使用AD7755進(jìn)行基于微控制器的能量計(jì)量

隨著電能計(jì)量行業(yè)從機(jī)電儀表轉(zhuǎn)向更精確的固態(tài)儀表，電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員有機(jī)會(huì)整合以前無(wú)法實(shí)現(xiàn)的新功能?，F(xiàn)在需要的是固態(tài)電表，它們比機(jī)電電表更準(zhǔn)確地測(cè)量能量，包含多費(fèi)率計(jì)費(fèi)，并且能夠由公用事業(yè)公司遠(yuǎn)程讀取。本文介紹AD7755電能表集成電路如何用于具有斷電檢測(cè)和測(cè)量備份功能的三相電能計(jì)量，以及遠(yuǎn)程、自動(dòng)、多速率計(jì)量。

AD7755是一款精密（至0.1%）單相電能測(cè)量IC。它接受一對(duì)表示電源線電壓和電流的電壓輸入。在內(nèi)部，這些信號(hào)通過(guò)過(guò)采樣A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字域。固定功能的數(shù)字信號(hào)處理器連續(xù)將兩個(gè)信號(hào)相乘;它們的乘積與瞬時(shí)功率成正比。經(jīng)過(guò)低通濾波后，數(shù)字信號(hào)被轉(zhuǎn)換為頻率（根據(jù)可選設(shè)置進(jìn)行縮放），以在端子F1、F2和CF產(chǎn)生頻率輸出。 F1和F2的信號(hào)可用于驅(qū)動(dòng)機(jī)電計(jì)數(shù)器（通常以0.5至5 Hz的滿量程速率），而更高頻率的CF信號(hào)適用于校準(zhǔn)。脈沖輸出的頻率（或速率）與儀表監(jiān)控的瞬時(shí)有功功率成正比。因此，在給定的時(shí)間間隔內(nèi)，在這些輸出端產(chǎn)生的脈沖總數(shù)與傳輸?shù)截?fù)載的能量成正比。反極性邏輯信號(hào)指示測(cè)量的瞬時(shí)功率何時(shí)變?yōu)樨?fù)（即負(fù)載將凈功率返回到線路）。

圖1.AD7755的原理框圖

CF 頻率輸出是與 F1、F2 輸出成比例的脈沖序列，交流輸入的滿量程輸出速率為 21.76 Hz、43.52 Hz 和 5.57 kHz。它非常適合與執(zhí)行計(jì)算和決策的微控制器接口。圖2顯示了三個(gè)AD7755（每相一個(gè)）如何與微控制器配合使用來(lái)制作三相電表。

圖2.基于三相微控制器的電能表功能框圖

微控制器充當(dāng)系統(tǒng)的“大腦”，執(zhí)行所有必需的內(nèi)務(wù)管理任務(wù)，并與其他組件（電能表IC、電源、EEPROM、顯示器和操作儀表的按鈕）進(jìn)行交互，以查看能量或功率、校準(zhǔn)相位或清除讀數(shù)。除了低成本之外，微控制器的基本要求是：

*足夠的 I/O 來(lái)驅(qū)動(dòng)顯示器。

如果使用LCD顯示屏，則需要驅(qū)動(dòng)程序。如果未將
LED 顯示屏集成到 MCU 中，則可以通過(guò) 3 到 8 解碼器輕松控制 LED 顯示屏。

*中斷。

為避免錯(cuò)過(guò)任何能量指示脈沖，可以將系統(tǒng)配置為
觸發(fā)MCU中的中斷。電源監(jiān)視器在檢測(cè)到掉電情況時(shí)可以生成
MCU中斷，并啟動(dòng)
緊急電能測(cè)量備份。

*EEPROM串行接口。

只需使用兩條或三條I/O線即可創(chuàng)建簡(jiǎn)單的串行接口。
內(nèi)置串行接口的MCU使設(shè)計(jì)更加容易。

*定時(shí)器。

需要保持兩個(gè)主要的時(shí)間間隔。首先，必須
將顯示更新速率設(shè)置為大約 2 秒。此外，如果使用LED顯示屏，
計(jì)時(shí)器必須以足夠的速率循環(huán)顯示數(shù)字，以盡量減少閃爍。
此外，校準(zhǔn)程序必須仔細(xì)定時(shí)，但可以使用
中斷后分頻器來(lái)實(shí)現(xiàn)。

作為一項(xiàng)附加功能，可以使用第二個(gè)串行接口與主機(jī)系統(tǒng)通信，以進(jìn)行遠(yuǎn)程/自動(dòng)計(jì)量。此外，可以使用外部或內(nèi)部時(shí)鐘來(lái)實(shí)現(xiàn)多速率計(jì)量。

參考設(shè)計(jì)

我們采用三相電能表參考設(shè)計(jì)（圖2）演示如何將多個(gè)AD7755連接至微控制器。它使用Microchip PIC16C67微控制器、串行EEPROM、8位LED顯示屏、用于電流檢測(cè)的電流互感器和用于電壓檢測(cè)的電阻分壓器。電源由基于變壓器的電源提供，具有功率損耗檢測(cè)功能。

AD7755s的模擬接口配有用于電壓通道的分壓器電阻和用于電流通道的電流互感器。電流互感器提供一定程度的電氣隔離，無(wú)需在儀表內(nèi)安裝電流檢測(cè)分流器。微控制器代碼以 C 編程語(yǔ)言編寫(xiě)，并已編程到 PIC16C67 中。所使用的特定編譯器還包括一組連接到Microchip串行EEPROM的指令，該EEPROM存儲(chǔ)能量測(cè)量數(shù)字和在校準(zhǔn)模式下獲得的計(jì)算限值。顯示屏由 8 個(gè) LED 數(shù)字組成，由 3 至 8 解碼器多路復(fù)用。電源使用三個(gè)變壓器、一個(gè)整流器和一個(gè)穩(wěn)壓器將 220V 三相交流電轉(zhuǎn)換為直流電壓，即使一相熄滅也能為電表供電。提供參考設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)手冊(cè)/應(yīng)用筆記。

由于電表決定了用戶的能源成本，因此電能表最重要的要求是隨著時(shí)間的推移可靠性和準(zhǔn)確性。能量以相當(dāng)簡(jiǎn)單的方式測(cè)量 - 通過(guò)脈沖極限比較。在這種方法中，微控制器計(jì)算相位上的脈沖數(shù)，直到總數(shù)達(dá)到校準(zhǔn)限值。此時(shí)，能量讀數(shù)按顯示器范圍內(nèi)的最小單位遞增（在本例中為 0.01 kWh）。這種技術(shù)意味著顯示寄存器只需要在必要時(shí)更新，并且還避免了可能導(dǎo)致儀表運(yùn)行效率低下的復(fù)雜數(shù)字操作。

慢速模式下CF的最大輸出頻率為43.52 Hz，或156，672脈沖/小時(shí)?？紤]到裕量，可以校準(zhǔn) 220 伏、60 安培的系統(tǒng)，以便 0.01 kWh 的測(cè)量能量在 CF 上產(chǎn)生大約 100 個(gè)脈沖。 校準(zhǔn)在高頻模式下完成，其中 CF 上的最大頻率快 128 倍，即 5.57 kHz。在校準(zhǔn)期間，線路上的固定功率設(shè)置為在校準(zhǔn)間隔內(nèi)產(chǎn)生 1/128 kWh 的值。由于比例因子為128，當(dāng)AD1返回到低頻模式時(shí)，校準(zhǔn)期間計(jì)數(shù)的脈沖數(shù)相當(dāng)于7755 kWh。

假設(shè)在此間隔內(nèi)計(jì)數(shù)了 10287 個(gè)脈沖。然后，顯示器必須每 0.01 個(gè)脈沖增加 102.87 kWh，而不是每 100 個(gè)脈沖增加一次。這種小數(shù)N分計(jì)數(shù)可以通過(guò)多種方式完成。例如，在以 100 個(gè)增量推進(jìn)顯示器所需的時(shí)間內(nèi)（即，以 1.00 kWH 的步長(zhǎng)累積 0.01 kWh），其中 13 個(gè)步驟可以通過(guò) 102 個(gè)脈沖計(jì)數(shù)產(chǎn)生，其他 87 個(gè)步驟需要計(jì)數(shù) 103 個(gè)脈沖。已經(jīng)使用的替代方案是，從每步 102 個(gè)脈沖開(kāi)始，每 8 個(gè)脈沖增加 10 個(gè)脈沖千步進(jìn)，每 7 個(gè)脈沖增加 100 個(gè)脈沖千步。

AD7755s上的高頻設(shè)置可在更短的校準(zhǔn)時(shí)間（約30秒）內(nèi)產(chǎn)生更好的結(jié)果。由于系統(tǒng)可能的變化和歷史慣例，三相電表的每個(gè)相位都是獨(dú)立校準(zhǔn)的。

結(jié)論

像上面描述的基本固態(tài)儀表設(shè)計(jì)很可能比機(jī)電儀表更準(zhǔn)確、更可靠、更便宜，并且將允許增加有利于客戶和公用事業(yè)公司的功能。在不久的將來(lái)，公用事業(yè)公司將遠(yuǎn)程監(jiān)控您的能源消耗，并根據(jù)高峰和非周期使用向您收費(fèi)，甚至（在摩托羅拉系統(tǒng)中）允許您跟蹤使用情況。不僅測(cè)量將更加準(zhǔn)確，而且在整個(gè)電網(wǎng)中實(shí)施的固態(tài)計(jì)量可實(shí)現(xiàn)更高效的能源管理。

審核編輯：郭婷