基于CSE7780芯片的智能電能表設(shè)計方案

CSE7780是深圳市芯海科技有限公司繼2007年推出高精度單相有功功率計量芯片CSE7755B實現(xiàn)低成本電表方案，以及2009年推出填補(bǔ)國內(nèi)數(shù)?；旌先?a target="_blank">電能計量芯片空缺的三相電能計量芯片CSE7752后，又成功推出的能夠測量電壓有效值、電流有效值、平均有功功率等各種電氣參數(shù)，且具有防竊電功能的單相多功能計量芯片?；谠撔酒碾姳矸桨竿耆蠂W(wǎng)新標(biāo)準(zhǔn)，從而使得芯?？萍汲蔀槟壳胺蠂W(wǎng)新標(biāo)準(zhǔn)的少數(shù)幾個芯片供應(yīng)商之一。

基于CSE7780設(shè)計的智能電能表旨在使設(shè)計方案更加合理，使之成為性價比更具優(yōu)勢的產(chǎn)品。本文對計量芯片CSE7780的性能特點和結(jié)構(gòu)電路進(jìn)行了分析，并從軟、硬件兩個方面給出符合國網(wǎng)智能電能表要求的設(shè)計方法。

符合國網(wǎng)新標(biāo)準(zhǔn)電能計量方案

CSE7780是一款高精度單相電能計量芯片，在動態(tài)范圍（1500：1）內(nèi)，非線性誤差小于0.1%，提供兩路電流有效值、一路電壓有效值，在動態(tài)400：1的范圍內(nèi)，有效值誤差小于0.5%.

該芯片能夠提供有功功率、有功能量、電流有效值、電壓有效值、線頻率、過零中斷等功能，以及提供全數(shù)字增益、相位、失調(diào)校準(zhǔn)，有功能量脈沖從PF管腳輸出。CSE7780通過一個SPI串行接口可以與外部的MCU進(jìn)行通信；具有潛動閾值可調(diào)功能；內(nèi)部具有電源監(jiān)控電路，可以保障芯片的正常工作。CSE7780使用5V單工作電源，內(nèi)置2.5V電壓參考源，也可以使用外置的2.5V參考源。

CSE7780的內(nèi)部功能結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。在芯片工作時，將采樣到的電流、電壓信號先經(jīng)過增益放大器，將采樣信號放大，然后再通過高精度的Sigma-Delta、模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，得到的數(shù)字信號通過低通濾波器、高通濾波器濾去高頻噪聲與直流增益，從而得到需要的電流、電壓采樣量化的數(shù)據(jù)。將這些數(shù)據(jù)相乘，經(jīng)過低通濾波器輸出平均有功功率；電流、電壓量化后的數(shù)據(jù)通過平方電路、低通濾波器、開方電路得到電流、電壓有效值。將有功功率按時間積分，計算出有功能量。通過能量頻率轉(zhuǎn)換器將得到的能量通過PF引腳輸出，也可通過SPI總線獲得經(jīng)過數(shù)字信號處理得到的數(shù)字化數(shù)值。

圖1：CSE7780結(jié)構(gòu)框圖軟件設(shè)計

CSE7780寄存器的配置流程如圖2所示，先設(shè)置好計量控制寄存器，能后再配置校表寄存器。

圖2：參數(shù)配置流程圖

1.CSE7780 ADC參數(shù)設(shè)計

以設(shè)計一款額定電壓220V（Un）、10（60）A電流規(guī)格、表常數(shù)為1600imp/KWh的電表為例，由于電流輸入通道允許輸入最大信號為±700mV的峰峰值（有效值為495mVrms），10（60）A的表考慮到通道A發(fā)熱的情況，可選擇200～250微歐的錳銅，若以250微歐的錳銅來采樣，在Imax=60A時，通道A的采樣信號為60A*250μΩ=15mV，由于電流通道A的允許最大輸入信號為495mV，因此電流通道的增益選擇可配置成16，通道B采用2500：1的互感器；負(fù)載電阻10Ω，電流通道B增益設(shè)置為1.電壓通道允許最大輸入信號為±700mV的峰峰值，考慮到電壓會有130%Un過壓，可將電壓采樣信號通過網(wǎng)絡(luò)電阻將220V交流電壓信號降至220mV左右，電壓通道增益選擇為1.

通過上述的論述，我們需將電流通道A的增益設(shè)置為16，電流通道B的增益設(shè)置為1，電壓通道的增益設(shè)置為1，因此SYSCON寄存器應(yīng)設(shè)置為00C0H.

2.HFConst寄存器的設(shè)置

電表常數(shù)EC為1600imp/KWh；Vu=0.22V；Vi=10A*0.00025Ω*16=40mV；EC=1600；Un=220V；

Ib=10A.根據(jù)公式HFConst= INT[39.3143*Vu*Vi*1011/（EC*Un*Ib）]，可得HFConst=2664H，因此寫入HFConst寄存器的值應(yīng)為2664H.

3.其他計量控制寄存器配置

啟動電流的配置：在Un、Ib的情況下，有功功率寄存器PowerA的數(shù)值為1A375D7H，按照要求在0.4%Ib的情況下能夠正常啟動，則Pstar寄存器可配置為0.2%Ib有功功率對應(yīng)的數(shù)值pstar=00D6H（Pstart對應(yīng)的是PowerA的高24位，計算出的Pstart是16'h00D6）。

能量累加模式的配置：由于需要計量正反有功能量，因此我們須將能量累加模式配置成正反向功率都參與累加，累加方式是代數(shù)和方式，負(fù)功率有REVQ符號指示，使能PF脈沖輸出及有功電能寄存器累加，即可將EMUCON配置為0001H.

4.校表寄存器的配置

a.有功功率校準(zhǔn)

功率增益校正：在輸入信號為Un、Ib的情況下，從校表臺獲得通道A的誤差為err，。如果Pgain>=0，則GPQA=INT[Pgain*215]，反之若Pgain=0，PHSA =INT(θ/0.020)；如果θc