基于ATT7022A與MSP430的智能三相電力計量儀表的設計與實現

巢玉江, 袁紅兵，馮鋒

(1.南京理工大學 機械工程學院，江蘇 南京 210094；2.南京理工大學 無錫研究院，江蘇 無錫 214000)

基于ATT7022A與MSP430的智能三相電力計量儀表的設計與實現

巢玉江1, 袁紅兵2，馮鋒2

(1.南京理工大學 機械工程學院，江蘇 南京 210094；2.南京理工大學 無錫研究院，江蘇 無錫 214000)

介紹了一款以電能計量芯片ATT7022A為基礎，以MSP430系列的MSP430F149為主控芯片的三相電參數采集儀表。通過RS-485總線能實現信號和數據的輸入輸出、計算、控制等功能。通信協議采用Modbus-RTU協議格式，增強了可靠性和實用性。現場運行表明, 系統穩定可靠, 具有較高的實用價值。

ATT7022A；MSP430；Modbus-RTU協議；三相交流電

0 引言

近年來，隨著科技的快速發展，電子式電能表在國內和國際上得到迅速推廣。但是許多企業里設備的電器控制柜還是老式機械式電能表，這種電表功能單一，精度不高，數據不能遠程共享。隨著越來越多的企業開始向生產和管理自動化轉變，智能三相電表應運而生。

本文設計的多功能三相三線電表主要應用于大功率設備(如潛水泵)的電力參數的測量。在數據傳輸方面，由于RS-485總線以差分平衡方式傳輸信號，所以具有抗干擾性好、傳輸距離遠等特點，非常適用于組成工業級的多機通信系統。Modbus協議是智能儀表的通用協議，更是增加了本儀表的通用性，與其他設備實現無縫對接。

1 系統架構設計

整個系統由三相電能芯片ATT7022A、MSP430F149單片機、數碼管顯示電路、接口電路等組成部分。系統的整體架構如圖1所示。

圖1 系統框圖

2 硬件電路設計

1) ATT7022A的特性

ATT7022A的一款多功能三相電能計量專用芯片，該芯片具有高精度，在輸入動態工作范圍(1000∶1)內，非線性誤差小于0.1%；對有功、無功功率的測量精度分別達到0.2s和0.5s，對有功、無功電能測量精確度達到0.5s和2級；所能測量的電能參數包括有功、無功、視在功率、雙向有功和四象限無功電能、基波/諧波電能以及總電能、電壓和電流有效值、相位、頻率以及21次諧波的有功、無功和視在功率等；具有SPI接口，方便的進行軟件調試電表，讀測量數據；適用于三相三線和三相四線電表[1]。

2) 單片機的選型

MSP430F149單片機是美國TI(德州儀器)公司近年推廣的16位高性能混合信號處理器。它有看門狗定時器(WDT)、模擬比較器A、定時器A(Timer_A)、定時器B(Timer_B)、串口0/1(USART0/1)、硬件乘法器、12位ADC、I2C總線直接數據存取(DMA)以及端口1～6(P1～P6)等外圍模塊。由于它具有處理能力強、運算速度快、集成度高、外部設備豐富、超低功耗等優點，而且有很高的性價比，因此在許多領域內都得到了廣泛的應用[2]。MSP430F149單片機本身具有硬件支持的SPI接口，所以軟件的設置就非常簡單，并且CPU有更多的時間去處理其他的任務。

3) 具體電路的設計

本方案主要有測量單元(ATT7022A)、MCU(MSP430F149)、數碼管顯示、電源、電平轉換電路、通信接口電路、按鍵等部分。

a) 測量單元：測量三相電各相的電壓電流、有功功率、無功功率等參數。主要有電壓互感器、電流互感器、芯片ATT7022A組成。電壓電流信號分別通過互感器和測量電路送給ATT7022A處理，ATT7022A處理完的數據通過SPI提供給MCU。ATT7022A內部集成了6路16位A/D轉換器，電流通道有效值在2mV至1V范圍內，電壓有效值在10mV與1V的范圍內。前端的采集電路如圖2所示。

圖2 前端采集電路

b) 芯片與MCU之間的通信：由于單片機工作電壓為3.3V，ATT7022A的高電平為5V，所以芯片與MCU之間SPI通信需要電平轉換電路。此處選用芯片SN74LVC4245。此芯片通過2腳(DIR)和22腳(/OE)來選擇3.3V與5V的轉換，這兩個腳與單片機的IO口相連。轉換關系為：當/OE、DIR都為低電平時，3.3V→5V；當/OE、DIR都為高電平時，5V→3.3V；當/OE為高電平時，為阻斷態。此芯片的轉換時間在2～5ns，當SPI的波特率為9600時，足夠滿足需求。

考慮到SPI傳輸信號線有可能受到干擾或者出現抖動，可以在SPI信號線上串聯一個小電阻。這個電阻與IC輸入端的寄生電容C結合起來可構成一個低通濾波器，可以消除SPI接口信號上的任何振蕩，一般推薦使用10～100Ω的電阻。如果數字輸入端的內部電容不夠大，還可在這個輸入端加一個外接電容，可選10pF左右的電容。對于這兩個電阻電容參數選擇要根據SPI通訊速率以及外部 MCU 的型號進行分析并需要作些相關的實驗以確定電阻電容值是否合適。具體的接線框圖如圖3所示。

圖3 ATT7022A與MCU的接線框圖

c) 通信接口電路：MSP430F149單片機有兩個串口-USART0/1。單片機串口0通過MAX3232芯片電平轉換可以與PC機的串口相連，實現上位機與下位機的通信。在設備的調試過程中有很重要的作用，也可以通過串口，實現上位機軟件對設備的配置。比如：設備地址、波特率、數據位數等參數的配置。單片機串口1通過芯片MAX485，實現485信號的輸出，可以實現帶多個此類設備。具體如圖4所示。

圖4 232和485電路

d) 數碼管和按鍵電路：主要負責電能、功率、電能等一系列參數的現實工作和地址和一些參數的設置工作。

e) 電源電路：本設備采用24V直流電供電，經過7805芯片產生5V電壓供給ATT7022A芯片工作，再經過一個1117-3.3電源芯片產生3.3V電壓供單片機等使用。

f) DS1302時鐘：給設備提供一個準確的參考時間。

3 系統軟件的設計

1) 多功能電表程序結構流程圖如圖5所示。多功能電表的軟件設計主要是進行測量數據的處理、數據的傳輸、電能的累加、異常情況的判斷和處理。主要完成ATT7022A芯片的初始化、單片機時鐘初始化、串口和SPI通訊的初始化、DS1302實時時鐘的初始化等，主程序中對各個參數的測量和計算。中斷程序中是SPI中斷和串口的中斷服務程序，及時響應各種功能命令[3]。

電量計量程序是該多功能電表的主要部分。主要是通過單片機SPI去讀ATT7022A電壓寄存器、電流寄存器、功率寄存器；相序檢查；電壓負序與零序不平衡度、電流負序與零序不平衡度計算。在電表數據處理過程中，最重要是要判斷出ATT7022A是否在正常工作。定時讀取ATT7022A提供的校表寄存器的校驗和寄存器的值。當發現校驗出錯時，單片機對ATT7022A復位并重新寫入校表數據。

2) 電力電參數的計算

3) Modbus通信協議

Modbus協議是應用于電子控制器上的一種通用語言。通過此協議，控制器相互之間、控制器經由網絡(例如以太網)和其他設備之間可以通信。它已經成為一通用工業標準。有了它，不同廠商生產的控制設備可以連成工業網絡，進行集中監控[4]。

控制器能設置為兩種傳輸模式(ASCII或RTU)中的任何一種在標準的Modbus網絡通信。用戶選擇想要的模式，包括串口通信參數(波特率、校驗方式等)，在配置每個控制器的時候，在一個Modbus網絡上的所有設備都必須選擇相同的傳輸模式和串口參數。本設備采用MODBUS-RTU通訊協議。MODBUS協議在一根通訊線上采用主從應答方式的通訊連接方式。首先，主計算機的信號尋址到一臺唯一地址的終端設備(從機)，然后，終端設備發出的應答信號以相反的方向傳輸給主機，即：在一根單獨的通訊線上信號沿著相反的兩個方向傳輸所有的通訊數據流(半雙工的工作模式)。

數據幀的結構：即報文格式。

地址碼功能碼數據碼校驗碼1個BYTE1個BYTEN個BYTE2個BYTE

地址碼是幀的開頭部分，標明了用戶指定的終端設備的地址。校驗碼采用CRC校驗方式。具體的功能碼在此不詳細列出。

4 軟件校表

ATT7022A支持全數字校表，即軟件校表。經過校正的儀表，有功精度可高達0.5s，無功精度2級。如果選擇軟件校表，那么SCF、S0、S1全部接高電平或者全部懸空不接。由于構成電流、電壓通道的抗混疊濾波器RC元件存在容差, 導致2個通道相位失配, 給最終測量帶來誤差。引起該誤差的相位可以與互感器的角差同時得到校正。ATT7022A提供的校表參數寄存器包括相位補償區域設置、相位校正、功率增益校正、電壓/ 電流校正、比差補償設置、啟動電流、高頻脈沖輸出設置、斷相閾值電壓設置和合相能量累加模式等寄存器。每個寄存器3個字節, 地址不連續地分布在0x01～0x3F之間。校表是電能表設計中非常重要的環節,ATT7022A通電復位后, 校表寄存器的初始數據為默認值, 此時讀出的計量參數值和實際參數值不符, 因而需要對校表寄存器進行設置, 以將測量值減小到誤差范圍之內。校表可按高頻輸出參數設置、比差補償區域設置、角差補償區域設置、功率增益校正、相位校正、啟動電流設置、功率增益校正、參量累加模式設置、電壓校正、電流校正先后順序進行[5]。

5 總結

按以上思路設計的基于ATT7022A的多功能電表實現對有功、無功、視在功率、雙向有功和四象限無功電能, 以及電壓和電流有效值、相位、頻率等電參數的準確測量。電表的線路設計簡單、計量精度高。已經經過大量實驗的考驗，實驗結果表明該電能表有很好的穩定性，并且精度高，成本低，有很高的性價比。這種基于ATT7022A的多功能電表就將在我校研究院一個水利項目上得到大量應用。

[1] 炬力集成電路設計有限公司.ATT7022A用戶手冊[Z].珠海：炬力集成電路設計有限公司，2005.

[2] 胡大可.MSP430系列FLASH型超低功耗16位單片機[M].北京：北京航空航天大學出版社，2001.

[3] 龍健，徐巖.基于ATT7022A的三相三線多功能電能表[J].PLC&FA，1606—5123(2010)07—0061-0：2-4.

[4] Modbus通信協議.

[5] 陳四根，陳濤.基于ATT7022A電能計量芯片電力監控終端設計[J].東北電力技術，1004- 7913 (2007) 06- 0042- 04：4-5.

Design of Electric Monitoring Terminals Based on IC ATT7022A and MSP430F149

CHAO Yu-jiang1, YUAN Hong-bin2, FENG Feng2

(1.School of Mechanical Engineering Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China;2.Wuxi Institute of Nanjing University of Science and Technology, Wuxi 214000, China)

This paper introduces a collection instrument based on a chip ATT7022A and MCU(MSP430F149).It can be used to achieve many functions by RS-485 bus ,such as signal and data input, output,calculation and the control. To enhance reliability and practicability, Modbus protocol format is used. Field operation shows that the system is stable and reliable and has high practical value.

ATT7022A; MSP430; Modbus-RTU; three-phase AC

巢玉江(1987-)，男，江蘇沭陽人，碩士，研究方向為嵌入式開發和機電一體化設計。

TH89；TP29

B

1671-5276(2014)02-0180-04

2013-03-07