摘要：用SPI總線將ADE77xx專用芯片和單片微機組合成的多功能數(shù)字式電度表，其精度高、可靠性好，用作峰谷用電、分時計費的計量儀表，應大力推廣。
關鍵詞：SPI總線 ADE77xx芯片峰谷用電 分時計費

引言

我國經(jīng)過二十多年的改革開放和技術引進，在高技術方面已與國外縮小了不少差距，但能源利用效率，尤其是電能的綜合利用率仍然差距較大。“十一五”規(guī)劃提出了達到同一GDP增長率需節(jié)能20％的奮斗目標，以科學的發(fā)展觀，創(chuàng)新、節(jié)能、環(huán)保是當前技術革命的三大重點。

我國是能源消耗大國，而能源又十分缺乏，它極大地制約了我國國民經(jīng)濟的健康、快速、持續(xù)發(fā)展，因此一方面要大力尋找新能源，如風能、核能、太陽能，同時又要大力節(jié)約能源。

用SPI總線把ADE77xx系列專用電能計測芯片如表1所示和單片微機組合而成的多功能、峰谷用電，分時計費的電度表是目前的主流，應大力推廣。

筆者曾用SPI總線[1]把ADE7758[2]和MCU組成多功能——峰谷用電、分時計費電度表，下面就研制過程中的一些關鍵問題作一簡要介紹，與同行商榷。

1 電度表工作原理

1.1 原理框圖

電度表主要有信號采集傳感器和電壓、電流取樣電路、ADE77xx計量芯片和電能脈沖輸出驅動電路、MCU單片微機、外擴鐵電E²PROM、晶體和時鐘電路、128×64點陣LCD、RS485及隔離驅動串行接口、開關量輸出、4~20mA模擬量輸出、鍵盤接口等組成。ADE7758、E2PROM、RTC等3種芯片與MCU之間用SPI總線、CS片選和不同中斷引線連接成系統(tǒng)。上述系統(tǒng)較容易實現(xiàn)0.5級多功能電度表。

圖1 電度表原理框圖

1.2 三相電壓、三相電流取樣電路

電壓取樣采用玻膜合金制成的微型電壓型電流互感器（PT），其變比為2mA/2mA，在電壓動態(tài)范圍為（50～200）％Un（Un為額定電壓，AC220或AC380）時其比差非線性度為±0.1％，角差非線性度為±5角分。負載阻抗≤300Ω。電壓互感器輸出直接與ADE7758相連，單端輸入，電路結構如圖2所示。

圖2 電壓采樣電路

當輸入電壓為AC220V時，圖2中R用金屬氧化膜電阻，其溫度系數(shù)應選得較小。RL為總的負載電阻，應≤300Ω，～280V時為滿量程。R1、C1為抗混疊濾波。
當輸入電壓為AC380V時，圖2中電阻R取200 kΩ/2W×2，AC500V滿量程。

電流取樣選用高精度微型電流互感器CT，電路結構如圖3所示。與ADE7758的連接采用差動輸入，以提高抗共模干擾能力。

CT1為0.2級電力電流互感器，儀表可測最大電流為7000A，K1（CT1互感器變比，1~1400倍，可根據(jù)主回路電流I1大小選擇K1）為CT1變比，K1=I1/I2，I2一般取5A，根據(jù)用戶需要也可選1A或其他電流。

CT2為玻膜合金制成的微型電流互感器，K2（CT2的變比）一般取5A/5mA（為1000倍），原邊輸入電流(I2)的5％～120％(250mA～6A)范圍內比差非線度為±0.1％，負載阻抗
(R)≤100Ω，角差非線度±5角分。R取值與ADE7758輸入量程有關。

圖3 電流采樣電路

1.3 ADE7758專用芯片

ADE7758具有6路24位Σ—ΔADC，采樣速率最高為26kSPS，三路電流采樣為差動輸入，抗共模干擾能力較強，三路電壓采樣為單端輸入。電壓和電流信號最大輸入為±0.5V，±0.25V，±0.125V，可編程增益控制。AD具有內部基準參考電壓，若電度表的測量精度高于0.5級（如需制造0.2級，0.1級）時建議使用AD公司的高精度電壓基準芯片（如ADR441B；2.500V±1mV，3PPm/℃）。

① 支持有功/無功/視在功率、電壓有效值、電流有效值和采樣波形數(shù)據(jù)以及功功率的感性和容性。
② 有功能量測量精度在動態(tài)范圍1～1000、＠25℃條件下測試，高于±0.1％。
③ 二路脈沖輸出，一路有功功率，另一路可編程無功功率或視在功率輸出。
④ 功率、相位、rms可補償校正。
⑤ 片內可編程欠電壓門檻和過電壓檢測。
⑥ 過電流檢測和峰值電流檢測。
⑦ 電壓過零檢測周期或頻率；
⑧ 相序檢測和相位補償，電源電壓監(jiān)視；
⑨ 內部具有硬件電路的“加，乘，平方，開方，積分，低通濾波，高通濾波，補償校正等運算。
⑩ SPI接口＋中斷（IRQ）輸出與CPU接口，SPI接口中有數(shù)據(jù)輸入（DIN），數(shù)據(jù)輸出（DOUT）、時鐘（SCLK）和片選（CS）等4個引腳，一個中斷（IRQ）輸出引腳。

11 具有中斷屏蔽寄存器和中斷標志位寄存器，當相應屏蔽位打開，相應功能完成時即產生中斷，并將對應的中斷標志位置“1”，向CPU發(fā)出中斷請求，當CPU響應中斷后即可讀取ADE7758相應功能寄存器中的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)讀取后，由CPU進行處理并清除ADE7758中的中斷標志位。

中斷源共有19種；
功率累計積分達到寄存器滿量程的一半時產生中斷，含有功、無功、視在功率；
A、B、C三相中任一相電壓低于欠電壓溫度閥值時產生中斷；
A、B、C三相中任一相電壓過零超時，相當于頻率失調時產生中斷；
A、B、C三相中每相電壓過零點時產生中斷，用于測量頻率或周期；
能量累加寄存器半周期積分結束時產生中斷；可讀取電能；
電壓或電流峰值超過時產生中斷，用于過壓檢測和過流檢測；
波形寄存器中出現(xiàn)數(shù)據(jù)時產生中斷；
有功電能符號改變時（發(fā)電/受電變化時）產生中斷；
無功電能符號改變時（感性/容性無功電能）產生中斷；
三相相序錯時產生中斷。

對ADE7758使用時采用中斷后讀數(shù)同步性較好，該芯片在完成某項功能或檢測異常時才產生中斷，中斷產生時，相應寄存器中的數(shù)據(jù)已經(jīng)就緒，不宜采用CPU定時讀取ADE7758
寄存器中存放的數(shù)據(jù)，前者是同步讀數(shù)，后者是異步讀數(shù)。如要提高測量精度，建議使用外接高精度基準電壓芯片。

1.4 SPI總線

SPI總線是一種高速同步串行總線，兩個芯片之間的數(shù)據(jù)速率可達幾兆bps。我們用5Mbps傳送。ADE7758與CPU之間有3個引腳，由于傳送速率較高，因而二芯片必須靠近，只能布置在一塊印制板內，故名“板內總線”，且數(shù)據(jù)線、時鐘線之間最好用地線隔開，避免線間串擾。其原理框圖如圖4所示。

圖4 SPI總線原理圖

圖4中：SDI為輸入數(shù)據(jù)線；SDO為輸出數(shù)據(jù)線；SCK為時鐘線，主控制器發(fā)送時鐘，從控制器接收時鐘。MICROCHIP公司的PIC（CPU）芯片，SPI總線和I2C總線引腳共用，初始化程序中要預置成用于SPI總線功能。FREESCALE公司的CPU中SPI和I2C引腳是分開的。SPI總線數(shù)據(jù)傳輸時一般用中斷方式，一個字節(jié)中斷一次，故數(shù)據(jù)率較高，也可在一幀數(shù)據(jù)傳送的第一字節(jié)產生中斷，后續(xù)字節(jié)傳送用查詢。

使用SPI總線要注意的是數(shù)據(jù)傳送速率與印制板布線兩個問題。

2 實時時鐘(RTC)與峰谷用電、分時計費

用SPI總線、ADE7758專用芯片、CPU組成的多功能電度表，容易達到0.5級精度，但電能計量的精度與實時時鐘的溫度穩(wěn)定性和時間穩(wěn)定性有密切關系，選擇內置晶體的RTC價格較貴，若晶體外置則要考慮晶體的穩(wěn)定性或采取必要的溫度補償措施。

這種多功能三相智能電表，通過鍵盤設定，LCD顯示，人—機界面友好，容易實現(xiàn)峰谷用電，分時計費，適用于智能成套開關柜和各種工業(yè)、農業(yè)、國防的三相電度計量、收費。

3 結束語

ADE7758計量芯片與8位或16位單片微機組合成三相多功能電度表，容易實現(xiàn)0.5級的高精度，若使用0.1％線性度的電壓互感器和電流互感器、具有溫度修正的RTC可實現(xiàn)0.2級精度。

這類電度表精度高，可靠性好，使用鍵盤設定和LCD（128×64點陣）顯示，漢字提示，界面友好，同時具有聯(lián)網(wǎng)功能和電能脈沖輸出，給用戶帶來極大的方便，在具有現(xiàn)場總線局域網(wǎng)的智能成套柜中，可直接將各種數(shù)據(jù)上傳給中央控制室。

這種電表具有峰谷用電、分時計費功能，24小時內可分8小時段計費，可節(jié)約用電、平衡用電，提高電能的使用效率，符合我國節(jié)能降耗的國策，應大力推廣使用。

ADE7758是AD公司1999年推出的芯片，06年又推出ADE7762，ADE7752B三相電能計算芯片；單相電度表也推出ADE71XX系列（具有防竊電功能）和ADE75XX系列，且將計量芯片與MCU（8052核心）組合成一個芯片，其造價更低，性能更好。我們應利用這類芯片，開發(fā)出價廉物美的智能型電度表。

參考文獻
1 High Performance,Enhanced Flash Microcontrellers With 10-Bit A/D PIC18FXXX PIC micro 18FXXXX MCU系列參考手冊.
2 Analug Device,Inc ADE7758 Poly Phase Multi-Function Energy Metering IC With Per Phase information.

王成多，男，1940年生，1965年畢業(yè)于浙江大學，一直從事計算機應用、智能電器、數(shù)字儀表、現(xiàn)場總線局域網(wǎng)的開發(fā)研究。