电子式多功能电能表的设计与实现多个资料.docx

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电子式多功能电能表的设计与实现多个资料

电子式多功能电能表的设计与实现

来源：

电力网（转摘）作者：

时间：

2010-11-13点击：

31

　　电子式多功能电能表主要针对国内市场三相用电的工业用户。

随着电力行业改革深入，工业三相用电对多功能电能表的需求大量增加。

目前国内多功能表种类少、价格较高、功能不完善,往往仅是针对某些地区的特定要求开发，缺乏通用性，某些产品未能完全达到国标的要求。

本文介绍的电子式多功能电能表正是为了适应这种市场需求而设计的。

　　这是一款智能型高科技电能计量产品，该表可以同时计量正/反向有功电能、正/反向无功电能、四象限无功电能，还具有多费率控制，负荷曲线记录，各相失压、过压、频率超限记录，数据LCD显示等多种功能。

主站可以通过RS-485总线或手持红外抄表器对该电表进行查表、设表、抄表等操作。

　　软件代码全部采用C/C++语言编写，编码效率高，可维护性好，便于实现模块化设计，可根据用户的需求方便地对功能模块进行裁剪。

而且代码经过优化，其生成的目标代码大小和执行效率已与汇编代码相差无几。

该产品的技术指标全面符合GB/T17215-1998《1级和2级静止式交流有功电度表》、DL/T614-1997《多功能电能表》和DL/T645-1997《多功能电能表通信规约》的要求。

　　多功能电能表的总体结构和硬件设计

　　多功能表总体结构

　　电子式多功能电能表硬件的核心MCU主控制器，它负责按键输入扫描、工作状态检测、计量数据的读入、计算和存储、电表参数的现场配置以及与外界的通信控制等。

其主要功能单元包括MCU主控制器单元、电量计量模块、红外和RS-485通信模块、校表模块、EEPROM存储阵列等；其他辅助模块主要有：

时钟日历电路、工作异常报警电路、按键输入电路、复位和看门狗电路、开关电源模块和后备电池电路、大屏幕液晶显示模块和LED显示模块。

多功能表总体结构框图如图1所示。

　　高性能主控制器单元

　　主控制器采用NEC公司8位单片机中的高档产品μPD78F0338。

该款单片机为120脚QFP封装，单片集成有60kBFlash、一个异步通信串行口、40×4段LCD驱动器、高达10MHz的总线时钟和10路10位精度的ADC，并可通过简单的接口进行在系统编程，极大地方便在线调试和软件升级。

并且支持高级语言，较好地满足了多功能表任务繁多、数据量庞大、算法较复杂的功能要求。

　　串口复用通信单元

　　通信电路模块主要包括TSOP1838红外接收头、红外发射二极管、载波电路、MAX487专用485收发电路、驱动/开关二极管和其他元件。

　　图1多功能电能表总体结构框图

　　图2通信串行口复用电路

　　高精度电量计量模块

　　计量模块由高精度专用电能计量芯片SA9904、电流互感器和其他外围电路元件组成。

SA9904是Sames公司生产的一款三相双向功率/电能计量芯片，可以计量有功/无功功率、电压、频率、相序异常等，可以单独计量每一相的用电信息，符合IEC521/1036标准，可达到1级交流电能表的精度要求，各数据寄存器具有24位精度，可通过三线SPI接口与CPU交换数据。

从而可以较好地适应多功能表需要计量多种电量数据的要求。

SA9904引脚及其外围电路图如图3所示。

　　图3SA9904引脚及其外围电路图

　　图4RTC-4553引脚及其外围电路

　　其中，CLK、DO、DI构成与MCU控制器的接口,用于传输控制命令和测得的电量数据，IIPs、IIPt、IIPr用来对电流取样，IVP1、IVP2、IVP3用来对电压取样。

　　时钟日历模块

　　时钟电路采用EPSON生产的RTC-4553实时时钟芯片。

内部集成了32.768kHz的石英晶体振荡器，简化外围电路，并可以根据需要进行自由设置以得到较高的频率；同时集成有时钟和日历计数器；可选择24或12小时显示模式；时钟可通过软件方式进行间隔30秒的调整；并提供0.1Hz或1024Hz的定时脉冲输出，以便于在电能表的外部对时钟精度进行定期检查。

RTC-4553引脚及其外围电路图如图4所示。

　　其中，SCK、Sin、Sout与主处理器接口，用于发送控制指令或者传输日期时间数据，本系统日历时钟模块采用电池作后备电源，以确保在停电状态下，日期时间的准确无误。

　　图5主程序流程图

　　多功能表程序流程图

　　多功能表主程序流程主要包括初始化、数据校验、负荷曲线修补和事务处理等，其流程图如图5所示。

　　日常事务处理流程集中体现了多功能表的大部分主要功能，包括费率处理、计量数据采集及处理、自动抄表、电能脉冲输出、校表模块和掉电检测及处理模块等，其流程图如图6所示。

JSY-MK-301三相电能计量模块（方案）详解

创建时间：

2011-11-1010:

51:

18最后修改时间：

2011-11-1012:

06:

29点击：

63

JSY-MK-301三相电能计量模块（方案）详解

1、JSY-MK-301是一款全互感式的三相电能计量模块，有一个TTL电平通讯接口，以及两路RS485采用9600的波特率进行数据输出；不但能够采集分相的电压、电流、功率因素、有功功率、无功功率、有功电能、无功电能等计量数据还可以采集三相总功率因素、有功功率、无功功率、有功电能、无功电能。

2、被测三相电压线分别接到VAVBVCVN，电流使用穿心式互感器；直接将被测电流线路穿过互感器就可以了。

3、电能模块可以分别设定三个过压、过流报警阀值，当前电压或电流超过预设值时，分别通过三个报警继电器输出。

4、远程485口输出使用标准接线柱，本地485口使用了标准USB接口；可以方便的接入JSY-XS-01显示器，搭配成分体式的电能质量分析仪。

5、还提供一组TTL电平输出接口TXD（模块数据发送），RXD（模块数据接收），GND。

6、此模块采用pi公司的LNK564DN做的开关电源进行两路供电，采用7805进行稳压后，一组给计量芯片供电；一组供给RS485电路用于通讯。

7、为了降低成本电压采用使用的是2mA:

2mA的电流型电压互感器；R1~R6是电压回路的限流电阻。

U1是NEC的78F0526作为MCU进行数据处理和通讯，U3是具有2000:

1的动态范围的健思研科技的JSY101作为计量芯片；计量芯片通过SPI口和MCU进行通讯，通讯结果放入U2AT24C04。

u4是485通讯芯片，13085LEEN最大节点数是256个，可以满足一般需求。

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基于MSP430的高精度电量测量装置的设计.pdf3页

基于ATT7022B高精度智能电表的设计

时间：

2010-04-1211:

18:

27来源：

电子科技作者：

崔娟，李平舟，孙磊，姬志国西安电子科技大学

摘要：

提出一种基于多功能防窃电基波谐波三相电能计量芯片ATT7022B和低功耗单片机STC89C51的电表实现方案。

该设计用高精度计量芯片ATT7022B进行电压、电流、电量等各项参数的采集，设计的电能表具有高精度、低功耗、防窃电等特点。

所设计的电能表也可作为配电监控终端单元，同时具有灵活的远程校表功能。

关键词：

计量芯片ATT7022B；电能表；铁电存储器

   随着电子技术和计算机技术的发展以及配电网自动化系统的实施，进一步促进了电能质量问题的研究及其检测装置的研制，以往采用多个采样模块加上多路转换开关和高分辨率的模拟数字转换器构成一个同步采样模块的方式逐渐被带DSP功能的专用高精度计量芯片所替代。

与传统电表相比，本文方案采用低功耗单片机STC89C51和炬力公司的三相电能专用计量芯片ATF7022B来实现防窃电电能表，具有高精度、低功耗、防窃电等特点，用RS485通信可以方便远程抄表，远程校表等功能。

1电能计量芯片ATT7022B

1．1ATT7022B的功能及结构

   ATT7022B是一款多功能防窃电三相电能计量专用芯片，该芯片适用于三相三线和三相四线的应用。

它集成了7路二阶sigma-deatlADC，其中3路用于三相电压采样，3路用于电流采样，还有1路可用于零线电流或其他防窃电参数的采样、输出采样数据和有效值，使用方便。

它集成了参考电压电路以及所有包括基波、谐波和全波的各项电参数测量的数字信号处理电路，能够测量各相及合相包括基波、谐波和全波的有功功率、无功功率、视在功率、有功能量以及无功能量，同时还能测量频率、各相电流及电压有效值、功率因数、相角等参数，提供两种视在能量（PQS，RMS）。

   ATT7022B的内部框图如图1所示，内部主要包括模拟信号采样、数字信号处理及SPI通信接口等电路。

1．2ATT7022B数据采集计量模块的设计

   数据采集计量模块的设计是以电能计量芯片ATT7022B为核心，包括电压及电流模拟输入、脉冲输出、电源及SPI通信接口等电路的设计。

   模拟输入电路设计：

该部分电路主要由电流、电压互感器、抗混叠滤波器和参考电压输入电路组成。

从互感器出来的信号，经过滤波处理后。

消除了干扰信号，再叠加上一个参考电压信号，即可送入ATT022B的A／D转换器进行采样，如图2所示。

 SPI通信接口电路设计：

ATT7022B内部集成了一个SPI串行通信接口，通过该接口可方便的实现与外部微处理器的通信。

SPI口包含2条控制线和2条数据线，分别为CS，SCLK，DIN和DOUT。

ATT7022B与外部MCU的SPI通信接口，如图3所示。

2硬件系统构成及主要模块

2．1系统基本原理

   该系统主要以单片机STC89C51为控制核心。

三相电压电流通过电压互感器，电流互感器转换后，接入三相专用电能计量芯片ATT7022B实时采集变压器的参数，通过SPI接口将采集的各种参数送入单片机STC89C5l；同时，单片机通过串口建立通信，将数据上传到中心站，可以根据采集的数据进行开关量的采集。

电能表的硬件设计分成数据采集计量模块设计、主控制模块（MCU）设计、电源模块设计等3部分，如图4所示。

2．2存储器的选择

   在电表中一个重要的问题就是数据的保存，数据的存储不但要正确而且还要及时，如果检测到的数据不能及时写入存储器或者是写入错误，都会使电能表的精度大为下降，在传统的电子电表中，多采用电可擦除可编程存储器（EEPROM）来保存。

但是EEPROM速度慢，有10ms的写周期，掉电后必须有掉电检测电路，这样会使测到的数据不可靠，EEPROM的擦写次数比较少，不能及时地输入数据。

鉴于EEPROM有以上的缺点，本系统的设计采用了铁电存储器FM3104，解决了上述问题。

FM3104具有非易失性、擦写次数多、速度快、功耗低的特点。

铁电存储器与微处理器的接口电路设计如图5所示，应用本方案使硬件电路简化，而且提高了精度。

2．3系统的其它部分模块

   系统的其它部分主要有电源模块、LCD液晶显示和RS485接口模块。

系统内部有许多功能模块，需要多种不同电压的直流电源供电，采用VAF505构成电源模块，为系统提供抗干扰性和可靠性的直流电源。

为了达到好的显示效果，采用北京青云公司生产的LCMl2864P中文液晶显示模块，该显示模块可实现汉字、ASCII码、点阵图形的同屏显示，广泛用于各种仪器仪表、家用电器和信息产品上作为显示器件。

RS485通信接口允许在简单的一对双绞线上进行多点、主从式半双工通信，它所具有的噪声抑制能力、数据传输速率、传输距离以及可靠性等是其他标准所无法比拟的。

本终端采用RS485总线与外部电能表进行数据通信，实现远程抄表。

总线驱动芯片选用SN65ALSl76D完成RS485通信收发功能。

3软件设计

   采用模块化设计思想，单片机软件设计主要包括主程序、初始化程序、ATT7022B复位程序、SPI通信程序、数据采集程序和数据发送程序。

系统还包括3个中断程序：

ATT7022B异常判定中断程序、定时中断程序和串口通信中断程序。

4结束语

   以STC89C51单片微处理器为核心，利用专用计量芯片ATT7022B的电能计量能力实现对有功、无功、视在功率、双向有功和四象限无功电能，以及电压和电流有效值、相位、频率等电参数的准确测量。

电表的线路设计简单、计量精度高。

此电表目前已经投入批量生产，运行良好。

基于ADE7753的高精度多功能电能计量系统--《电子技术应用》2009年...

ADI推出四款高精度电能计量IC

上网时间：

2009年12月23日

所属类别:

电源管理I电源管理I热点产品

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关键字:

ADI  ADE7878  ADE7868  ADE7858

AnalogDevices,Inc.（ADI）最新推出四款高精度电能计量IC——ADE7878、ADE7868、ADE7858及ADE7854，可用于提高商业、工业及住宅智能电表的精度和性能。

智能电表能精确地测量被消耗或产生的电量值，并与本地电力部门通信，实现电能监测、计费及其它功能。

ADI公司的最新电能计量IC可用于开发智能电表，为电力公司提高用户计费精度，实现更高级的电能质量监测，并减少运营成本。

ADI公司新近成立了由RonnKliger领导的专门的能源部门，以满足对电能计量、变电站自动化和一些新兴应用的不断增长的技术需求，如太阳能/风能发电、能源存储等等。

有分析人士指出，未来5年，随着智能电网部署的增长，智能电表在全球安装的数量将高达2亿块。

在中国，与智能电网相关的5960亿美元经济刺激计划正在实施过程中，预计在未来3至5年内将部署1.7亿块智能电表。

而在美国政府为升级本国电网的拨款中，有一部分是用于使13%的美国家庭（1千8百万户家庭）在未来3年之内能装上智能电表。

在欧洲，意大利及瑞典已经完成先进计量基础设施（AMI）的部署，将所有普通电表更换为智能电表。

法国、西班牙、德国和英国预计在未来10年内完成AMI部署。

高精度、三相电能计量IC

ADI公司的新型ADE7878、ADE7868、ADE7858及ADE7854高精度电能计量IC为多相配置而设计，包括三线及四线、Y型及delta型。

在1000:

1的动态范围内，它们可为有功及无功电能测量提供0.1%的精度，堪称业界首创；在3000:

1的动态范围内，可为有功及无功电能测量提供0.2%的精度。

这些新产品还可在1000:

1的动态范围内为）电流有效值和电压有效值测量提供0.1%的精度。

除了能测量每个相位和零线电能之外，ADE7868及ADE7878还能监测电能质量参数，如SAG、峰值、周期、角度测量及相序等。

另一项业界首创就是在保持正常运行的同时，ADE7868和ADE7878具备各种防窃电功能，以确保正常的工作，这可减少现场求助和电表检修的时间。

ADE7878、ADE7868、ADE7858及ADE7854电能计量IC现可提供样片，均采用40引脚LFCSP封装（引脚框芯片级封装）。

千片订量报价

ADE78787.47美元/片

ADE78687.11美元/片

ADE78586.76美元/片

ADE78545.34美元/片

ATT7022C的电参数测量模块设计

2011年11月21日11:

28来源：

单片机与嵌入式系统作者：

黄梦涛，王涛涛我要评论（0）

　　给出一种基于电能计量芯片ATT7022C和LPC2138的电参数测量模块的设计方案。

详细描述了硬件电路接口和电能计量芯片与ARM通信接口的实现过程。

通过实验对芯片进行软件校表，实现了电参数的精确测量。

设计的电参数测量模块具有实时显示和与上位机通信的功能。

为了获得电网的电参数信息，本文采用电能计量芯片ATT7022C结合ARM微控制器设计电参数测量模块。

该模块可以使用液晶实时显示数据，也可以把采集的电参数传输到上位机来对电网的状况进行实时监测。

　　1ATT7022C芯片介绍

　　ATT7022C芯片是钜泉光电科技（上海）有限公司推出的一款高精度三相电能专用计量芯片。

它适用于三相三线和三相四线的接线方式，其内部结构框图如图1所示。

该芯片集成了7路二阶sigma-deltaADC，参考电压电路以及包括功率、有效值、功率因数、能量等的数字信号处理电路。

芯片内置温度测量传感器，提供基波有功、基波无功校表脉冲输出;还具有ADC采样数据缓存功能，缓存长度为240，可以实时保存原始采样数据。

同时芯片还支持单通道、双通道和三通道的同步采样功能，供用户进行采样数据的分析。

芯片提供一个SPI接口与外部MCU进行数据传递，外部控制器只需要通过SPI总线对各寄存器进行读写操作，就可以得到三相电参数的值。

为了得到精确的电参数数值，必须进行校表操作。

芯片支持纯软件校表，经过校正的仪表，有功精度可高达0.5级，无功精度可达2级。

　　2电参数测量模块设计方案

　　电参数测量模块的总体结构框图如图2所示。

模块主要由电参数实时测量、LCD显示、存储、与上位机通信等部分组成。

LCD液晶主要用来显示电压、电流、耗能、功率因数、时间、温度等参数。

模块采用RS485总线或无线组网传输的方式把测量的各种电参数传输到上位机，对电网的运行状况进行实时的监测。

　　模块设计的目标是以较低能耗实时测量、显示电参数，并能够与上位机进行通信。

这就要求处理器的运行速度要快、功耗要低。

LPC2138芯片可以满足这个要求。

它有2个SPI、I2C接口、多达47个可承受5V电压的通用I/O口，以及带有独立电源与时钟源的实时时钟模块。

　　电能计量芯片复位时内部的能量寄存器将复位为0。

如果发生意外断电，芯片中能量寄存器中的值将会丢失，设计时选用AT24C02芯片保存能量寄存器的值。

在软件程序设计中，当负载消耗1度电或其他数据量的时候刷新一次存储器。

　　实时时钟采用ARM系统与外接电池共同供电的方式，当系统意外断电时，时钟模块可由外部电池供电，保证时钟的正常运行。

值得注意的是，实时时钟初始化时，第一次把准确的时间写到时钟芯片后，时钟就开始正确地运行，然后应当把程序中的时钟初始化函数去掉，把整个程序再加载一遍。

否则，模块每次复位都会对时钟初始化一次，这样时钟就不能正确地运行了。

　　3硬件设计

　　3.1模块外围电路设计

　　ATT7022C外围电路如图3所示。

在设计时，为使电源的纹波和噪声减小到最低，要在芯片的各个电源引脚使用10μF和0.1μF电容进行去耦。

在图3中，V1P/V1N、V3P/V3N、V5P/V5N分别是A、B、C三相的电流采集通道;V2P/V2N、V4P/V4N、V6P/V6N分别是A、B、C三相的电压采集通道。

电路连接时，把ATT7022C的SP1口、SIG、CS、RESET分别与LPC2138的SPI口、P0.28、P0.29、P0.30相连进行通信。

SIG为握手信号，控制器通过该引脚监测芯片的运行状况。

SEL为三相电接线方式选择引脚。

电能芯片内部有300kΩ上拉电阻，当该引脚悬空时为三相四线接线方式，当该引脚接地时为三相三线的接线方式。

在硬件电路连接时必须要注意的是，电能计量芯片与LPC2138的电源要共地，否则控制器读写芯片将会出错。

ATT7022C的电参数测量模块设计

（2）

2011年11月21日11:

28来源：

单片机与嵌入式系统作者：

黄梦涛，王涛涛我要评论（0）

　3.2信号采集模块

　　电压、电流采集采用双端差分信号输入的方式采集数据。

正常工作时最大输入电压为±1.5V.2个引脚内部都有ESD保护电路，最大承受电压为±6V。

　　电压信号的采集可选择分压方式或互感器方式。

本系统为了能得到较稳定的信号，决定采用互感器来采集信号。

这样不仅起到了电气隔离的作用。

还可防止电流过大烧毁芯片。

由于电能计量芯片的电压通道在互感器的次级电压为0.5V时有较好的精确度和线性度，所以在设计时，选择LCTV3JCF-220V/0.5V规格的电压互感器作为电压信号的采集端。

电压采集电路如图4（a）所示。

电路中的1.2kΩ电阻和0.01μF电容构成了抗混叠滤波器。

REFO信号连接电能计量芯片输出的2.4V参考电压，这个电压起到直流偏置的作用。

　　电流信号的采集是通过把电流互感器输出的电流信号并接一个适当的电阻，采集电阻两端电压的方式来间接测量电流值。

电流通道在采集电压为0.1V时芯片有较好的精确度和线性度，因此在设计时选用HTTA-5A/5mA规格的电流互感器。

在输入额定电流的情况下，输出的电流信号并接20Ω的电阻可以得到0.1V的电压信号。

值得注意的是，电流互感器的选择应根据实际应用时初级电路中电流大小的范围而选择，电阻也要相应地变化，保证输入的信号在0.1V左右。

电流采集电路如图4（b）所示。

　　4软件设计

　　模块的软件设计首先是对各部分的通信接口进行初始化，然后对芯片进行校正，接着把实验校正的值写入ATT7022C的各个寄存器。

最后，在主函数的循环语句中渎取芯片各个寄存器的数据进行显示、存储、向上位机传输。

　　4.1ATT7022C与LPC2138的SPI接口函数

　　图5、图6分别为ATT7022C芯片的SPI接口读、写时序图。

图中，CS为芯片的片选信号线;SCLK为时钟信号线;DIN为串行数据输入线，用于把用户的数据、命令、地址传输到ATT7022C芯片，它与ARM处理器的SPI总线的MOSI连接通信;DOUT为串行数据输出线，用于从ATT7022C芯片读取数据，它与ARM处理器的SPI总线的MISO连接通信。

从图5中可以看出，当向ATT7022C芯片写一个字节数据时，SCLK高电平时在DIN引脚准备好数据，一个时钟下降沿，就把一位数据写入芯片中。

当从ATT7022C读取一个字节数据时，一个时钟上升沿，芯片会把一位数据传输到DOUT引脚，ARM读取该引脚得到一位数据。

使用ARM的SPI总线，数据在SCLK高电平时有效，所以在设置SPI控制寄存器时CPOL位应置0。

SPI传输的第一位数据在第二个时钟沿被采样，CPHA位应置1。

ARM与ATT7022C芯片进行数据通信时，需要先向ATT7022C芯片写入8位的命令字，然后才能通过SPI接口读出或写入24位数据。

数据传输时高位在先，LSBF位应置0。

在数据传输的过程中CS要保持在低电平的状态，传输完成后应把CS拉高。

同时设置SPI总线为主模式、禁止SPl的中断。

　　SPI的接口函数如下：

　　程序运行时，要想知道通信函数是否正确，可以通过读取校表数据校验和寄存器的值来判断。

在芯片复位后未写校表数据前，它里面存储的复位数据是定值。

发送命令字0x3E或0x5F，读取24位数据。

在三相四线模式下，值是0x043C73;在三相三线模式下，值是0x16BC73。

如果是其他值.则程序有误。

ATT7022C的电参数测量模块设计（3）

2011年11月21日11:

28来源：

单片机与嵌入式系统作者：

黄梦涛，王涛涛我要评论（0）

　4.2芯片的校表

　　校表是设计的关键环节，芯片校表流程如图7所示。

所有的校正都是在校表寄存器参数为0的条件下进行的。

　　以A相电