基于ADE7878的多路電量檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：為了解決工控領(lǐng)域多路交流電參數(shù)檢測(cè)，需要獨(dú)立進(jìn)行單路測(cè)量電路設(shè)計(jì)的問(wèn)題，給出了一種基于ADE7878芯片和嵌入式技術(shù)設(shè)計(jì)的多路電參教采集系統(tǒng)的硬件電路和程序流程。系統(tǒng)采用LPC2132作為主控芯片，適時(shí)控制4052多路開關(guān)，切換各路信號(hào)，通過(guò)I2C通信接口，讀取ADE7878電能芯片采集的電量參數(shù)，同時(shí)通過(guò)RS485通信接口，上傳電參數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該采集系統(tǒng)最多可采集4路三相電的電壓，電流，功率，功率因數(shù)，電能均能實(shí)現(xiàn)1％的計(jì)量精度，具有應(yīng)用靈活，外圍電路簡(jiǎn)單，可靠性高，成本低的特點(diǎn)。本電路設(shè)計(jì)亦可為相關(guān)產(chǎn)品的測(cè)試系統(tǒng)研發(fā)提供參考。
關(guān)鍵詞：ADE7878；電量檢測(cè)；硬件電路設(shè)計(jì)；單片機(jī)

隨著社會(huì)用電容量的擴(kuò)大，通過(guò)適時(shí)檢測(cè)用電信息，實(shí)現(xiàn)配電自動(dòng)化和管理自動(dòng)化，迫切需要電量檢測(cè)及配送向高精度，多功能，智能化方向發(fā)展。傳統(tǒng)設(shè)備存進(jìn)行多路電量參數(shù)監(jiān)測(cè)時(shí)，往往采用多個(gè)電量監(jiān)測(cè)儀器的方法，區(qū)分檢測(cè)主回路和支路電量參數(shù)，系統(tǒng)復(fù)雜，成本高。因此，研制一種可以進(jìn)行多路電量檢測(cè)系統(tǒng)是十分必要的。為此，三相數(shù)字電表是通過(guò)使用嵌入式系統(tǒng)，將采樣、DSP、ARM等技術(shù)集成在一起，實(shí)現(xiàn)復(fù)費(fèi)率、多種參數(shù)的測(cè)量顯示、接口豐富、易于擴(kuò)展的數(shù)字電表。文中基于ADE7878芯片設(shè)計(jì)了一種數(shù)控電量檢測(cè)系統(tǒng)，其可測(cè)量1路電壓，4路電流，4路功率，1路電能，檢測(cè)精度均可達(dá)1％，并給出了系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)已在相關(guān)產(chǎn)品的研制中得到了應(yīng)用。同時(shí)此設(shè)計(jì)方法也為相關(guān)產(chǎn)品的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

1 ADE7878簡(jiǎn)介
ADE7878是一款高精度、三相電能測(cè)量IC。ADE7878適合測(cè)量各種三線、四線的二三相配置有功、無(wú)功和視在功率，例如Y形或三角形等。各相均具有系統(tǒng)校準(zhǔn)功能，即有效值失調(diào)校正、相位校準(zhǔn)和增益校準(zhǔn)。CF1、CF2和CF3邏輯輸出可提供許多功率信息：總／基波有功／無(wú)功功率、總視在功率或電流有效值和。
ADE7878具有波形采樣寄存器，允許訪問(wèn)所有ADC輸出。該器件還提供電能質(zhì)量測(cè)量，例如：短時(shí)低壓或高壓檢測(cè)、短時(shí)高電流變化、線路電壓周期測(cè)量以及相位電壓與電流之間的角度等。利用兩個(gè)串行接口SPI和I2C，可以與ADE7878通信，同時(shí)專用高速接口、高速數(shù)據(jù)采集(HSDC)端口可以與I2C配合使用，以訪問(wèn)ADC輸出和實(shí)時(shí)功率信息。該器件還有兩個(gè)中斷請(qǐng)求引腳／IRQ0和／IRQ1，用來(lái)指示一個(gè)使能的中斷事件已經(jīng)發(fā)生。

2 電量檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2．1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理
整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)由LPC2132控制及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、信號(hào)調(diào)理和采集模塊、多路信號(hào)切換模塊和通訊模塊組成。我們采用LPC2132控制芯片實(shí)現(xiàn)電量檢測(cè)系統(tǒng)的各項(xiàng)功能。交流電壓和電流信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路，經(jīng)過(guò)4052多路信號(hào)切換電路，輸出ADE7878采樣范圍內(nèi)的信號(hào)，ADE7 878將模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，LPC2132芯片通過(guò)I2C通信接口，獲取ADE7878的數(shù)據(jù)，同時(shí)LPC2132適時(shí)切換4052多路開關(guān)，切換各個(gè)支路電流信號(hào)輸出到ADE7878芯片。檢測(cè)系統(tǒng)配有EEPROM掉電存儲(chǔ)單元，可以將ADE7878的校表參數(shù)及電能數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。通訊模塊通過(guò)RS485通信接口，可以與計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，上傳采集到的數(shù)據(jù)信息。電量檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)原理如圖1所示。

2．2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要分信號(hào)調(diào)理和采集模塊、多路信號(hào)切換模塊、MCU控制及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊和通信模塊3部分。
2．2．1 信號(hào)調(diào)理和采集模塊
電壓采樣采用電阻分壓的方式實(shí)現(xiàn)，用大電阻及小電阻串聯(lián)，采樣小電阻兩端電壓信號(hào)，這樣輸出端VA(VB，VC)輸出一個(gè)范圍在0～500 mV之間的模擬電壓。該模擬電壓信號(hào)輸入到ADE7878中。信號(hào)調(diào)理和采集電路原理圖，如圖2所示。

電壓采樣電路計(jì)算公式及電壓系數(shù)如式(1)、(2)所示。

電流采樣的傳感器采用電流互感器，一次側(cè)直接為實(shí)際測(cè)量線路，其二次側(cè)輸出為電流信號(hào)(具體輸出電流大小根據(jù)需要而定)，故電流采樣采用串聯(lián)電阻的方式實(shí)現(xiàn)，采用兩個(gè)電阻串聯(lián)實(shí)現(xiàn)，這樣可得到一個(gè)范圍在0～500 mV之間的交流電壓信號(hào)。該模擬電壓信號(hào)輸入到ADE 7878中電流采樣電路計(jì)算及電流系數(shù)計(jì)算公式如式(3)、(4)所示。

在進(jìn)行多路電量信號(hào)采集時(shí)，需要通過(guò)適時(shí)切換4052接入ADE7878芯片的模擬信號(hào)。實(shí)際電路中由于選用電阻本身的誤差和輸入失調(diào)、溫漂等問(wèn)題的存在，上述計(jì)算公式零位和線性系數(shù)會(huì)稍有偏差，可以通過(guò)標(biāo)定得到準(zhǔn)確的系數(shù)和零位。
2．2．2 MCU控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
為了提高采集系統(tǒng)的可靠性，選用基于32位ARM7內(nèi)核的LPC2132芯片作為主處理器及外部的復(fù)位電路實(shí)現(xiàn)可靠復(fù)位。這樣使用一個(gè)小的、廉價(jià)的處理器核就可實(shí)現(xiàn)很高的指令吞吐量和實(shí)時(shí)的中斷響應(yīng)。MCU控制系統(tǒng)電路原理圖，如圖3所示。

為了使系統(tǒng)能夠正確復(fù)位，在此系統(tǒng)中，使用專用復(fù)位芯片CAT1025復(fù)位。CAT1025集成了系統(tǒng)電源監(jiān)視電路。當(dāng)系統(tǒng)電壓高于設(shè)定電壓時(shí)，延時(shí)200 ms啟動(dòng)系統(tǒng)，這使系統(tǒng)在上電時(shí)的復(fù)位時(shí)間大于LPC2132芯片所需要的復(fù)位時(shí)間，使系統(tǒng)正常復(fù)位。
2．2．3 多路信號(hào)切換模塊的設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)，采用一個(gè)電能芯片可采集4路的電流，功率或單路電流，功率，電能數(shù)據(jù)，其實(shí)現(xiàn)多路電流檢測(cè)的關(guān)鍵是通過(guò)CD4052／CC4052切換各路電流信號(hào)接入ADE7878芯片。
CD4052／CC4052是一個(gè)差分4通道數(shù)字控制模擬開關(guān)，有A、B 2個(gè)二進(jìn)制控制輸入端和INH輸入，具有低導(dǎo)通阻抗和很低的截止漏電流。這些開關(guān)電路在整個(gè)電源范圍內(nèi)具有極低的靜態(tài)功耗，與控制信號(hào)的邏輯狀態(tài)無(wú)關(guān)。二位二進(jìn)制輸入信號(hào)選通4對(duì)通道中的一通道，可連接該輸入至輸出。其典型應(yīng)用原理如圖4所示。

在采集多路電流時(shí)，LPC2132通過(guò)CD4052控制端控制各支路信號(hào)接入ADE7878采樣管腳，由于ADE7878芯片內(nèi)部有DSP算法原理，存在數(shù)據(jù)建立時(shí)間問(wèn)題，故檢測(cè)各支路電流信號(hào)的接入時(shí)間不要太短，否則正確數(shù)據(jù)沒有運(yùn)算完成，數(shù)據(jù)誤差較大。為了防止CD4052控制信號(hào)線干擾現(xiàn)象發(fā)生，將控制信號(hào)線接上拉電阻，這樣對(duì)切換過(guò)程影響小，工作可靠。
2．2．4 通信模塊的設(shè)計(jì)
LPC2132芯片串行通信接口采用的是TTL電平，它不能直接與PC機(jī)標(biāo)準(zhǔn)串行通信接口連接通信，必須設(shè)計(jì)TTL電平到RS485協(xié)議電平信號(hào)的轉(zhuǎn)換電路。
MAX485是一種把TTL電平轉(zhuǎn)換為RS485電平的芯片。RS485總線標(biāo)準(zhǔn)采用平衡發(fā)送和差分接收的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，利用信號(hào)線A、B間的電壓差傳輸數(shù)據(jù)，屬于兩線制的信號(hào)傳輸方式。RS-485總線用于多點(diǎn)互聯(lián)時(shí)非常方便，可以省掉許多信號(hào)線，應(yīng)用RS-485可以互聯(lián)構(gòu)成分布式系統(tǒng)，允許最多并聯(lián)32臺(tái)驅(qū)動(dòng)器和32臺(tái)接收器，但對(duì)同一信號(hào)線上同一時(shí)刻只允許一個(gè)驅(qū)動(dòng)器工作。
2．3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)中，單片機(jī)程序由3個(gè)模塊組成，分別是初始化模塊，串口通信模塊及ADE7878通信及控制模塊。
系統(tǒng)復(fù)位后，單片機(jī)先進(jìn)行各參數(shù)(如串口通信波特率)初始化設(shè)置．并從EEPROM芯片讀取ADE7878校準(zhǔn)參數(shù)及存儲(chǔ)的電能參數(shù)，將校準(zhǔn)參數(shù)寫入ADE7878芯片，實(shí)現(xiàn)電量參數(shù)的準(zhǔn)確檢測(cè)。繼而間隔固定時(shí)間，適時(shí)操作4052開關(guān)電路，切換采集各路電量數(shù)據(jù)，并瀆取ADE7878采集的各路電量參數(shù)，及時(shí)將電能參數(shù)存儲(chǔ)到EEPROM芯片，并適時(shí)清看門狗。如果有正確通信事件發(fā)生，則將采集到的電量數(shù)據(jù)經(jīng)RS485通信接口上傳數(shù)據(jù)。程序控制流程如圖5所示。

3 結(jié)論
本系統(tǒng)采用的電路，用一個(gè)電能計(jì)量芯片即可實(shí)現(xiàn)多路電量數(shù)據(jù)的采集工作，并且在各電量數(shù)據(jù)額定采樣范圍內(nèi)，精度均可達(dá)1％，電路簡(jiǎn)單，應(yīng)用靈活、精度高、成本低廉。系統(tǒng)各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，工作可靠，并已投入使用，有較高的使用價(jià)值，對(duì)過(guò)程監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集等系統(tǒng)的開發(fā)具有借鑒意義。