基于ATT7022B高精度智能電表的設(shè)計(jì)

摘要：提出一種基于多功能防竊電基波諧波三相電能計(jì)量芯片ATT7022B和低功耗單片機(jī)STC89C51的電表實(shí)現(xiàn)方案。該設(shè)計(jì)用高精度計(jì)量芯片ATT7022B進(jìn)行電壓、電流、電量等各項(xiàng)參數(shù)的采集，設(shè)計(jì)的電能表具有高精度、低功耗、防竊電等特點(diǎn)。所設(shè)計(jì)的電能表也可作為配電監(jiān)控終端單元，同時(shí)具有靈活的遠(yuǎn)程校表功能。
關(guān)鍵詞：計(jì)量芯片ATT7022B；電能表；鐵電存儲(chǔ)器

    隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展以及配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)的實(shí)施，進(jìn)一步促進(jìn)了電能質(zhì)量問題的研究及其檢測裝置的研制，以往采用多個(gè)采樣模塊加上多路轉(zhuǎn)換開關(guān)和高分辨率的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器構(gòu)成一個(gè)同步采樣模塊的方式逐漸被帶DSP功能的專用高精度計(jì)量芯片所替代。與傳統(tǒng)電表相比，本文方案采用低功耗單片機(jī)STC89C51和炬力公司的三相電能專用計(jì)量芯片ATF7022B來實(shí)現(xiàn)防竊電電能表，具有高精度、低功耗、防竊電等特點(diǎn)，用RS485通信可以方便遠(yuǎn)程抄表，遠(yuǎn)程校表等功能。

1 電能計(jì)量芯片ATT7022B
1．1 ATT7022B的功能及結(jié)構(gòu)
    ATT7022B是一款多功能防竊電三相電能計(jì)量專用芯片，該芯片適用于三相三線和三相四線的應(yīng)用。它集成了7路二階sigma-deatlADC，其中3路用于三相電壓采樣，3路用于電流采樣，還有1路可用于零線電流或其他防竊電參數(shù)的采樣、輸出采樣數(shù)據(jù)和有效值，使用方便。它集成了參考電壓電路以及所有包括基波、諧波和全波的各項(xiàng)電參數(shù)測量的數(shù)字信號(hào)處理電路，能夠測量各相及合相包括基波、諧波和全波的有功功率、無功功率、視在功率、有功能量以及無功能量，同時(shí)還能測量頻率、各相電流及電壓有效值、功率因數(shù)、相角等參數(shù)，提供兩種視在能量(PQS，RMS)。
    ATT7022B的內(nèi)部框圖如圖1所示，內(nèi)部主要包括模擬信號(hào)采樣、數(shù)字信號(hào)處理及SPI通信接口等電路。

1．2 ATT7022B數(shù)據(jù)采集計(jì)量模塊的設(shè)計(jì)
    數(shù)據(jù)采集計(jì)量模塊的設(shè)計(jì)是以電能計(jì)量芯片ATT7022B為核心，包括電壓及電流模擬輸入、脈沖輸出、電源及SPI通信接口等電路的設(shè)計(jì)。
    模擬輸入電路設(shè)計(jì)：該部分電路主要由電流、電壓互感器、抗混疊濾波器和參考電壓輸入電路組成。從互感器出來的信號(hào)，經(jīng)過濾波處理后。消除了干擾信號(hào)，再疊加上一個(gè)參考電壓信號(hào)，即可送入ATT022B的A／D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采樣，如圖2所示。

    SPI通信接口電路設(shè)計(jì)：ATT7022B內(nèi)部集成了一個(gè)SPI串行通信接口，通過該接口可方便的實(shí)現(xiàn)與外部微處理器的通信。SPI口包含2條控制線和2條數(shù)據(jù)線，分別為CS，SCLK，DIN和DOUT。ATT7022B與外部MCU的SPI通信接口，如圖3所示。

2 硬件系統(tǒng)構(gòu)成及主要模塊
2．1 系統(tǒng)基本原理
    該系統(tǒng)主要以單片機(jī)STC89C51為控制核心。三相電壓電流通過電壓互感器，電流互感器轉(zhuǎn)換后，接入三相專用電能計(jì)量芯片ATT7022B實(shí)時(shí)采集變壓器的參數(shù)，通過SPI接口將采集的各種參數(shù)送入單片機(jī)STC89C5l；同時(shí)，單片機(jī)通過串口建立通信，將數(shù)據(jù)上傳到中心站，可以根據(jù)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行開關(guān)量的采集。電能表的硬件設(shè)計(jì)分成數(shù)據(jù)采集計(jì)量模塊設(shè)計(jì)、主控制模塊(MCU)設(shè)計(jì)、電源模塊設(shè)計(jì)等3部分，如圖4所示。

2．2 存儲(chǔ)器的選擇
    在電表中一個(gè)重要的問題就是數(shù)據(jù)的保存，數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)不但要正確而且還要及時(shí)，如果檢測到的數(shù)據(jù)不能及時(shí)寫入存儲(chǔ)器或者是寫入錯(cuò)誤，都會(huì)使電能表的精度大為下降，在傳統(tǒng)的電子電表中，多采用電可擦除可編程存儲(chǔ)器(EEPROM)來保存。但是EEPROM速度慢，有10 ms的寫周期，掉電后必須有掉電檢測電路，這樣會(huì)使測到的數(shù)據(jù)不可靠，EEPROM的擦寫次數(shù)比較少，不能及時(shí)地輸入數(shù)據(jù)。鑒于EEPROM有以上的缺點(diǎn)，本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用了鐵電存儲(chǔ)器FM3104，解決了上述問題。FM3104具有非易失性、擦寫次數(shù)多、速度快、功耗低的特點(diǎn)。鐵電存儲(chǔ)器與微處理器的接口電路設(shè)計(jì)如圖5所示，應(yīng)用本方案使硬件電路簡化，而且提高了精度。

2．3 系統(tǒng)的其它部分模塊
    系統(tǒng)的其它部分主要有電源模塊、LCD液晶顯示和RS485接口模塊。系統(tǒng)內(nèi)部有許多功能模塊，需要多種不同電壓的直流電源供電，采用VAF505構(gòu)成電源模塊，為系統(tǒng)提供抗干擾性和可靠性的直流電源。為了達(dá)到好的顯示效果，采用北京青云公司生產(chǎn)的LCMl2864P中文液晶顯示模塊，該顯示模塊可實(shí)現(xiàn)漢字、ASCII碼、點(diǎn)陣圖形的同屏顯示，廣泛用于各種儀器儀表、家用電器和信息產(chǎn)品上作為顯示器件。RS485通信接口允許在簡單的一對(duì)雙絞線上進(jìn)行多點(diǎn)、主從式半雙工通信，它所具有的噪聲抑制能力、數(shù)據(jù)傳輸速率、傳輸距離以及可靠性等是其他標(biāo)準(zhǔn)所無法比擬的。本終端采用RS485總線與外部電能表進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程抄表。總線驅(qū)動(dòng)芯片選用SN65ALSl76D完成RS485通信收發(fā)功能。

3 軟件設(shè)計(jì)
    采用模塊化設(shè)計(jì)思想，單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)主要包括主程序、初始化程序、ATT7022B復(fù)位程序、SPI通信程序、數(shù)據(jù)采集程序和數(shù)據(jù)發(fā)送程序。系統(tǒng)還包括3個(gè)中斷程序：ATT7022B異常判定中斷程序、定時(shí)中斷程序和串口通信中斷程序。

4 結(jié)束語
    以STC89C51單片微處理器為核心，利用專用計(jì)量芯片ATT7022B的電能計(jì)量能力實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shù)的準(zhǔn)確測量。電表的線路設(shè)計(jì)簡單、計(jì)量精度高。此電表目前已經(jīng)投入批量生產(chǎn)，運(yùn)行良好。