1 引言
伴隨我國(guó)電力供應(yīng)市場(chǎng)化的逐步深入，對(duì)電能計(jì)量的要求也越來越高。電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展是電能測(cè)量?jī)x表進(jìn)步及成熟的技術(shù)支撐。準(zhǔn)確度高，可靠性好的元器件以及大規(guī)模集成電路的采用，使得電能測(cè)量表的使用壽命、準(zhǔn)確度、穩(wěn)定度等技術(shù)指標(biāo)均得到了很大的提高。ade7758是美國(guó)adi公司開發(fā)的一種體積小、動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)1000:1的新型電能測(cè)量集成電路，它具有數(shù)字積分、數(shù)字濾波和多種實(shí)用電能監(jiān)測(cè)、可以計(jì)量有功、無功、視在電能量、電流、電壓有效值、頻率、以及波形采樣數(shù)據(jù)等。ade7758實(shí)現(xiàn)全電子化，高性能、低成本的多功能電能表設(shè)計(jì)；還可以利用制解調(diào)光纜，gprs無線抄表等技術(shù)手段完成自動(dòng)化抄讀表、多費(fèi)率計(jì)量、多功能計(jì)量、預(yù)付費(fèi)等應(yīng)用功能。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
電能表由電參數(shù)測(cè)量、顯示、通訊，中央控制、重要的數(shù)據(jù)保存，和電源及其監(jiān)測(cè)等部分組成如圖1所示。整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)以dspic為中心，配合其它各種外圍芯片，實(shí)現(xiàn)特定功能。其中測(cè)量部分以ade7758為中心，信號(hào)采集由精密小型互感器及前置信號(hào)電路構(gòu)成，從中獲取有功電量，無功電量，電壓、電流、頻率等多種實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。dspic通過spi總線對(duì)ade7758的各個(gè)寄存器進(jìn)行訪問，得到計(jì)量所需的各項(xiàng)數(shù)據(jù)。為降低成本及減小體積，顯示部分采用數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示，與上位機(jī)通信部分采用rs485半雙工通信方式，電源部分采用高頻開關(guān)電源，使系統(tǒng)節(jié)能及適應(yīng)不同的電壓環(huán)境。系統(tǒng)同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)外部異常情況檢測(cè)，包括系統(tǒng)掉電、電池欠壓等，對(duì)檢測(cè)到的異常報(bào)警并且進(jìn)行相應(yīng)的控制。整個(gè)系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3 ade7758為計(jì)量芯片的硬件接口電路設(shè)計(jì)
3.1 ade7758芯片介紹及外圍電路設(shè)計(jì)
ade7758芯片的主要功能引腳以及外圍硬件電路設(shè)計(jì)如圖2所示，主要引腳功能介紹如下：
(1)apcf，varcf功率校正頻率輸出，該引腳的輸出主要用于校正和操作目的；
(2)引腳iap，ian，ibp，ibn，icp，icn電流模擬通道輸入，即電流采樣輸入，這些輸入是全差動(dòng)輸入，輸入電壓差最大值0.5v；
(3)引腳vn，vcp，vbp，vap電壓通道模擬輸入，采用單端電壓輸入；
(4)引腳din，sclk，dout為spi串行通信接口，構(gòu)成與單片機(jī)進(jìn)行spi通信；
(5)irq為中斷輸出引腳。

圖2 ade7758基本外圍電路

3.2 數(shù)據(jù)采集電路的設(shè)計(jì)
3.2.1 電流通道采集電路設(shè)計(jì)
電流通道由三對(duì)差分電壓輸入，提高了抗共模干擾能力。三對(duì)輸入分別代表a、b、c三相?，F(xiàn)以iap項(xiàng)為例，電路如圖3所示，其它電流輸入與它相同。電流取樣選用高精度微型電流互感器ct，r1，r4與c4構(gòu)成rc電路用來補(bǔ)償相序，r2，c7構(gòu)成rc低通濾波器，一般ct會(huì)產(chǎn)生0.1-1度的相角誤差，使用ade7758的相位補(bǔ)償功能進(jìn)行相位調(diào)節(jié)（aphcl、bphcl、cphcl），可以大大減小相角差的影響。

圖3 電流端采樣電路

3.2.2 電壓通道采集電路設(shè)計(jì)
以a相電壓模擬設(shè)計(jì)輸入為例，其他兩相輸入通道設(shè)計(jì)相同。電壓通道電壓采集電路如圖4所示，互感器采用電流型電壓互感器，同電流采集通道一樣，互感器會(huì)帶來一點(diǎn)相角誤差，也是通過ade7758相位補(bǔ)償功能來調(diào)節(jié)?；ジ衅骱蠖穗娮杵鹬謮旱淖饔茫?個(gè)方向相反并聯(lián)的二極管構(gòu)成保護(hù)電路.取樣電阻r的阻值由被測(cè)信號(hào)的最大值決定，ade7758的輸入量程是0.5v。因此設(shè)計(jì)后端電阻必須考慮這個(gè)量程，使得模擬通道輸入值在量程范圍之內(nèi)。

圖4 電壓端采樣電路

3.3 ade7758與dspic通信電路設(shè)計(jì)
單片機(jī)與ade7758 構(gòu)成的通信電路如圖5所示。三相雙向功電能，雙向無功電能，視在電能，三相電壓、電流經(jīng)過ade7758的串行口讀出，而單片機(jī)經(jīng)spi將數(shù)據(jù)讀出后，經(jīng)過電量處理模塊，可轉(zhuǎn)換為有功功率、無功功率、視在功率、復(fù)數(shù)功率等信號(hào)輸出，經(jīng)數(shù)據(jù)總線驅(qū)動(dòng)led給予顯示并存儲(chǔ)到相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。在設(shè)計(jì)中，串口輸出信號(hào)dout由ade7758 經(jīng)過邏輯觸發(fā)器、高速光耦進(jìn)入到單片機(jī)，這種設(shè)計(jì)具有良好的抗干擾及電磁兼容性，并保證了數(shù)據(jù)采集、計(jì)量的實(shí)時(shí)性。

圖5 單片機(jī)與ade7758通信電路設(shè)計(jì)

4 軟件設(shè)計(jì)
4.1 程序總體設(shè)計(jì)
整個(gè)電能表的軟件程序由主程序及中斷程序組成，其中主程序可用于完成啟動(dòng)和系統(tǒng)初始化(包括存儲(chǔ)器、ade7758初始化，led顯示模塊的初始化、電量處理模塊，uart通信模塊及rtc時(shí)鐘模塊及spi通信模塊及鍵盤處理模塊等的初始化)，以及l(fā)ed數(shù)碼管的動(dòng)態(tài)顯示，在led上顯示電量和時(shí)間等。主程序的流程圖如圖6所示。其他事件及數(shù)據(jù)處理都在中斷程序中進(jìn)行，中斷源主要有ade7758產(chǎn)生的外部中斷，uart通信中斷，spi通信中斷，按鍵處理中斷，掉電檢測(cè)中斷，定時(shí)電量處理中斷等。在中斷處理程序中調(diào)用各模塊處理子程序，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的整體功能。

圖6 主程序流程圖

4.2 spi通信程序設(shè)計(jì)
針對(duì)ade7758軟件主要是單片機(jī)對(duì)其的控制讀寫程序。主要任務(wù)是完成對(duì)ade7758的初始化、測(cè)量數(shù)據(jù)的處理、利用spi串口傳輸計(jì)量的數(shù)據(jù)、外部數(shù)據(jù)的查詢、校準(zhǔn)數(shù)據(jù)設(shè)置操作等。為了不影響led動(dòng)態(tài)顯示，盡量增大spi的通信速度，spi通信的初始化及dspic端數(shù)據(jù)發(fā)送以及接收的程序如下所示：
//spi 程序初始化
void ini_spi()
{trisfbits.trisf3=0;//設(shè)置rf3引腳為
輸出，作為sdo1
數(shù)據(jù)輸出口
trisfbits.trisf2=1; //設(shè)置rf3引腳為輸
出sdi1數(shù)據(jù)輸入
trisfbits.trisf6=0； //sck1移位時(shí)鐘輸
入輸出（此處為輸出）
trisg=trisg&0xfdff； //rg9為輸出，其余為輸入
spi1con=0x003f；//通信為字節(jié)寬，輸入數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)輸出時(shí)間中間采樣，串行輸出數(shù)據(jù)有效時(shí)鐘狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭臻e時(shí)鐘狀態(tài)是變化，主控模式，輔預(yù)分頻比為1:1，主預(yù)分頻比為1:1。
ifs0bits.spi1if=0；//清spi中斷標(biāo)志iec0bits.spi1ie=1；//允許spi中斷 ipc2bits.spi1ip=7；//spi中斷優(yōu)先級(jí)為7
spi1statbits.spirov=0；//spi溢出標(biāo)
志清零
spi1statbits.spien=1；//使能spi中斷
}
//spi發(fā)送數(shù)據(jù)及接收數(shù)據(jù)程序
unsigned char output(unsigned char senddata)
{
unsigned char temp；//定義中間變量
spi1buf=senddata；//待發(fā)送的數(shù)據(jù)送入spi數(shù)據(jù)緩沖器
asm(“nop”；//延時(shí)兩個(gè)指令周期
asm(“nop”)；
while(spi1statbits.spitbf==1)；//spi發(fā)送數(shù)據(jù)
asm(“nop”)；
while(!spi1statbits.spirbf)；
temp=spi1buf；//spi數(shù)據(jù)接收
return(temp)；
}。
4.3 ade7758中斷程序設(shè)計(jì)
ade7758與單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換以及信息傳遞主要是通過外部中斷與單片機(jī)進(jìn)行聯(lián)絡(luò)。ade758根據(jù)不同的狀態(tài)，產(chǎn)生相應(yīng)中斷信號(hào)，并將其中斷狀態(tài)寄存器的相應(yīng)的狀態(tài)位置1，由irq引腳輸出從高電平到低電平的跳變，mcu通過外部中斷引腳檢測(cè)到ade7758中斷進(jìn)行中斷響應(yīng)，中斷源主要有電壓過零及過零超時(shí)，在電網(wǎng)出現(xiàn)異常（電網(wǎng)電壓電流過大，相序錯(cuò)誤等）也將產(chǎn)生外部中斷。通過讀取ade7758中斷狀態(tài)寄存器判斷其相應(yīng)的中斷類型并將相應(yīng)位復(fù)位。并在中斷服務(wù)程序中做相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理及控制處理，實(shí)現(xiàn)電能表對(duì)電網(wǎng)異常的監(jiān)測(cè)。由ade7758產(chǎn)生的外部中斷程序處理流程圖框圖如圖7所示。

圖7 7758中斷程序流程圖

5 系統(tǒng)調(diào)試
在系統(tǒng)的調(diào)試的過程中，誤差的調(diào)整是很關(guān)鍵的，ade7758的誤差可以做到微調(diào)，這點(diǎn)是其它很多計(jì)量芯片很難做到的，對(duì)于ade7758誤差調(diào)整采用的是在線調(diào)整，在校表臺(tái)上根據(jù)誤差正負(fù)，通過鍵盤對(duì)ade7758進(jìn)行操作，對(duì)相應(yīng)的寄存器進(jìn)行加減，例如a相有功誤差是正的，那么對(duì)awgain進(jìn)行減1，一直調(diào)到誤差允許的范圍，并將值保存到單片機(jī)的eeprom中及寫入ade7758中，然后從ade7758中讀出顯示，保證調(diào)整參數(shù)正確，重新上電時(shí)，再?gòu)膃eprom中讀取參數(shù)寫入ade7758。通過這種方法可以對(duì)37個(gè)選項(xiàng)進(jìn)行調(diào)整，當(dāng)電流在400％和5%的額定電流內(nèi)，有功誤差可以保證在正負(fù)0.1％之內(nèi)，對(duì)于其它參數(shù)的調(diào)整類似，精度很高。

6 結(jié)束語
本文對(duì)多功能電能測(cè)量?jī)x進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)，基于ade7758的多功能電能測(cè)量?jī)x可靠地設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)采集端接口電路和與單片機(jī)通信端接口電路，可實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓信號(hào)、電流信號(hào)精確的采集，用戶的電能計(jì)量，簡(jiǎn)化了電力測(cè)量模塊的設(shè)計(jì)難度，其精度高、穩(wěn)定性好、體積小、成本低，并可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的自動(dòng)抄表控制。該系統(tǒng)性能穩(wěn)定，功能完善。

作者簡(jiǎn)介
謝小鯤(1984-) 男 碩士，研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c電力傳動(dòng)。

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