專用芯片ATT7022C的電參數(shù)測量模塊設計

摘要：給出一種基于電能計量芯片ATT7022C和LPC2138的電參數(shù)測量模塊的設計方案。詳細描述了硬件電路接口和電能計量芯片與ARM通信接口的實現(xiàn)過程。通過實驗對芯片進行軟件校表，實現(xiàn)了電參數(shù)的精確測量。設計的電參數(shù)測量模塊具有實時顯示和與上位機通信的功能。
關鍵詞：ATT7022C；LPC2138；軟件校表

引言
隨著國家經(jīng)濟的快速發(fā)展，各行業(yè)對能源的需求量越來越大。煤炭、石油等不可再生資源的大量消耗使得存儲量越來越少，能源短缺必將會影響國家經(jīng)濟的發(fā)展。而煤炭、石油的開采又會耗掉大量的電能，特別是石油的開采，抽油機經(jīng)常會出現(xiàn)“空抽”的現(xiàn)象，大量的電能被耗費。因此，提高用電的效率和質(zhì)量是緩解能源危機的一種方式，這就需要對電網(wǎng)運行狀況進行實時監(jiān)測。為了獲得電網(wǎng)的電參數(shù)信息，本文采用電能計量芯片ATT7022C結合ARM微控制器設計電參數(shù)測量模塊。該模塊可以使用液晶實時顯示數(shù)據(jù)，也可以把采集的電參數(shù)傳輸?shù)缴衔粰C來對電網(wǎng)的狀況進行實時監(jiān)測。

1 ATT7022C芯片介紹
ATT7022C芯片是鉅泉光電科技(上海)有限公司推出的一款高精度三相電能專用計量芯片。它適用于三相三線和三相四線的接線方式，其內(nèi)部結構框圖如圖1所示。該芯片集成了7路二階sigma-delta ADC，參考電壓電路以及包括功率、有效值、功率因數(shù)、能量等的數(shù)字信號處理電路。芯片內(nèi)置溫度測量傳感器，提供基波有功、基波無功校表脈沖輸出；還具有ADC采樣數(shù)據(jù)緩存功能，緩存長度為240，可以實時保存原始采樣數(shù)據(jù)。同時芯片還支持單通道、雙通道和三通道的同步采樣功能，供用戶進行采樣數(shù)據(jù)的分析。芯片提供一個SPI接口與外部MCU進行數(shù)據(jù)傳遞，外部控制器只需要通過SPI總線對各寄存器進行讀寫操作，就可以得到三相電參數(shù)的值。為了得到精確的電參數(shù)數(shù)值，必須進行校表操作。芯片支持純軟件校表，經(jīng)過校正的儀表，有功精度可高達0．5級，無功精度可達2級。

2 電參數(shù)測量模塊設計方案
電參數(shù)測量模塊的總體結構框圖如圖2所示。模塊主要由電參數(shù)實時測量、LCD顯示、存儲、與上位機通信等部分組成。LCD液晶主要用來顯示電壓、電流、耗能、功率因數(shù)、時間、溫度等參數(shù)。模塊采用RS485總線或無線組網(wǎng)傳輸?shù)姆绞桨褱y量的各種電參數(shù)傳輸?shù)缴衔粰C，對電網(wǎng)的運行狀況進行實時的監(jiān)測。

模塊設計的目標是以較低能耗實時測量、顯示電參數(shù)，并能夠與上位機進行通信。這就要求處理器的運行速度要快、功耗要低。LPC2138芯片可以滿足這個要求。它有2個SPI、I2C接口、多達47個可承受5 V電壓的通用I／O口，以及帶有獨立電源與時鐘源的實時時鐘模塊。
電能計量芯片復位時內(nèi)部的能量寄存器將復位為0。如果發(fā)生意外斷電，芯片中能量寄存器中的值將會丟失，設計時選用AT24C02芯片保存能量寄存器的值。在軟件程序設計中，當負載消耗1度電或其他數(shù)據(jù)量的時候刷新一次存儲器。
實時時鐘采用ARM系統(tǒng)與外接電池共同供電的方式，當系統(tǒng)意外斷電時，時鐘模塊可由外部電池供電，保證時鐘的正常運行。值得注意的是，實時時鐘初始化時，第一次把準確的時間寫到時鐘芯片后，時鐘就開始正確地運行，然后應當把程序中的時鐘初始化函數(shù)去掉，把整個程序再加載一遍。否則，模塊每次復位都會對時鐘初始化一次，這樣時鐘就不能正確地運行了。