關(guān)鍵詞：多相電能表；ADE7758；PIC

0引言

    我國與發(fā)達(dá)國家一樣， 隨著電力供應(yīng)市場(chǎng)化的逐步深入和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的快速普及和發(fā)展，為了緩解電力供應(yīng)緊張的現(xiàn)狀，正在大力推廣分時(shí)電價(jià)，雙費(fèi)率電子電能表成為電能表新的發(fā)展趨勢(shì)和需求熱點(diǎn)。僅上海市自2001年起，五年內(nèi)需要600萬臺(tái)復(fù)費(fèi)率電能表。

    國外電能表正在向大電流、大動(dòng)態(tài)的需求方向發(fā)展。美國模擬器件公司開發(fā)出一種體積小巧、動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)1000：1的新型電能測(cè)量集成電路ADE7758，該IC內(nèi)嵌了高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換器和固定模式的數(shù)字處理信號(hào)處理器（DSP），具有數(shù)字積分、數(shù)字濾波和具有眾多實(shí)用電能監(jiān)測(cè)、計(jì)量功能，正成為新一代高性能全數(shù)字電能表的理想芯片。

     截止到2002年10月， AD775X系列全數(shù)字電能測(cè)量處理芯片在全世界的銷量已超過5000萬片。ADE7758是具有每相信息的多相多功能電能測(cè)量IC芯片，是美國ADI公司2003年8月推出的專用電能測(cè)量IC新產(chǎn)品。

 ADE775X系列電能測(cè)量專用集成電路芯片的推出,  不僅簡化了 電力測(cè)量新應(yīng)用模塊的設(shè)計(jì)難度，可做到全電子或真正固體化、靜止化,以有利于提高性能，降低成本；還可以利用現(xiàn)有的電話線、專線、高頻無線電調(diào)制解調(diào)器、光纜、低壓配電線載波等技術(shù)手段完成自動(dòng)抄讀表、分時(shí)電價(jià)、實(shí)時(shí)電價(jià)、多功能計(jì)量、預(yù)付費(fèi)等擴(kuò)充應(yīng)用功能。使電能計(jì)量具有高精度、高可靠性、免維護(hù)和雙向通訊功能，適應(yīng)電力市場(chǎng)化下的電力公司提供新的增值服務(wù)。   

    ADE7758是一款功能先進(jìn)的數(shù)字電能表芯片，它與單片機(jī)PIC16F877 、LCD模塊、電源等構(gòu)成的一種多費(fèi)率電子電能表電路見圖。ADE7753通過串行接口與單片機(jī)通信，接收單片機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)多費(fèi)率計(jì)量。

1  ADE7758引腳功能及設(shè)計(jì)要點(diǎn)

ADE7758引腳功能分布參見圖1。

⑴   APCF：有功功率校正頻率邏輯輸出引腳。

       該引腳的輸出主要用于校準(zhǔn)和操作的目的。滿刻度輸出頻率可以寫入APCFNUM和APEFDEN寄存器中。

⑵   DGND：ADE7758數(shù)字電路部分參考地端，例如乘法器、濾波器、數(shù)－頻轉(zhuǎn)換器的地端。

        由于ADE7758中的回路電流很小，可以直接跟整個(gè)系統(tǒng)的模擬地端（AGND）相連，但是DOUT端的大總線電容產(chǎn)生的數(shù)字噪聲電流可能會(huì)影響其性能。

⑶   DVDD：數(shù)字電源。該引腳為ADE7758數(shù)字部分提供電壓源。

      電壓維持在5V±5%。該引腳可用一個(gè)10μF的電容和一個(gè)100nF的瓷片電容并聯(lián)后進(jìn)行去耦合。

⑷   AVDD：模擬電源端。該引腳為ADE7758模擬部分提供電壓源。電壓維持在5V±5%。

       該引腳應(yīng)該采用正確的去耦方法，盡量減小電源波動(dòng)和噪聲。該引腳用一個(gè)10μF的電容和一個(gè)100nF的瓷片電容并聯(lián)后，再連接到AGAND引腳來去耦合。

⑸~⑽  IAP，IAN；IBP，IBN；ICP，ICN：電流通道模擬輸入。

        這些輸入是全差動(dòng)電壓輸入，最大的差動(dòng)輸入信號(hào)為±0.5V，±0.25V，±0.125V。根據(jù)內(nèi)部放大器的增益選擇，來設(shè)定輸入電壓的最大值，增益選擇放大器的增益由PGA寄存器來設(shè)定。所有的輸入引腳均能承受±6V的過電壓而不會(huì)造成永久損壞，并具有靜電釋放保護(hù)電路。

(11)   AGND：模擬電路部分的參考地端。

        該引腳為內(nèi)部的ADCS、溫度敏感元件、參考電壓端等部分的參考地端。該引腳應(yīng)該連接到系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)模擬地或者干擾最小的接地參考點(diǎn)。干擾最小的接地參考點(diǎn)應(yīng)該跟所有的模擬線路相連。為了減小ADE7758的地端噪聲，模擬地端應(yīng)該和數(shù)字地端只用一個(gè)點(diǎn)來連接。也可以把整個(gè)器件都安放在模擬接地面上。

（12)   REF_IN/OUT：該引腳是片上基準(zhǔn)電壓。

        片上基準(zhǔn)電壓標(biāo)稱值為2.5V±8% 。外部參考端也可以與該腳相連。無論是否連接外部參考電壓端，該引腳都應(yīng)該用一個(gè)1μF的瓷片電容跟AGND端連接以去偶合。

(13)~(16)   VN，VCP，CBP，VAP：電壓通道的模擬輸入。

        這些輸入是單端電壓輸入，最大信號(hào)電壓為±0.5V，（相對(duì)于VN端）�？梢酝ㄟ^內(nèi)部寄存器PGA選擇輸入信號(hào)的最大值為±0.5V，±0.25V或者±0.125V。所有的輸入引腳均能承受±6V的過電壓而不會(huì)造成永久損壞，并具有靜電釋放保護(hù)電路。

(17)   VARCF：復(fù)功率校準(zhǔn)頻率邏輯輸出。

        通過設(shè)置WAVMODE寄存器的VACF位來選擇輸出復(fù)功率或者視在功率。該輸出常用于電能表的校準(zhǔn)。滿刻度輸出可以通過寫入VARCFNUM和VARCFDEN寄存器的數(shù)值來調(diào)節(jié)。

(18)   IRQ：中斷請(qǐng)求輸出。低電平有效的開漏極邏輯輸出端。

        可屏蔽的中斷包括：有功能量寄存器和視在功率寄存器半滿和波形采樣速率達(dá)到26kSPS。

(19)   CLKIN：數(shù)字信號(hào)處理ADCS的主時(shí)鐘。最高為15MHZ。

         可以用一個(gè)外部時(shí)鐘信號(hào)來提供時(shí)鐘輸入，也可以在CLKIN和 CLKOUT端并聯(lián)一個(gè)AT晶體來提供時(shí)鐘信號(hào)。應(yīng)該根據(jù)晶體的參數(shù)確定所需要的負(fù)載電容值，接一個(gè)幾十PF的瓷片電容到振蕩門電。

(20)   CLKOUT：當(dāng)外部時(shí)鐘提供或者連接一個(gè)晶體時(shí)，該引腳能驅(qū)動(dòng)一個(gè)CMOS負(fù)載。

(21)   CS：片選信號(hào)，低電平有效。這時(shí)ADE7758與數(shù)據(jù)總線接通。

(22)   DIN：串行接口的數(shù)據(jù)輸入端。在串行口的時(shí)鐘信號(hào)SCLK的下降沿輸入數(shù)據(jù)。

(23)   SCLK：串行時(shí)鐘信號(hào)輸入端。

        所有串行數(shù)據(jù)被該信號(hào)同步。該引腳具有施密特觸發(fā)輸入，以適應(yīng)速度較慢的邊沿變化時(shí)間。

(24)   DOUT：串行口的數(shù)據(jù)輸出端。

        在SCLK信號(hào)的上升沿?cái)?shù)據(jù)從該引腳傳輸出去。在沒有數(shù)據(jù)的時(shí)候該引腳為高阻抗?fàn)顟B(tài)。

2    ADE7758的工作原理與內(nèi)部框圖

       ADE7758功能框圖如圖2所示。

    ADE7758是一種高精確度三相電能測(cè)量IC，帶有一個(gè)串行口，兩路脈沖輸出。ADE7758集成了數(shù)字積分、參考基準(zhǔn)電壓源、溫度敏感元件等，有可用于有功功率、復(fù)功率、視在功率、有效值的測(cè)量以及以數(shù)字方式校正系統(tǒng)誤差(增益、相位和失調(diào)等)所必須的信號(hào)處理電路。該芯片適用于各種三相電路（不論三線制或者四線制）中測(cè)量有功功率、復(fù)功率、視在功率。

   來自電流傳感器和電壓傳感器的電壓信號(hào)經(jīng)信號(hào)放大PGA1,PGA2和模數(shù)變換ADC轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，然后，電流信號(hào)經(jīng)電流通道內(nèi)的高通濾波器HPF濾除DC分量并數(shù)字積分后，與經(jīng)相位校正Φ的電壓信號(hào)相乘，產(chǎn)生瞬時(shí)功率;此信號(hào)經(jīng)低通濾波LPF2產(chǎn)生瞬時(shí)有功功率信號(hào);各相功率相加得到總 

的三相瞬時(shí)有功功率，經(jīng)DOUT引腳輸出。視在功率和復(fù)功率的計(jì)算與此類似。

   ADE7758有六路模擬量輸入，分成電流和電壓兩個(gè)通道。

   流通道由三對(duì)差分電壓輸入，分別是IAP，IAN；IBP，IBN；ICP，ICN。這三個(gè)電流通道最大的信號(hào)電壓變化范圍為±0.5V。電流通道有一個(gè)可編程增益放大器（PGA1），放大器增益為1，2或4。除了PGA功能外，用于A/D轉(zhuǎn)換時(shí)，通道1還具有輸入信號(hào)滿刻度選擇的功能。前面提到了，最大輸入電壓變化范圍為±0.5V，利用增益寄存器的3和4位，ADC的輸入電壓可以設(shè)置為±0.5V，±0.25V，±0.125V。這是利用ADC的基準(zhǔn)參考端來實(shí)現(xiàn)的。

    電壓通道具有三路單端電壓輸入通道，分別為VAP，VBP和VCP。這些單電壓輸入端的最大輸入電壓變化范圍為±0.5V。相對(duì)于VN來說，電流和電壓通道都有一個(gè)PGA（可編程放大器），增益為1，2或4，由用戶編程來決定，所有的輸入通道的增益相同。

    ADE7758提供系統(tǒng)的校正功能如：有效值偏移的校正、相位和功率的校正等等。引腳APCF的邏輯輸出給出了有功功率的信息，引腳VARCF的輸出提供了瞬時(shí)復(fù)功率和視在功率的信息。ADE7758具有一個(gè)波形取樣寄存器，其值來自于ADC的輸出。波形采樣部分集成有一個(gè)用于短時(shí)持續(xù)低電平或高電平的監(jiān)測(cè)電路，門檻電平和持續(xù)時(shí)間是由用戶編程來決定的。三相中的任一相過零監(jiān)測(cè)是同步進(jìn)行的，過零監(jiān)測(cè)的結(jié)果可用于測(cè)量三路電壓輸入中任一路的周期。

     ADE7758的所有功能都是通過讀、寫片上寄存器來實(shí)現(xiàn)的，即ADE7758的各種設(shè)定和操作主要是對(duì)其眾多寄存器的讀和寫。每個(gè)寄存器在讀、寫時(shí)，首先要執(zhí)行一個(gè)寫通信寄存器的操作，然后開始傳輸數(shù)據(jù)。 電能表的測(cè)控命令和測(cè)量信息可以多種方式與MCU通訊。MCU輸入的命令字控制著ADE7758的工作模式、測(cè)量模式、波形采樣模式、有效值偏差補(bǔ)償量和中斷模式等。例如：每相的電流通道在信號(hào)通路中都有一個(gè)乘法器。電流波形可以改變±50%，這主要是由寫入12位有符號(hào)電流波形增益寄存器（AIGAIN，BIGAIN ，CIGAIN）中的2進(jìn)制數(shù)決定的：如果7FFH寫入這三個(gè)寄存器，則ADC的輸出標(biāo)定值將增加50%；如果800H被寫入，則輸出減小50%。

  3   ADE7758與16F877的中斷接口與時(shí)序

     一個(gè)基于ADE7758和美國微芯公司MCU（PIC16F877）等構(gòu)成的三相多功能電子電能表的原理框圖參見 圖3。被測(cè)三相電壓、電流經(jīng)傳感器和調(diào)理電路后，送ADE7758的A相/B相/C相電壓和電流輸入端，經(jīng)ADE7758計(jì)算后，轉(zhuǎn)換為有功功率、無功功率、視在功率、復(fù)功率等電能信息 ， 數(shù)據(jù)通過ADE7758的串行口讀出。MCU通過SPI串行接口讀出電能數(shù)據(jù)信息并處理后，送LCD顯示和無線網(wǎng)絡(luò)接口。  

    ADE7758與16F877的中斷管理接口時(shí)序。 AED7758的中斷是通過中斷狀態(tài)寄存器STATUS和中斷屏蔽寄存器MASK來實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)AED7758有中斷事件發(fā)生時(shí)，STATUS相應(yīng)的位被置1，如果中斷屏蔽寄存器MASK內(nèi)該中斷相應(yīng)的位為1，則IRQ輸出變?yōu)橛行У牡碗娖健�STATUS的中斷標(biāo)志位和MASK中的中斷屏蔽位是相互獨(dú)立的。為了確定中斷源，主控單元（16FF877MCU）必需執(zhí)行一個(gè)從STATUS讀數(shù)據(jù)的操作，同時(shí)重設(shè)STATUS。這個(gè)操作的實(shí)現(xiàn)用一個(gè)讀地址11H的操作來完成（注：11H 是STATUS的地址）。在完成操作的讀出命令后，IRQ端恢復(fù)高電平。

    假設(shè)中斷事件發(fā)生在STATUS正在讀的時(shí)間段內(nèi)，ADE7758也可以保證沒有中斷事件被丟失。ADE7758與MCU串行接口的中斷管理時(shí)序參見圖4。在時(shí)間t1處，IRQ線變?yōu)橛行У碗娖剑�表明ADE7758內(nèi)已發(fā)生一個(gè)或多個(gè)中斷事件。IRQ邏輯輸出應(yīng)與MCU的下降沿觸發(fā)外部中斷相對(duì)應(yīng)。檢測(cè)下降沿時(shí)，應(yīng)將MCU設(shè)置成啟動(dòng)執(zhí)行其中斷服務(wù)程序(ISR )。在進(jìn)人ISR時(shí)，所有中斷都應(yīng)通過全局中斷允許位加以禁止。這時(shí)，MCU外部中斷標(biāo)志可能被清除，以捕獲在當(dāng)前ISR期間發(fā)生的中斷事件。

    當(dāng)MCU中斷標(biāo)志被清除時(shí)，利用復(fù)位完成從狀態(tài)寄存器讀出。這將使IRQ線復(fù)位到邏輯高電平(t2 )，狀態(tài)寄存器的內(nèi)容用來確定中斷源，以確認(rèn)應(yīng)采取的操作。若在ISR期內(nèi)發(fā)生相繼的中斷事件，則該事件便重新由所設(shè)定的MCU外部中斷標(biāo)志(t3)加以記錄。從ISR返回時(shí)，全局中斷屏蔽將被清除(在相同指令周期)，外部中斷標(biāo)志將再次引起MCU轉(zhuǎn)移到它的ISR上。這就保證MCU不會(huì)丟失任何外部中斷。

        ADE7758具有一個(gè)內(nèi)置的SPI接口。它與MCU的串行接口由SCLK、DIN、DOUT和CS 四個(gè)信號(hào)來完成。當(dāng)IRQ輸出變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，MCU的ISR必須對(duì)中斷狀態(tài)寄存器進(jìn)行讀操作，以確定中斷源。在對(duì)狀態(tài)寄存器的內(nèi)容進(jìn)行讀操作時(shí)，IRQ的輸出在第一個(gè)字節(jié)傳送的最后一個(gè)SCLK下降沿上被設(shè)定為高電平(對(duì)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(nèi)容)被移出之前，IRQ輸出都保持高電平，若這時(shí)中斷尚未決定，則IRQ輸出將再次變?yōu)榈碗娖�。若沒有任何中斷處于等待狀態(tài)，則IRQ輸出將保持高電平。

     參 考 文 獻(xiàn)

1     Analog Devices, Inc.,  Poly Phase Multi一Function Energy Metering I C  with per phase information。 2003。08