基于ADE7755的帶CAN總線的工業(yè)用電度表設計

引言

　　隨著計算機網(wǎng)絡技術、專用集成芯片技術和現(xiàn)場總線技術的不斷發(fā)展，對工業(yè)用電度表的計量精度和電量數(shù)據(jù)傳輸實時性的要求在不斷提高。我國目前電力機車上裝備的電度表基本上都是傳統(tǒng)的機械式電度表，雖然機械式電度表存在抗干擾和抗震動性好的優(yōu)點，但是其精度差，電量數(shù)據(jù)需要人為讀數(shù)不能實時傳輸?shù)缺锥恕?strong>ADE7755是AD7755的增強版，解決了AD7755的F1、F2與CF端輸出不同步以及低功率下無輸出的問題。也即AD7755在負載在8-13mA時F1、F2無輸出而CF有輸出，在小于8mA的負載下兩者均無輸出，造成較大計量誤差。兩者在其他方面基本沒有差別，先AD7755已經(jīng)停產(chǎn)，ADE7755的數(shù)據(jù)手冊基本沿用以前的AD7755，略有改動而已。ADE7755是一種高準確度電能計量集成電路，其技術指標超過了IEC1036規(guī)定的準確性要求。ADE7755只在模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）與基準源中使用模擬電路，所有其他信號處理（如相乘輿濾波）都使用數(shù)字電路，這使ADE7755在惡劣的環(huán)境下依然能保持較高的準確度和長期穩(wěn)定性。ADE7755引腳F1和F2以較低頻率形式輸出有功功率平均值，能直接驅(qū)動機電式計度器或MCU接口。引腳CF以較高頻率形式輸出有功功率瞬時值，用于校驗或與MCU接口。ADE7755內(nèi)部包含一個對AVdd電源引腳監(jiān)控電路。當Avdd上升到4V之前，ADE7755一直保持在復位狀態(tài)。當AVdd下降到4V以下，ADE7755也被復位，此時F1,F2和CF都沒有輸出。

　　硬件電路設計

　　目前廣泛使用機械式、電磁型和機電型等電度表普遍存在一個不能實時傳輸電量數(shù)據(jù)的缺陷，且各自又有或精度差或抗干擾能力差等弱點。作者結(jié)合當前普遍流行的現(xiàn)場總線技術和AD公司的ADE7755電量計量專用芯片以及飛利普公司的P87C591單片機，內(nèi)部相位匹配電路使電壓和電流通道的相位始終是匹配的（45-65Hz范圍內(nèi)相位誤差不大于±0.1度），無論通道1內(nèi)的高通濾波器（HPL）是接通還是斷開的。內(nèi)部的空載閥值特性保證ADE7755在空載時沒有潛動。

　　總體電路框圖如圖1所示：

　　圖1 總體電路框圖

　　圖 1中，由PT和CT在電網(wǎng)中測得相應的電壓和電流信號，送到ADE7755中進行電量計算，算出來的功率值分兩種，一種是低頻的平均功率值，送往機電式電度表用于顯示；另一種是高頻瞬時功率值，送入帶CAN總線控制器的P87C591單片機，根據(jù)上位機的要求算出目前使用的電量值，并通過CAN總線，與上位機之間實現(xiàn)通信。

　　其中電壓輸入通道（V2N，V2P）輸入電壓信號是PT測得的電壓信號在經(jīng)過預防電磁干擾作用的鐵氧體和衰減網(wǎng)絡后進入的。

　　在電流和電壓信號的輸入端，進行了相應的濾波處理，以增強抗干擾能力。

　　ADE7755工作原理

　　ADE7755是一種采用電壓和電流直接相乘的方法得到瞬時有功功率，再由瞬時有功功率求出平均有功功率。如圖2所示，由電壓傳感器和電流傳感器得到電壓和電流信號分別經(jīng)兩路A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送入電壓通道V2N、V2P和電流通道V1N、V1P。兩個模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）對來自電流和電壓傳感器的電壓信號進行數(shù)字化，這兩個ADC都是16位二階Σ-Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換器，過采樣速率達900kHz。ADE7755的模擬輸入結(jié)構(gòu)具有寬動態(tài)范圍，大大簡化了傳感器接口（可與傳感器直接連接），也簡化了抗混疊濾波器的設計。電流通道中的程控放大器（PGA）進一步簡化了傳感器接口。電流通道中的高通濾波器（HPF）濾掉電流信號中的直流分量，從而消除了由于電壓或電流失調(diào)所造成的有功功率計算上的誤差。有功功率是從瞬時功率信號推到計算出來的，瞬時功率信號時用電流和電壓信號直接相乘得到的。為了得到有功功率分量（即直流分量），只要對瞬時功率信號進行低通濾波就可以了。低頻端口F1和F2的輸出脈沖頻率freq與高頻端口CF輸出脈沖頻率fCF可由下式確定：

　　其中系數(shù)Gin為輸入增益，F(xiàn) 1-4為可由主時鐘CLKIN獲得的分頻，Uref為基準電壓，K為比例系數(shù)。

　　ADE7755的外圍電路中，通過輸出頻率設置電路實現(xiàn)對CF口輸出頻率的設置，即電表常數(shù)的設置。

　　圖2 ADE7755的內(nèi)部框圖

　　ADE7755是一種高精度的電量計量芯片，在工頻情況下，在500：1的動態(tài)范圍內(nèi)，精度達到0.1%。技術指標超過了IEC1036標準的要求。

　　唯一的模擬電路是模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，其他電路都是采用數(shù)字電路，這保證了該芯片具有足夠的抗干擾的能力。通過F1和F2實時輸出功率信息，能直接驅(qū)動電度表計數(shù)器或直接和單片機連接。

電源電路的設計

　　ADE7755所用的+2.5V基準電壓是用AD780實現(xiàn)的，其接口電路簡單。5V的基準電源電路如圖3所示：

　　圖3 5V基準電源電路

　　經(jīng)過此電路可以在電源模塊MC7805的3端得到+5V的基準電源。其中R25為壓敏變阻器。

　　P87C591外圍電路和CAN總線部分設計

　　通過P87C591電路可以實現(xiàn)指定時間內(nèi)用電量的計算、數(shù)據(jù)存儲、修改電度表數(shù)值和通過圖4所示的CAN總線收發(fā)電路實現(xiàn)與上位機的通信。

　　圖4 CAN總線收發(fā)電路

　　連接P87C591和單片機之間的芯片是P82C250。圖4這部分電路的原理可以參考有關CAN總線設計方面的資料，這里也不再闡述。

　　軟件部分設計

　　本方案的軟件部分主要由主程序和中斷服務子程序組成。其中主程序完成的功能有芯片和CAN總線的初始化、進行電量的計算和存儲。

　　中斷服務子程序完成的功能是利用CAN總線實現(xiàn)和主機之間的通信和電表初值的設定。其中電表初值設置由上位機完成，這樣可以節(jié)省單片機的外圍電路并且可以防止現(xiàn)場人為惡意的更改電量值。其中CAN總線的初始化程序如下：

　　voidinit_can_controller（）

　　{

　　//進入CAN控制器復位模式

　　CANMOD=0x01；　//將CAN控制器設置為復位模式以啟動初始化

　　//TXDCPort（P1.1）配置

　　//管腳TXDC設置為推挽模式

　　P1M2=P1M2|0x02；//P1M2.1=’1’，P1M1.1=’0’（默認）

　　CANADR=BTR0； //BTR0和BTR1編程為125kbit/s@12MHz

　　CANDAT=0x45；

　　CANADR=BTR1；//TSEG1=12，TSEG2=3，SJW=2

　　CANDAT=0x2B；//Sample=1->sample point～81%

　　//驗收濾波器的配置-- Bank1的濾波器1配置為接收ID=010.0000.0xxx

　　CANADR=ACR10；//將地址設置到驗收代碼寄存器0（Bank1）

　　CANDAT=0x50；//驗收代碼0用于濾波

　　CANDAT=0xE0；

　　CANADR=AMR10；//將地址設置到驗收屏蔽寄存器0（Bank1）

　　CANDAT=0x00；//bank1：驗收屏蔽0

　　CANDAT=0x0F；//bank1：驗收屏蔽1只與高四位有關

　　CANDAT=0xFF；//bank1：驗收屏蔽2無關

　　CANDAT=0xFF；//bank1：驗收屏蔽3無關

　　CANADR=ACFMOD；//將地址設置到ACF模式寄存器

　　CANDAT=0x55；//單驗收濾波器使用11位ID（SFF）

　　CANADR=ACFPRIO；//將地址設置到ACF優(yōu)先級寄存器

　　CANDAT=0xFF；//所有濾波器都為高優(yōu)先級

　　結(jié)束語

　　綜上所述，由于ADE7755是專用電量計量芯片，且具有抗干擾的優(yōu)點，而P87C591及其外圍電路也是當前成熟的技術，其可靠性和抗干擾性都得到了實際驗證，所以本方案簡單易行。

　　本方案雖是針對改進電力機車電度表而設計的。但由于電力機車工作于諧波污染嚴重工況，所以可以根據(jù)本方案針對實際情況作相應改動以適用于不同的工業(yè)場合。