近年來(lái)，隨著國(guó)家電網(wǎng)大規(guī)模的改造與建設(shè)，電子式多功能電能表技術(shù)正在快速發(fā)展。電子式多功能電能表采用電子計(jì)量原理，具有高精度、高速率、多參數(shù)、長(zhǎng)壽命計(jì)量、性能穩(wěn)定、操作方便等優(yōu)勢(shì)。美國(guó)ADI公司最新推出ADE78xx系列高精度三相電子式電能測(cè)量IC,超越了工業(yè)上對(duì)電能計(jì)量0.2S級(jí)表的精度和動(dòng)態(tài)的要求，可用于提高商業(yè)、工業(yè)及住宅智能電表的精度和性能，其中ADE7878功能最全,性能最好。因此，本文采用ADE7878作為核心計(jì)量芯片。

    LPC2212是恩智浦公司推出的一款基于16/32位ARM7TDMI-S核、支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的微控制器芯片，并帶有16 KB片內(nèi)SRAM和128 KB嵌入的高速Flash存儲(chǔ)器,具有獨(dú)特的加密功能。128 bit寬度的存儲(chǔ)器接口和獨(dú)特的加速結(jié)構(gòu)使32 bit代碼能夠在最大時(shí)鐘速率下運(yùn)行。LPC2212采用144腳封裝、極低的功耗、多個(gè)32 bit定時(shí)器、多個(gè)串行接口、8路10 bit ADC、PWM輸出以及多達(dá)9個(gè)外部中斷,其單片可用GPIO為112腳,這些特性使其非常適用于工業(yè)控制,對(duì)本文所設(shè)計(jì)的電子式多功能電能表也是非常適合的。
    基于本文所設(shè)計(jì)的電子式多功能電能表的樣機(jī)已經(jīng)在逐步完善設(shè)計(jì)之中,在不久之后即可順利投入使用。
1 電能計(jì)量原理
1.1 ADE7878的性能特點(diǎn)
    ADE7878是一款高精度電能測(cè)量IC，其電壓和電流通道均為24 bit Σ-Δ型ADC，提供I2C、SPI、HSDC多種串行數(shù)據(jù)接口和3個(gè)靈活的脈沖輸出，可以同時(shí)提供基波有功和無(wú)功功率、總（基波+諧波）有功和無(wú)功功率、視在電能、基波有功和無(wú)功電能計(jì)量和有效值計(jì)算。
    ADE7878適合測(cè)量多種接法下的有功、無(wú)功和視在電能，同時(shí)支持微分式電流互感器（CT），支持所有通道的波形數(shù)據(jù)輸出。芯片也集成了功率質(zhì)量測(cè)量，如短時(shí)欠電壓或過(guò)電壓檢測(cè)、中性線電流失配檢測(cè)。對(duì)于ADE7878，三種特殊設(shè)計(jì)的低功耗電源模式能保證當(dāng)發(fā)生竊電狀態(tài)時(shí)電能累積的連續(xù)性。ADE7878還支持靈活的校表方式，通過(guò)調(diào)節(jié)電壓電流的增益或功率的增益都能使誤差達(dá)到要求[1]。
1.2 ADE7878計(jì)量算法[1-2]
　    ADE7878有7個(gè)模擬輸入構(gòu)成電流和電壓通道。來(lái)自信號(hào)預(yù)處理電路的小電壓信號(hào)通過(guò)可配置的PGA放大，經(jīng)ADC變換轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后進(jìn)入內(nèi)部DSP進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理，在經(jīng)過(guò)相位校正和HPF濾波后，分別對(duì)各路電壓或電流進(jìn)行均方根值計(jì)算、對(duì)各相電壓和電流進(jìn)行總有功/無(wú)功功率計(jì)算、基波有功/無(wú)功功率計(jì)算。
    對(duì)于含有諧波的交流系統(tǒng)，其瞬時(shí)電壓、電流的數(shù)學(xué)表達(dá)式分別為：
 
  　 

    為保護(hù)電能表內(nèi)部主要電路的安全運(yùn)行，提高系統(tǒng)的抗干擾性、可靠性，電源部分設(shè)計(jì)成3個(gè)獨(dú)立電源：MCU及相關(guān)部分電源、計(jì)量模擬部分電源以及RS485通信部分電源,各部分電源之間采用有效的隔離技術(shù)。MCU通過(guò)SPI總線對(duì)ADE7878的各個(gè)寄存器進(jìn)行訪問(wèn)，得到計(jì)量所需的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)處理之后通過(guò)SPI總線將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到Flash中長(zhǎng)期保存。RTC、LCD、鐵電存儲(chǔ)部分通過(guò)I2C總線與MCU進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。根據(jù)多功能電能表通信規(guī)約的要求,系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用了2種通信方式：紅外通信和RS485通信。除此之外，系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了開(kāi)蓋檢測(cè)、電池欠壓檢測(cè)和系統(tǒng)掉電檢測(cè)，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)視外部的異常情況，對(duì)檢測(cè)到的異常進(jìn)行相關(guān)記錄，同時(shí)進(jìn)行聲光報(bào)警[4]。
2.2 ADE7878模擬信號(hào)輸入電路
    電壓取樣可采用傳統(tǒng)的電壓互感器或電阻分壓網(wǎng)絡(luò)。電壓互感器雖然具有非常良好的隔離性能，但是同時(shí)會(huì)帶來(lái)相位誤差，影響測(cè)量精度，而且體積大、成本高[2]。因此，本設(shè)計(jì)采用無(wú)相位誤差且成本較低的電阻分壓的方法。ADE7878的最大模擬輸入信號(hào)電平峰峰值為±0.5 V，此次設(shè)計(jì)的電表額定電壓為100 V，為留有一定裕量并提高安全性，取樣電阻選擇1 kΩ，分壓電阻采用5個(gè)270 kΩ和1個(gè)51 kΩ的電阻，因此，加額定電壓時(shí)得到的輸入取樣信號(hào)電平峰峰值為100 mV。為了保證精度，采樣電阻全部采用誤差為25 ppm的高穩(wěn)定度的精密電阻。A相電壓采樣電路如圖2所示。

    電流取樣采用傳統(tǒng)的電流互感器方案。電流互感器選用量程為0～5 A的微型精密電流互感器,其規(guī)格為5 A/10 mA，采樣電阻選用精密電阻120 Ω，因此額定采樣電壓有效值為1.2 V，ADE7878電流輸入通道采樣信號(hào)范圍為峰值±0.5 V，因此采樣電阻比為0.5/(1.414×1.2)=0.29，為留有一定余量，保證采樣精度，選用40 Ω、220 Ω兩種金屬膜電阻，這樣采樣電阻比就是40/(220+40)=0.15，具體電路見(jiàn)圖3。

2.3 LPC2212與ADE7878接口電路
    為保護(hù)以LPC2212為主的核心控制電路的安全可靠，以及減少數(shù)字電路對(duì)ADE7878模擬采樣的干擾，在設(shè)計(jì)這兩部分的接口電路時(shí)，有必要考慮電氣隔離的問(wèn)題。
　 本設(shè)計(jì)中采用的是ADI公司的采用iCoupler技術(shù)的四通道數(shù)字隔離器ADUM1411芯片，額定電介質(zhì)隔離電壓為2.5 kV(有效值)，持續(xù)1 min。該隔離器將高速CMOS與單芯片空芯變壓器技術(shù)融為一體，具有優(yōu)于光耦合器等替代器件的出色性能特征，隔離效果非常好。iCoupler器件不用LED和光電二極管，因而不存在一般與光耦合器相關(guān)的設(shè)計(jì)困難。簡(jiǎn)單的iCoupler數(shù)字接口和穩(wěn)定的性能特征，可消除光耦合器通常具有的電流傳輸比不確定、非線性傳遞函數(shù)以及溫度和使用壽命影響等問(wèn)題。這些iCoupler產(chǎn)品不需要外部驅(qū)動(dòng)器和其他分立器件。此外，在信號(hào)數(shù)據(jù)速率相當(dāng)?shù)那闆r下，iCoupler器件的功耗只有光耦合器的1/10至1/6[5]。
　 ADE7878提供兩種串口通信模式：SPI接口模式；I2C接口+HSDC接口模式。本設(shè)計(jì)采用速度較高的SPI接口模式。在上電或硬件復(fù)位后，通過(guò)SS引腳上連續(xù)拉高置地三次，ADE7878進(jìn)入SPI通信模式，其最高的通信速度為2.5 MHz。SS引腳的具體操作可以通過(guò)兩種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)：一是由MCU使用一個(gè)I/O引腳觸發(fā)SS引腳切換3次；二是對(duì)ADE7878沒(méi)有分配特定寄存器的地址(例如0xEBFF)執(zhí)行3次SPI寫操作。在串口選擇完成后，必須進(jìn)行端口鎖定，對(duì)CONFIG2[7:0]寄存器的任何寫操作即可鎖定端口，一旦鎖定，串口模式將無(wú)法更改，直到復(fù)位為止[1]。
3 整體軟件設(shè)計(jì)

    本設(shè)計(jì)的軟件是基于Keil uVision3開(kāi)發(fā)環(huán)境編寫的，主要包括系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)以及軟件校表設(shè)計(jì)。
3.1 主程序設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)主程序流程如圖4所示。主程序分為初始化部分和主循環(huán)部分。

    初始化部分包括對(duì)FRAM、Flash兩種存儲(chǔ)器的格式化，對(duì)MCU的ADC、SSP、I2C、UART各種端口的設(shè)置，對(duì)GPIO引腳的功能設(shè)定與方向選擇，對(duì)內(nèi)部中斷、外部中斷的設(shè)置，對(duì)RTC時(shí)鐘的設(shè)置，等以上均初始化完畢之后，將相關(guān)參數(shù)導(dǎo)入FRAM中，然后配置ADE7878，啟動(dòng)電量信息的采集。
    主循環(huán)部分依次對(duì)外設(shè)的情況進(jìn)行檢測(cè)，按鍵掃描處理，計(jì)算各種電量信息并通過(guò)LCD顯示、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)以及RS485通信。當(dāng)外設(shè)出現(xiàn)異常情況，或者檢測(cè)到開(kāi)蓋、電池欠壓、掉電情況時(shí)，進(jìn)行相應(yīng)聲光報(bào)警以及參數(shù)存儲(chǔ)。
3.2 軟件校表設(shè)計(jì)[3]
    ADE7878的校準(zhǔn)有兩種方法可供選擇。一種方法是利用ADE7878的三路校表脈沖輸出，通過(guò)校表臺(tái)來(lái)進(jìn)行校準(zhǔn)。這種方式最為常用，但是效率較低。另一種方法是利用精密基準(zhǔn)源，通過(guò)設(shè)置ADE7878使其工作在線路周期累計(jì)模式下。這種模式的優(yōu)點(diǎn)是效率高，校準(zhǔn)比較快，但對(duì)基準(zhǔn)源的要求比較高。
    ADE7878簡(jiǎn)化了校表方式，一般流程為：電表外接PF=1的額定電流、額定電壓，依次校準(zhǔn)電流增益IGAIN、電壓增益VGAIN。根據(jù)電流、電壓修正的結(jié)果相應(yīng)修改WTHR的閾值，同時(shí)設(shè)置芯片工作于線周期累積模式，接入PF=1的額定電流、額定電壓之后，校準(zhǔn)有功功率增益WGAIN。然后將PF調(diào)至0.5L，進(jìn)行相位修正。無(wú)功功率增益VARGAIN、視在功率增益VAGAIN理論上可以等于有功功率增益WGAIN。
    校準(zhǔn)完成之后，可以采用如下方法檢測(cè)校準(zhǔn)的精度：將校準(zhǔn)后的電能表接入標(biāo)準(zhǔn)源額定值，對(duì)比其與標(biāo)準(zhǔn)表的電能脈沖輸出，通過(guò)觀察兩路脈沖的周期是否十分接近，可以初步得知校準(zhǔn)的成功與否，然后再通過(guò)觀察規(guī)定時(shí)間內(nèi)兩路脈沖的個(gè)數(shù)是否一致，從而得知此次校準(zhǔn)的實(shí)際精度。
    由于在芯片復(fù)位之后，所有的校表寄存器都會(huì)恢復(fù)到缺省值，因此，必須將求得的各個(gè)校準(zhǔn)寄存器的值存放在FRAM中長(zhǎng)久保存，在系統(tǒng)復(fù)位后由LPC2212控制將這些修正值依次寫入相關(guān)寄存器中。
    本系統(tǒng)采用LPC2212和ADE7878組合設(shè)計(jì)，將ADE7878的高精度測(cè)量能力與ARM7強(qiáng)大的控制能力相結(jié)合，提高了測(cè)量結(jié)果的精確性，簡(jiǎn)化了硬件設(shè)計(jì)過(guò)程，加大了各個(gè)任務(wù)調(diào)度的靈活性，增強(qiáng)了整體系統(tǒng)的可靠性。
參考文獻(xiàn)
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[3] 胡志剛, 許凱, 崔永峰. 電能計(jì)量芯片ADE7878在智能表中的應(yīng)用[J]. 電測(cè)與儀表, 2010(7):128-131.
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[5] Analog Device, Inc. ADUM141x datasheet quad-channel digital isolators. 2006.