電能表中通訊接口電路的設計及實現

蘭州供電公司 段朝陽 王 璟

隨著電力和電子產業的蓬勃發展，及用戶和電力公司對電能表的要求愈來愈高，電能表作為用戶和電力公司交易平臺，其作用至關重要。電能表作為衡量電能的計量儀器，其技術性要求很高，既要求精確、更要求穩定，并保證長期可靠運行，并且隨著我國電力市場的逐步建立和完善，電力系統越來越復雜，作為電力系統重要組成部分的電能表受到了越來越多的關注。為了滿足各方面的需求，電能表設計也朝著復費率、精確計量、智能化和網絡化的方向發展，在工業用戶的電力系統中，電能表從性能上還要滿足惡劣的工作環境，電壓高、電流大、負荷重等條件。但我國早先普遍使用的感應式電表存在精度差、功耗大、受諧波影響大等問題，在用電計費上給國家帶來了很大的損失。隨著電子技術發展和現代電力應用，電能表專用計量芯片如ATT7022B、ATT7022C也隨即而出，從某種程度上提高了電能計量精度，簡化了電度表設計結構，功能上也得到了更多的擴展[1]。但是為了提高電力管理部門工作效率，實現遠程控制、自動抄表等，那么高精度智能電能表才是今后市場的迫切所需。

本系統采用專用計量芯片來檢測電信號，配以微控制器（MCU）編程實現多種功能。檢測部分由精密電流互感器、電壓互感器和外圍處理電路組成，從而得到電流、電壓、頻率、相位等電網的實時參數，經計量芯片ATT7022B處理，并使用FPGA實現其通信，將計量得到各種電網參數進行處理和相應的存儲，最后通過液晶顯示屏顯示或通過通信模塊（RS-485或紅外）進行遠程通信和紅外抄表。

1.SPI通信接口

本論文設計的SPI接口電路連接可以參考圖1，ATT7022B的SPI通信格式是相同的，8位地址，24位數據，MSB在前，LSB在后。CS為片選，允許訪問串口的控制線，CS由高電平變為低電平是表示SPI操作開始，CS由低電平變為高電平時表示SPI操作結束，所以每次操作SPI時CS必須出現下降沿，CS出現上升沿時表示SPI操作結束；DIN為串行數據輸入，用于把用戶的數據（如數據/命令/地址等）傳輸到ATT7022B；DOUT為串行數據輸出，用于從ATT7022B寄存器讀出數據；SCLK為串行時鐘，控制數據移出或移入時串行口的傳輸率，上升沿放數據，下降沿取數據。SCLK下降沿時將DIN上的數據采樣到ATT7022B中，SCLK上升沿時將ATT7022B的數據放置于DOUT上輸出。

SPI讀操作時序圖如圖2。ATT7022B的計量參數以及校表參數寄存器是通過SPI

提供給外部FPGA來進行處理。

其命令格式為

圖1 SPI通訊接口

圖2 SPI讀時序

圖3 SPI寫時序

圖4 誤差實驗圖

表1 電壓測量數據及誤差分析

Bit7：0表示讀命令，用于讀取ATT70 22B的計量及校表寄存器。

Bit7：1表示寫命令，用于更新校表數據。

Bit6…0：表示數據地址，可參考數據輸出寄存器。

SPI讀工作過程中，通過SPI寫入一個8Bits的命令字之后，需要一個等待時間，然后才能通過SPI讀取24Bits的數據。在SCLK低于200kHz時，可以不需要等待；當SCLK頻率高于200kHz時，則需要等待大約3us。

SPI寫操作時序圖如圖3。外部處理器可通過SPI對ATT7022B的校表寄存器進行寫操作。

其命令格式為

Bit7/6：1 0表示寫命令，用于更新校表數據寄存器。

Bit7/6：1 1表示寫入特殊命令字。Bit7： 0表示讀命令，用于外部處理器讀取ATT7022B的計量數據。

Bit5…0：表示數據地址，可參考校表寄存器。

SPI寫工作過程中，通過SPI寫入一個8Bits的命令字之后，不需要一個等待時間，

繼續通過SPI寫入24Bits的數據即可。

2.實驗及其結果

校表是對各相電流增益、電壓增益、功率增益、相位進行補償，功率增益不要分段。相位校正可根據精度要求，考慮分段或不分段進行。分段是按電流的大小來分，對相位校正，最多可分五段進行。ATT7022B做軟件校表時，一般來說電壓、電流校正，啟動電流設置，斷相閾值電壓設置，均沒有順序上的要求，但在進行功率增益校正時，應先設置合相能量累加模式（這個步驟也可省去，直接使用缺省值）、電壓通道ADC增益和高頻輸出參數，這是功率校正的條件，而后先作功率增益校正，再進行相位校正，相位校正是在完成功率增益校正后進行的。所有校正都是在相應的校表寄存器參數為零的條件下進行的[2]。

電能表主要功能是計量有功無功電量，對其精度的測試是判斷產品是否滿足設計要求首要條件，常用的測試方法是用精度更高的表（稱作標準表）做參考，觀察其與標準表的誤差有多大，并把誤差大小作為判斷其合格與否的重要參數，圖4為誤差測試圖，該實驗主要是對有功、無功、電壓、電流、頻率等參數進行測試。這些數據都通過SPI通訊接口傳輸出來。所以只要能正確獲得相關參數數據，那么就能驗證SPI設計的正確性。

精密電源臺提供電壓、電流分別給電能表與精度為萬分之五（0.05級）的標準表，通過標準表可測試有功、無功功率的誤差。通過電能表LCD顯示器可讀取電壓、電流、頻率值，并與電源顯示的標準值進行比較，計算出誤差。對電壓、電流、頻率的測試過程是：讀取電源臺顯示的電壓、電流、頻率值，同時通過LCD讀取電能表顯示的電壓、電流、頻率值，將測試的數據計算出相對誤差與絕對誤差。因以前沒有電能表顯示電壓電流值的國家標準，根據1級表的概念，電壓、頻率的相對誤差應小于1%，由于電流屬于電能中變化范圍非常寬的參數，對其小信號的判斷不能按上述辦法，根據經驗，電流的絕對誤差應小于0.1安培。表1記錄了電壓的測試結果，按照上述判斷依據，電能表顯示的電壓值滿足標準要求。而且也表明本文所設計的SPI工作穩定可靠。

3.結論

本文提出在電能表設計中使用FPGA實現電能表內部數據顯示在外部顯示其的方法，通過整機調試實驗證明，該方法可行并且實用。本論文為進一步使用FPGA替代MCU來實現電能表的功能控制及通訊控制做了開拓性的研究，為進一步實現更高速的電能表的控制系統研究另辟了一條研究方向。

[1]郭松林,林海軍,張禮勇.電子式電能表專用芯片分類及原理[J].電測與儀表,2002,39(10):5-7.

[2]楊蕾,黃光明.ATT7022B自動校表平臺的實現[J].電測與儀表,2007,44(5):58-60.