基于SPI總線的電能計(jì)量芯片ATT7022及其在配電監(jiān)測終端的應(yīng)用

    摘要：介紹了高精度電能計(jì)量芯片ATT7022的主要功能、性能比較、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、接口方式及校表方法等，同時(shí)對(duì)ATT7022在電能配電監(jiān)控終端的應(yīng)用作了簡要闡述。

    關(guān)鍵詞：SPI總線 ATT7022 電能計(jì)量 W77E58 配電監(jiān)控終端

1 概述

ATT7022是珠海炬力集成電路設(shè)計(jì)有限公司生產(chǎn)的一款高精度三相電能計(jì)量芯片，該芯片對(duì)有功、無功功率的測量精度分別達(dá)到0.2s和0.5s，所能測量的電參數(shù)包括有功、無功、視在功率、雙向有功和四角限無功電能；電壓和電流有效值；相位、頻率等。ATT7022具有計(jì)量參數(shù)齊全、校表功率完善等優(yōu)點(diǎn)，簡化了軟件設(shè)計(jì)，縮短了軟件開發(fā)周期。特別是AT7022可支持全數(shù)字校表，即軟件校表。軟件校表可提高校表精度、簡化硬件設(shè)計(jì)、降低設(shè)計(jì)成本，為三相多功能計(jì)量裝置提供了功能更加齊全、設(shè)計(jì)更加簡單的應(yīng)用方案。表1和表2分別給出了三大計(jì)量芯片生產(chǎn)商的三相電能計(jì)量芯片計(jì)量參數(shù)校表參數(shù)的比較。

表1 三相電能計(jì)量芯片的主要電能測量參數(shù)比較

注：“√”表示支持，“×”表示不支持，“—”表示無此參數(shù)

表2 三相電能計(jì)量芯片的主要校表參數(shù)比較

　　注：“√”表示支持，“×”表示不支持，“1”表示合相時(shí)的參數(shù)，“2”表示該芯片不支持軟件校表

2 引腳功能

ATT7022的引腳排列如圖1所示，它采用44引腳QFP封裝，面積僅有10mm×10mm，功耗僅為100～200mW，各引腳功能如下：

·V1P/V1N，V3P/V3N，V5P/V5N：模擬電流信號(hào)輸入；

·V2P/V2N，V4P/V4N，V6P/V6N：模擬電壓信號(hào)輸入；

·REEOUT、REFCAP：基準(zhǔn)電壓輸出；

·RESET：復(fù)位輸入端；

·SIG：寫操作成功握手信號(hào)輸出；

·SEL：接線方式選擇輸入端；

·CF1/CF2：有功/無功電能脈沖輸出；

·CS：SPI讀/寫片選信號(hào)；

·SCLK：SPI串行時(shí)鐘輸入；

    ·DIN/DOUT：SPI串行數(shù)據(jù)輸入/輸出；

·Revp：當(dāng)系統(tǒng)檢測到任意相的有功功率為負(fù)時(shí)，該端輸出高電平；各相有功功率均為正時(shí)，該端輸出低電平；

·OSCI/OSCO：系統(tǒng)晶振輸入端/輸出端；

·Vcc/Avcc:數(shù)字電源/模擬電源；

·GND/AGND：數(shù)字地/模擬地。

3 工作原理

3．1 AT7022電能計(jì)量芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

AT7022內(nèi)部包括時(shí)鐘控制電路、模擬信號(hào)采樣、參考電壓、DSP、脈沖生成器、SPI通訊接口和電源管理七大部分，其內(nèi)部原理框圖如圖2所示。

    3．2 ATT7022的工作原理

ATT7022首先通過6通道16位∑-Δ的ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換電路來對(duì)輸入電流和電壓信號(hào)進(jìn)行采樣，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量再經(jīng)過24位DSP數(shù)字信號(hào)處理以完成全部三相電能參數(shù)的運(yùn)算，同時(shí)將結(jié)果保存在相應(yīng)的寄存器中并通過SPI口與MCU進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，DSP模塊同時(shí)還生成有功/無功電能脈沖輸出CF1/CF2，可用于現(xiàn)場校表。ATT7022在設(shè)計(jì)中已考慮到校表的方便性，采用全數(shù)字校表，只需適當(dāng)修改校表寄存器即可實(shí)現(xiàn)校表功能。

3．3 串行SPI接口

ATT7022提供有標(biāo)準(zhǔn)的SPI接口，可與帶SPI口的MCU直接連接，也可用適當(dāng)?shù)腎/O口線仿真SPI總線，其仿真讀寫程序很容易實(shí)現(xiàn)。

ATT7022的一個(gè)數(shù)據(jù)傳輸總線從向SPI接口的DIN端送入8位命令字開始的，當(dāng)命令中包括一個(gè)寫入命令時(shí)，在其后的24個(gè)SCLK周期內(nèi)，串口將持續(xù)從DIN端讀入24位串行數(shù)據(jù)。當(dāng)發(fā)出一個(gè)讀取命令時(shí)，串口將根據(jù)發(fā)出的命令來進(jìn)行尋址，然后在其后的24個(gè)連續(xù)的SCLK周期從DOUT引腳上串行輸出寄存器內(nèi)容。數(shù)據(jù)的傳輸總是MSB在前，LSB在后。讀寄存器時(shí)，SCLK為高，數(shù)據(jù)在DOUT引腳上有效。而在寫寄存器時(shí)，數(shù)據(jù)則在SCLK的下降沿從DIN引腳讀入，這一點(diǎn)在仿真SPI讀寫操作子程序時(shí)應(yīng)引起注意，否則讀寫寄存器將出錯(cuò)。

ATT7022的讀寫時(shí)序見圖3所示。

3．4 寄存器配置及校表方法

ATT7022的寄存器分為計(jì)量參數(shù)和校表參數(shù)兩部分。器件中的計(jì)量參數(shù)寄存器多達(dá)82個(gè)，它們的地址在01H～6FH中不連續(xù)分布，未使用部分可留給以后擴(kuò)展。計(jì)量參量的計(jì)算全部由硬件完成，用戶只需進(jìn)行單位換算就可得到測量值。

圖4

    校表參數(shù)寄存器包括相位補(bǔ)償設(shè)置、功率增益、相位校正、電壓/電流校正、比差補(bǔ)償設(shè)置、啟動(dòng)電流、高頻脈沖輸出設(shè)置、斷相閾值電壓設(shè)置和合相能量累加模式等36個(gè)寄存器，它們的地址不連續(xù)地分布在01H～2AH，也考慮了以后的擴(kuò)展。應(yīng)當(dāng)說明的是，兩個(gè)寄存器的地址有重疊部分，但它們的物理位置是分開的，可以通過讀寫命令來區(qū)分。寄存器描述及讀寫操作命令字等見參考文獻(xiàn)。

校表是電能表設(shè)計(jì)中非常重要的環(huán)節(jié)，ATT7022上電復(fù)位后，校表寄存器的初始數(shù)據(jù)為默認(rèn)值，此時(shí)讀出的計(jì)量參數(shù)值和實(shí)際參數(shù)值不符，因而需要對(duì)校表寄存器進(jìn)行設(shè)置，以將測量值減小到誤差范圍之內(nèi)。校表可按高頻輸出參數(shù)設(shè)置、比差補(bǔ)償區(qū)域設(shè)置、角差補(bǔ)償區(qū)域設(shè)置、功率增益校正、相位校正、啟動(dòng)電流設(shè)置、功率增益校正、參量累加模式設(shè)置、電壓校正、電流校正的先后順序進(jìn)行?，F(xiàn)以電壓增益的校準(zhǔn)為例簡要說明AT7022的校表方法，其它參數(shù)校準(zhǔn)請(qǐng)參照參考文獻(xiàn)。

電壓增益校正UgainA、UgainB、UgainC:在ATT7022初始化時(shí)，Ugain為0，標(biāo)準(zhǔn)表上讀出的電壓有效值為Ur，通過SPI口讀出的測量電壓有效值寄存器的值為Datau。此時(shí)，如實(shí)際電壓有效值Ur，測量電壓有效值為Urms=DataU×2 10/2 23，由于：

Ugain=(Ur/Urms)-1

因此，如果（Ugain≥0）,則Ugain=INT[Ugain×2 23]

否則Ugain<0,則Ugain=INT[2 24+Ugain×2 23],

式中，INT表示取結(jié)果的整數(shù)部分。

4 ATT7022在配電監(jiān)測終端的應(yīng)用

ATT7022能夠提供的計(jì)量參數(shù)除瞬時(shí)有功功率、無功功率、視在功率、有功電能、無功電能、功率因數(shù)、相位、電壓有效值、電流有效值、瞬時(shí)合相電流值、線電壓頻率值、四象限無功、正向和反向有功電能外，還包括缺相、相序錯(cuò)誤和反向有功指示等狀態(tài)信息，非常適用于配電終端監(jiān)測的設(shè)計(jì)。計(jì)量部分的典型電路簡圖如圖4所示。

目前我國在用電量一直處于遞增趨勢(shì)，然而拖欠電纜的違章用電時(shí)有存在，這不但不利于電力部門的管理，而且影響了其它部門的正常用電。

    針對(duì)電力管理需求，筆者設(shè)計(jì)了一種由ATT7022構(gòu)成的配電監(jiān)控終端系統(tǒng)，如圖5所示，該系統(tǒng)包括電能計(jì)量和配電監(jiān)控兩部分。其中電能計(jì)量部分利用ATT7022芯片來實(shí)現(xiàn)對(duì)大用戶電能參數(shù)的精確采樣，相當(dāng)于一塊高精度電能表；配電監(jiān)控部分則通過RS485總線對(duì)被監(jiān)控電能表（用戶標(biāo)準(zhǔn)表）電能參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并通過終端內(nèi)部的軟件分析模塊分析出兩部分?jǐn)?shù)據(jù)的一致性和報(bào)警標(biāo)志，從而確定了是否存在違章用電情況。配電監(jiān)控還可通過GPRS/GSM模塊與電力部門的上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊，從而實(shí)現(xiàn)用電遠(yuǎn)程配置和在線管理。在緊急情況下還可以通過遙控拉閘/合閘來保證用安全。

ATT7022的電壓輸入范圍0V～1V（有效值），因此，筆者選用的電流互感器規(guī)格為1.5(6)A/5mA，精度是0.05級(jí)，負(fù)載阻抗為20Ω，電壓互感器規(guī)格選擇100V/0.5V。這樣在額定電流、輸入額定電壓時(shí)，其電流、電壓差動(dòng)輸入電壓的有效值分別為0.1V和0.5V左右，可滿足ATT7022的要求。

5 結(jié)束語

配電監(jiān)控終端可對(duì)用電大戶進(jìn)行用電管理，通過對(duì)大用戶的用電情況進(jìn)行綜合分析來確定電網(wǎng)的運(yùn)行情況，從而實(shí)施功控、電控、時(shí)控和遙控等多方位控制，防止用戶違章用電，實(shí)現(xiàn)用電管理自動(dòng)化，提高電網(wǎng)供電效率。