基于AD73360的多功能網(wǎng)絡(luò)電能表設(shè)計(jì)

本文介紹了基于AD73360芯片的多功能網(wǎng)絡(luò)電能表的系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)。通過(guò)FPGA與AD73360芯片相連接，由FPGA給AD73360芯片寫控制字，然后再對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。重點(diǎn)介紹了基于AD73360的多功能網(wǎng)絡(luò)電能表的硬件設(shè)計(jì)，同時(shí)也介紹了FPGA的VHDL設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)具有電力參數(shù)監(jiān)測(cè)、電能質(zhì)量分析、分時(shí)段電能計(jì)量、故障錄波和網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程抄表等功能。

本設(shè)計(jì)是基于ADI公司的AD73360芯片的多功能網(wǎng)絡(luò)電能表。傳統(tǒng)的多功能電能表通常使用專用的電能計(jì)量IC計(jì)量或前端使用AD芯片采樣數(shù)據(jù)，然后使用DSP或MCU對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。若使用專用電能計(jì)量IC，還需要額外的處理器對(duì)電表進(jìn)行控制，增加了電能表的成本；若使用第二種方案，限于成本和DSP或MCU的處理能力，會(huì)影響電表的實(shí)時(shí)處理能力?；谝陨显?，本設(shè)計(jì)中前端使用AD73360芯片對(duì)電壓和電流進(jìn)行采樣，后端使用FPGA對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，同時(shí)對(duì)電表進(jìn)行總體控制。由于FPGA采用純硬件的工作方式，實(shí)時(shí)性強(qiáng)；同時(shí)，由于FPGA強(qiáng)大的處理能力，可以使用一片F(xiàn)PGA完成全部的數(shù)據(jù)處理和控制工作。這樣既可以簡(jiǎn)化硬件設(shè)計(jì)，又可以減低成本。

AD73360是ADI公司一款6通道模擬前端處理器，特別適合于電能計(jì)量[1]。該芯片具有6個(gè)16位A/D轉(zhuǎn)換通道，每個(gè)通道都可以同步采樣，同時(shí)可以保證從直流信號(hào)到4 kHz信號(hào)帶寬的77 dB的信噪比。每個(gè)通道還具有獨(dú)立的可編程輸入放大器(PGA)，其放大系數(shù)可以從0～38 dB可調(diào)。該芯片通過(guò)設(shè)置，可以提供4種采樣頻率，分別為64 kHz、32 kHz、16 kHz和8 kHz(由16.384 kHz的主時(shí)鐘分頻得到)。

1 多功能電能表系統(tǒng)設(shè)計(jì)

多功能網(wǎng)絡(luò)電能表(以下簡(jiǎn)稱電表)由數(shù)據(jù)采集、控制與處理、電源、網(wǎng)絡(luò)接口、顯示、存儲(chǔ)和日歷時(shí)鐘等部分組成，如圖1所示。數(shù)據(jù)采集部分由精密小型互感器、信號(hào)調(diào)理電路以及AD73360芯片構(gòu)成?？刂婆c處理部分采用Altera公司的FPGA芯片Cyclone II 2C35F484C8。電源模塊為整個(gè)電能表系統(tǒng)提供電源，共有2路直流電源輸出，一路供給數(shù)據(jù)采集板，一路供給電能計(jì)量SoPC芯片?？紤]電磁兼容試驗(yàn)，要求電源系統(tǒng)能抑制高頻脈沖干擾且過(guò)壓自動(dòng)保護(hù)。網(wǎng)絡(luò)接口部分采用DMA9000A網(wǎng)絡(luò)芯片，使用RJ-45接口，本系統(tǒng)支持以太網(wǎng)協(xié)議。顯示部分采用高品質(zhì)的液晶顯示模塊，每屏可以顯示8×4個(gè)漢字（16×16）或128×64個(gè)像素的圖形。存儲(chǔ)模塊采用IIC總線與一塊E2PROM通信，用于數(shù)據(jù)凍結(jié)。日歷時(shí)鐘則使用專用的日歷時(shí)鐘芯片，為系統(tǒng)提供日期信息。表1為電表的具體功能和設(shè)計(jì)指標(biāo)[2]。

2 電表硬件設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊硬件設(shè)計(jì)[2]

從圖1可以看出，數(shù)據(jù)采集模塊由互感器、信號(hào)調(diào)理電路和AD芯片3個(gè)部分組成。本系統(tǒng)三相電壓信號(hào)采用單端輸入方式，三相電流信號(hào)采用差分輸入方式。由于本系統(tǒng)采用3.3 V為AD73360芯片供電，因此輸入電流設(shè)置在10 mA，輸入電壓設(shè)置在700 mV左右。

2.1.1 電流輸入電路設(shè)計(jì)

電流輸入使用專用的電流互感器將輸入電流降至10 mA左右。本系統(tǒng)選用了哈爾濱三江達(dá)電力技術(shù)有限公司生產(chǎn)的YWH型電能表專用互感器。YWH系列互感器是微型互感器的一個(gè)分支產(chǎn)品，是為寬量程電子式電能表配套設(shè)計(jì)的新一代微型精密電流互感器，工作電流范圍寬(可4～10倍過(guò)載)，誤差線性好(比差小于0.01 %，角差小于0.3′），采用阻燃ABS塑料外殼，環(huán)氧樹脂封裝，絕緣強(qiáng)度高，外形美觀，并有多種規(guī)格可供用戶選擇，滿足不同的安裝需要。本次設(shè)計(jì)選用了YWH-1型，其電流比為1.5(6)A/5(20)mA，二次負(fù)載電阻5～20 Ω，準(zhǔn)確度為0.1級(jí)。

2.1.2 電壓輸入電路設(shè)計(jì)

三路電壓信號(hào)直接由220 V電壓通過(guò)電阻網(wǎng)絡(luò)降至700 mV左右，每路電壓信號(hào)輸入電路由5個(gè)204電阻和一個(gè)332電阻構(gòu)成，確保將220 V市電降為700 mV左右輸入，以適應(yīng)AD73360的需要。

2.1.3 信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

由于本系統(tǒng)電壓和電流信號(hào)采用不同的輸入方式，因此需要不同的信號(hào)調(diào)理電路。電壓調(diào)理電路中使用RC電路構(gòu)成抗混疊濾波器，同時(shí)確保輸入AD的信號(hào)頻率小于0.5倍的AD采樣率。

2.1.4 AD73360電路設(shè)計(jì)

VINP1-6和VINN1-6為信號(hào)輸入引腳；MCLK與系統(tǒng)主時(shí)鐘相連。由于AD73360設(shè)計(jì)時(shí)就考慮到了與DSP的簡(jiǎn)單接口[1]，因此，SCLK、SDO、SE、SDI、SDIFS和SDOFS在設(shè)計(jì)時(shí)就可以與FPGA的I/O口直接相連。

2.2 控制及數(shù)據(jù)處理模塊[3]

本系統(tǒng)的控制及數(shù)據(jù)處理采用Altera公司的FPGA芯片，Cyclone II 2C35F484C8。為了簡(jiǎn)化本系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)難度，直接采用成品FPGA開(kāi)發(fā)板。這樣，只需要設(shè)計(jì)外圍的日歷時(shí)鐘芯片、LCD和網(wǎng)絡(luò)接口電路即可。

3 控制及數(shù)據(jù)處理的程序設(shè)計(jì)[4]

本系統(tǒng)采用FPGA，同時(shí)配合Altera公司NIOS II軟核的方式對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制并對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理[5]，最終使用μC/OS II 操作系統(tǒng)將整個(gè)系統(tǒng)整合。該設(shè)計(jì)共分為兩個(gè)部分，一個(gè)部分為控制部分，包括對(duì)AD芯片、網(wǎng)絡(luò)接口等模塊的控制；另一部分是數(shù)據(jù)處理部分，主要負(fù)責(zé)對(duì)AD73360采集來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

3.1 CPU設(shè)計(jì)

該芯片內(nèi)部包括AD控制器、FIFO、電能計(jì)量、配置寄存器、NIOS II軟核微處理器、日歷時(shí)鐘接口、數(shù)字頻率變換器DFC(Digital to Frequency Converter)、IIC接口以及LCD控制器等部分。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

其中，AD控制器的輸入為信號(hào)采集板上采集到的三相電壓和三相電流(6個(gè)通道的串行數(shù)據(jù))，AD控制器是按照美國(guó)ADI公司16位的∑-△A/D芯片AD73360的時(shí)序，將輸入的6個(gè)通道的串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成并行數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)在相應(yīng)的FIFO中；6 通道的FIFO保存AD控制器送來(lái)的6 通道1個(gè)周波的AD 數(shù)據(jù)，以便后面的運(yùn)算使用。這樣做還有一個(gè)好處就是電能計(jì)量模塊可以實(shí)現(xiàn)流水線結(jié)構(gòu)，加快運(yùn)算速度；電能計(jì)量模塊主要是利用FPGA實(shí)現(xiàn)電能的有功、無(wú)功和視在功率的計(jì)量。配置寄存器中保存配置數(shù)據(jù)、歷史電量數(shù)據(jù)、凍結(jié)數(shù)據(jù)等；NIOS II軟核微處理器完成整個(gè)電能計(jì)量芯片的調(diào)度工作；日歷時(shí)鐘接口與外部的日歷時(shí)鐘芯片相連，為芯片提供時(shí)鐘信息，供NIOS II軟核微處理器使用，從而構(gòu)成復(fù)費(fèi)率電能表。日歷時(shí)鐘芯片選用美國(guó)達(dá)拉斯公司的涓流充電時(shí)間芯片DS1302；DFC變換就是將計(jì)量后的電能值轉(zhuǎn)換成脈沖的個(gè)數(shù)輸出，以便校表；IIC接口控制外部的IIC只讀存儲(chǔ)器AT24C256，AT24C256是美國(guó)ATMEL公司的二線串行電擦寫可編程只讀存儲(chǔ)器；LCD 控制器實(shí)現(xiàn)外部LCD 的驅(qū)動(dòng)功能。

3.2 AD控制設(shè)計(jì)

AD接口模塊完成對(duì)AD73360的初始化(設(shè)置分頻系數(shù)、AD采樣率、可編程增益、工作模式）、輸出數(shù)據(jù)的讀取并完成串/并轉(zhuǎn)換。本次設(shè)計(jì)中FPGA的主頻為50 MHz，經(jīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)AD的SCLK最高工作在2.048 MHz，這樣FPGA可以確保準(zhǔn)確采集SCLK信號(hào)。AD的晶振頻率為1