計量芯片ADE7758在三相多功能網絡電能表中的應用

陳志忠 徐月華

（廣東機電職業(yè)技術學院機電系）

1 引言

隨著我國經濟的發(fā)展，電力供應已呈現了緊張的局面，尤其在沿海一些人口眾多，工業(yè)、經濟發(fā)達的城市尤為嚴峻。為緩解這一現狀，供電部門正大力推廣分時計費，多費率等計費模式[1]，因此三相多功能電能表成為電能表領域新的發(fā)展趨勢和需求熱點。

美國模擬器件公司（ADI）推出的電力計量芯片ADE7758具有體積小、精度高、開發(fā)方便等特點。該IC內嵌了高精度的模數轉換器和固定模式的高速數字信號處理器（DSP），具有數字積分、濾波和眾多實用電能監(jiān)測、計量功能，只需與芯片的接口（SPI）通信便能獲取計量結果，大大簡化了電力計量應用模塊化的設計，有利于提高產品性能，降低產品成本。

2 多功能電能表功能簡述

多功能電能表結構如圖1所示。該表具有測量三相電源的電壓、電流、頻率、功率因數、有功功率、

圖1 多功能電能表結構圖

無功功率等電量參數功能；能分時段記錄有功電能、無功電能；具有多種通信接口[2]。

電能表電源由三相電壓供給，供電可以采取三相三線或三相四線方式，只要有一相電源供電正常電表就能工作。三相電壓經過降壓、整流、濾波、穩(wěn)壓等調整電路后，為電能表內各芯片提供適當工作電壓。

三相電壓、三相電流等電量參數的計量由ADE7758芯片內部的數字信號處理器（DSP）完成。微處理器MCU通過SPI 串行接口讀取ADE7758芯片內部的當前電量數據信息，根據當前電量信息及電能表設置要求完成各種復雜數據計算處理。微處理器MCU將處理結果送LCD 顯示，通過RS485總線、Pyxos接口、GPRS無線網絡等接口模塊[3]，以完成三相多功能電能表的各種功能。

3 三相多功能電能表關鍵技術設計

3.1 計量芯片ADE7758概述

計量芯片ADE7758的基本特性如下：

(1) 精度高：常溫下，有功電能誤差< 0.1%。

(2) 采集數據：有功/無功/視在功率，電壓、電流有效值，采樣波形數據等。

(3) 2組脈沖輸出：有功功率、無功或視在功率。

(4) 兼容三相/三線，三相/四線等接線方式。

3.2 計量芯片ADE7758的引腳功能及硬件設計要點

如圖2所示，三相電壓、三相電流經過互感器和調理電路后，輸入到計量芯片ADE7758 的三相電壓、電流采集端。ADE7758芯片內部的數字信號處理器（DSP）對采集三相電壓、電流數據進行計算處理，并轉換為有功功率、無功功率、視在功率、無功功率等電量信息，這些電量信息由微處理器MCU通過SPI串行接口讀取。

圖2 計量芯片ADE7758的典型外圍應用電路圖

(1) 電源部分[4]

引腳：數字地端 DGND(2)、數字電源端DVDD(3) 、模擬地端AGND (11) 、模擬電源端(4) 。

ADE7758芯片的數字、模擬電路部分供電是獨立的。電源電壓應維持在5V±5%，用一個10uF的電容和一個100nF的瓷片電容并聯耦合。當使用同一個5V電源供電時，可采用電感進行分隔。模擬地端為內部ADCS、溫度敏感元件、參考電壓端等部分的參考地端，該引腳應該連接到系統的標準模擬地或干擾最小的接地點。干擾最小的接地參考點應該跟所有的模擬電路相連。為了減少ADE7758芯片地端的噪聲，模擬地端和數字地端應該只用一個點來連接。也可以把整個器件都安放在模擬接地面上。

(2) 基準電壓

REFIN/OUT(2)：基準電壓。ADE7758片內具有基準電壓，標稱值為2.42 V。可以使用外部基準電壓與該引腳相連。無論是否要連接外部基準電壓，該引腳都應該用一個1uF的瓷片電容跟AGND連接耦合。

(3) 電流輸入通道

引腳：A相電流IAP(5)、IAN(6)；B相電流IBP(7)、IBN(8)；C 相電流 ICP(9)、ICN(10)。

電流輸入通道為全差動電壓輸入，應用時要注意電流輸入的極性，否則會造成功率計算錯誤。根據內部放大器的增益選擇來設定輸入差動電壓的最大值，最大差動輸入可選擇±0.5V、±0.25V、±0.125V。

三相多功能電能表的電流輸入通道一般采用電流互感器(CT)進行隔離轉換，常用互感器電流規(guī)格為1.5A/6A。對于大電流用戶，采用外接一次互感器，按標準其電流輸出為5A。

(4) 電壓輸入通道

引腳：A相電壓VAP(16)；B相電壓VBP(15)；C相電壓VCP(14)；零線VN(13 )。

電壓輸入通為單端電壓輸入，最大信號電壓±0.5V（相對于 VN端）。可以通過內部寄存器 PGA選擇輸入信號最大值為±0.5V、±0.25V、±0.125V 。

三相多功能電能表的電壓輸入通道可以采用電壓互感器(PT)進行隔離轉換，也可以采用采用電阻網絡分壓方式。電阻網絡分壓方式可以降低產品的成本，但存在電表與三相交流電不隔離的問題。

(5) SPI總線接口及中斷

引腳：片選信號CS(21)；SPI串行接口的數據輸入端DIN(22)；SPI串行接口的時鐘輸入端SCLK(23)；SPI串行接口的數據輸出端 DOUT(24)；中斷請求輸出IRQ(18) 。

當IRQ 輸出變?yōu)榈碗娖綍r，微處理器MCU 的ISR 必須對中斷狀態(tài)寄存器進行讀操作，以確定中斷源。在對狀態(tài)寄存器的內容進行讀操作時，IRQ 的輸出在第一個字節(jié)傳送的最后一個 SCLK 下降沿上被設定為高電平(對中斷狀態(tài)寄存器讀出的命令)。直到下一次8 位傳送的最后一位(中斷狀態(tài)寄存器的內容)被移出之前，IRQ 輸出都保持高電平，若這時中斷尚未決定，則 IRQ 輸出將再次變?yōu)榈碗娖健Ｈ魶]有任何中斷處于等待狀態(tài)，則IRQ 輸出將保持高電平。

(6) 其他引腳

APCF(1)：有功功率校正頻率邏輯輸出引腳。

VARCF(17)：無功功率校準頻率邏輯輸出。

CLKIN(19)、CLKOUT(20)：數字信號處理時鐘。

3.3 Pyxos FT嵌入式控制網絡功能及硬件設計

多功能電能表通信網絡接口一般采用 RS485接口方式。RS485接口簡單，但存在通信協議不標準的問題。采用Pyxos嵌入式控制網是一個有效解決方案。

Pyxos FT平臺是美國埃施朗公司的最新一代嵌入式控制網絡平臺。該平臺是一種I/O網絡技術，應用在控制器和相關的I/O之間。I/O總線傳輸的數據通常只直接供控制器使用，使用簡單的控制策略，避免使用分離的I/O布線。

Pyxos FT平臺特性[5]：網絡傳輸速率高（312.5kb/s），響應時間短（≤25ms/32節(jié)點），網絡自組織安裝，不需要特殊工具。支持在同一對通信雙絞線上連接電源，通信信道供電，無極性。總線連接可達400米，自由拓撲連接可達100米。低成本，體積小（5mm×5mm），非常適于嵌入到各種各樣的設備中。使用和LonWorks網絡共享的數據類型，因此Pyxos 節(jié)點和LonWorks設備能夠無縫地集成。微處理器MCU通過SPI總線接口，可以讀取Pyxos數據。微處理器MCU與Pyxos芯片連接如圖3所示。

圖3 Pyxos控制網絡外圍應用電路圖

4 系統軟件

系統軟件包括系統初始化、時間讀取與時段判斷程序、電力參數計算、通信命令處理、產生各種歷史及報警記錄、顯示狀態(tài)等模塊組成。軟件流程如圖4。

其中讀電能參數及計算模塊將完成電力參數濾波、電力參數計算以及電能累加功能。系統實時讀取ADE7758芯片內部存儲的各相有功電能、無功電能、電壓有效值和頻率原始值，經過濾波處理，獲得正確的電力參數，并通過計算公式完成三相電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數、頻率等測量。

圖4 電力參數測控系統軟件流程

5 系統應用

利用網絡電能表組成的校園樓宇供電管理系統如下圖5所示。由電流互感器、網絡電能表、紅外探測器、門磁、LonWorks控制器（DDC）、i.Lon網關等組成。對配電房三相電源的電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數、配電柜開關分合狀態(tài)等多種參數進行監(jiān)視查詢。對教室供電實行“有人供電，無人斷電”處理。對校園公共照明按時間、亮度進行控制。結合系統管理軟件實現智能化管理。

圖5 樓宇供電管理系統

該系統自09年4月運行以來，經過測試和數據分析，具有性能穩(wěn)定、成本低、功能完善等優(yōu)點。

6 結束語

該系統采用了ADE7758芯片，大大地減少的軟件中的計算工作，而且提高了系統的測量精度。Pyxos嵌入式控制網絡技術為電能表實現網絡化測控提供了很好的技術平臺。Pyxos能無縫地和 GB/Z 20177 LonWorks網絡以及互聯網連接在一起，適合各種應用的要求。因此，多功能網絡電能表的研究具有較好的推廣應用價值。

[1]張曉東,屈百達. 基于ADE7758的復費率三相電能表設計.電子技術[M],2008,45(1):28～31

[2]王翠青,陳未如,任子真.基于ATmega 128L和ADE7758的電子式多功能電能表的設計與實現[J].沈陽化工學院學報,2008,21(1): 81～84

[3]黃聚永,袁慧梅,張志忠.基于ADE7758芯片的GPRS網絡電能表的設計與實現[J].微計算機信息,2007(1):166～167

[4]Analog Device Inc.Poly Phase Multifunction Energy Metering IC.http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/A DE7758.pdf,2008-10

[5]Echelon Corporation.Pyxos FT Chip Data Book.http://www.echelon.com/support/documentation/manuals/transceivers/005-0188-01A.pdf,2007-1