣使用一個(gè)小的、廉價(jià)的處理器核就可實(shí)現很高的指令吞吐量和實(shí)時(shí)的中斷響應。MCU控制系統電路原理圖，如圖3所示。
為了使系統能夠正確復位，在此系統中，使用專(zhuān)用復位芯片CAT1025復位。CAT1025集成了系統電源監視電路。當系統電壓高于設定電壓時(shí)，延時(shí)200 ms啟動(dòng)系統，這使系統在上電時(shí)的復位時(shí)間大于LPC2132芯片所需要的復位時(shí)間，使系統正常復位。
2．2．3 多路信號切換模塊的設計
本系統，采用一個(gè)電能芯片可采集4路的電流，功率或單路電流，功率，電能數據，其實(shí)現多路電流檢測的關(guān)鍵是通過(guò)CD4052／CC4052切換各路電流信號接入ADE7878芯片。
CD4052／CC4052是一個(gè)差分4通道數字控制模擬開(kāi)關(guān)，有A、B 2個(gè)二進(jìn)制控制輸入端和INH輸入，具有低導通阻抗和很低的截止漏電流。這些開(kāi)關(guān)電路在整個(gè)電源范圍內具有極低的靜態(tài)功耗，與控制信號的邏輯狀態(tài)無(wú)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。其典型應用原理如圖4所示。
在采集多路電流時(shí)，LPC2132通過(guò)CD4052控制端控制各支路信號接入ADE7878采樣管腳，由于A(yíng)DE7878芯片內部有DSP算法原理，存在數據建立時(shí)間問(wèn)題，故檢測各支路電流信號的接入時(shí)間不要太短，否則正確數據沒(méi)有運算完成，數據誤差較大。為了防止CD4052控制信號線(xiàn)干擾現象發(fā)生，將控制信號線(xiàn)接上拉電阻，這樣對切換過(guò)程影響小，工作可靠。
2．2．4 通信模塊的設計
LPC2132芯片串行通信接口采用的是TTL電平，它不能直接與PC機標準串行通信接口連接通信，必須設計TTL電平到RS485協(xié)議電平信號的轉換電路。
MAX485是一種把TTL電平轉換為RS485電平的芯片。RS485總線(xiàn)標準采用平衡發(fā)送和差分接收的方式進(jìn)行數據通訊，利用信號線(xiàn)A、B間的電壓差傳輸數據，屬于兩線(xiàn)制的信號傳輸方式。RS-485總線(xiàn)用于多點(diǎn)互聯(lián)時(shí)非常方便，可以省掉許多信號線(xiàn)，應用RS-485可以互聯(lián)構成分布式系統，允許最多并聯(lián)32臺驅動(dòng)器和32臺接收器，但對同一信號線(xiàn)上同一時(shí)刻只允許一個(gè)驅動(dòng)器工作。
2．3 系統軟件設計
本系統中，單片機程序由3個(gè)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。
系統復位后，單片機先進(jìn)行各參數(如串口通信波特率)初始化設置．并從EEPROM芯片讀取ADE7878校準參數及存儲的電能參數，將校準參數寫(xiě)入ADE7878芯片，實(shí)現電量參數的準確檢測。繼而間隔固定時(shí)間，適時(shí)操作4052開(kāi)關(guān)電路，切換采集各路電量數據，并瀆取ADE7878采集的各路電量參數，及時(shí)將電能參數存儲到EEPROM芯片，并適時(shí)清看門(mén)狗。如果有正確通信事件發(fā)生，則將采集到的電量數據經(jīng)RS485通信接口上傳數據。程序控制流程如圖5所示。
3 結論
本系統采用的電路，用一個(gè)電能計量芯片即可實(shí)現多路電量數據的采集工作，并且在各電量數據額定采樣范圍內，精度均可達1％，電路簡(jiǎn)單，應用靈活、精度高、成本低廉。系統各項技術(shù)指標均達到了設計要求，工作可靠，并已投入使用，有較高的使用價(jià)值，對過(guò)程監控、數據采集等系統的開(kāi)發(fā)具有借鑒意義。
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