基于MCP3906電能芯片和AT-Mega16單片機(jī)的單相電表計(jì)量設(shè)計(jì)

電能表作為電能計(jì)量的專用儀表,在電能管理儀器儀表中占有很大比例,其性能直接影響著電能管理的效率和科技水平。從產(chǎn)品的功能、性能及經(jīng)濟(jì)效益等多方面來(lái)看,全電子電能表與傳統(tǒng)的感應(yīng)式電能表相比,存在著明顯的優(yōu)勢(shì)。而且電能表作為計(jì)量管理和用電管理的終端,它所提供的各種功能是實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)自動(dòng)化管理必不可少的。傳統(tǒng)的測(cè)量都是采用A／D轉(zhuǎn)換電路,但這種方法使部分電參量測(cè)量精度欠佳,性價(jià)比不理想,且軟件編程相對(duì)復(fù)雜,微控制器必須對(duì)采樣電路進(jìn)行數(shù)據(jù)處理(如電壓、電流的平均值、有效值,有功、無(wú)功計(jì)算等)。而隨著現(xiàn)代電子產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展,測(cè)量電路的集成化、模塊化成為未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì),各大器件公司也紛紛推出自己的電能計(jì)量芯片。這種集成芯片不僅精確度高,而且硬件、軟件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單,價(jià)格便宜,性價(jià)比高,極具市場(chǎng)潛力。本文給出了基于Microchip公司的MCP3906單相電能計(jì)量芯片,并以AVR公司的ATMega16為MCU設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的一款新型單相電能表實(shí)現(xiàn)方案。與以往電能表相比,該方案具有設(shè)計(jì)接口簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高等特點(diǎn)。

1 MCP3906單相電能計(jì)量芯片

MCP3906是Microchip公司推出的單相電能計(jì)量芯片,它支持國(guó)際電能計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)規(guī)范IEC62053,可提供與平均有功功率成比例的頻率輸出,以及與瞬時(shí)功率成比例的高頻輸出用于電表校準(zhǔn)。MCP3906內(nèi)部包含兩個(gè)16位△-∑ADC,可用于各種IB和IMAX電流和小分流器(200μΩ )的電表設(shè)計(jì)。該芯片還包含一個(gè)超低溫漂(15ppm／℃)參考電壓,通過(guò)特殊設(shè)計(jì)的帶隙溫度曲線,可在整個(gè)工業(yè)級(jí)溫度范圍內(nèi)使溫度梯度達(dá)到最小。固定功能的片上DSP模塊可用于計(jì)算有功功率,此外,片上還有驅(qū)動(dòng)機(jī)械計(jì)數(shù)器的高輸出驅(qū)動(dòng)器,可以減少現(xiàn)場(chǎng)故障和機(jī)械計(jì)數(shù)器咬合。芯片的空載門限模塊可防止任何電流潛變(Creep)測(cè)量,而上電復(fù)位(Power on Reset,POR)模塊則可在低電壓時(shí)限制電表測(cè)量。因此,MCP3906是具備高現(xiàn)場(chǎng)可靠性的精密電能計(jì)量IC,并采用業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的引腳配置。

1.1 MCP3906的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理

MCP3906是混合模擬／數(shù)字信號(hào)的CMOS集成電路,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

MCP3906可提供與有功功率成比例的頻率輸出和與瞬時(shí)功率成比例的高頻輸出來(lái)用于校準(zhǔn)。它的兩個(gè)通道均使用16位二階△-∑ADC,能以MCLK／4的頻率對(duì)輸入進(jìn)行采樣,同時(shí)允許對(duì)動(dòng)態(tài)范圍很寬的輸入信號(hào)進(jìn)行采樣?？删幊淘鲆娣糯笃?Programmable Gain Amplifier,PGA)擴(kuò)大了電流輸入通道(通道0)的可用范圍。其有功功率的計(jì)算以及與計(jì)算有關(guān)的濾波均可在數(shù)字域中完成,從而提高了其穩(wěn)定性和溫漂性能。

MCP3906的兩個(gè)數(shù)字高通濾波器(HPF1和HPF2)可以濾除兩個(gè)通道的系統(tǒng)偏移量,因此,有功功率的計(jì)算不含任何電路或系統(tǒng)偏移量。經(jīng)過(guò)高通濾波后,電壓和電流信號(hào)相乘,即可得出瞬時(shí)功率信號(hào)。此信號(hào)不含直流偏移分量,因此可有效利用求平均法(Averaging Technique)計(jì)算出所需的有功功率輸出。

瞬時(shí)功率信號(hào)包含的有功功率信息就是瞬時(shí)功率的直流分量。求平均法可用于計(jì)算正弦和非正弦波形,以及所有功率因數(shù)。瞬時(shí)功率經(jīng)過(guò)低通濾波器(LPF)就可以產(chǎn)生瞬時(shí)有功功率信號(hào)。

通過(guò)MCP3906的DTF轉(zhuǎn)換器可對(duì)瞬時(shí)有功功率信息進(jìn)行累加,以產(chǎn)生輸出脈沖,此脈沖的頻率與平均有功功率成比例。FOUT0和FOUT1輸出的低頻脈沖可用于設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)機(jī)電式計(jì)數(shù)器和雙相步進(jìn)電機(jī),以便顯示實(shí)際消耗的有功功率。每個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)于一個(gè)固定的有功電量值,其功能可由F2、F1和F0的邏輯進(jìn)行選擇。HFOUT輸出具有較高的頻率設(shè)定和較低的積分周期,可用于表征瞬時(shí)有功功率信號(hào)。由于累加時(shí)間較短,該輸出可使用戶在穩(wěn)定的負(fù)載條件下進(jìn)行快速的校準(zhǔn)。

1.2 MCP3906的引腳功能

MCP3906采用24引腳SSOP封裝,其引腳排列如圖2所示。各引腳的功能說(shuō)明如表1所列。

2 MCP3906在單相電能表中的應(yīng)用

2.1 單相電能表的系統(tǒng)組成

利用MCP3906和AVR Mega16設(shè)計(jì)的單相電能表系統(tǒng)框圖如圖3所示。圖中,MCP3906芯片用于對(duì)輸入的電壓和電流進(jìn)行計(jì)算。將經(jīng)過(guò)高通濾波后的電壓和電流信號(hào)相乘,得出瞬時(shí)功率信號(hào),此瞬時(shí)功率經(jīng)過(guò)低通濾波器即可產(chǎn)生瞬時(shí)有功功率信號(hào)。此信號(hào)不含直流偏移分量,但可利用求平均法計(jì)算出所需的有功功率輸出：然后通過(guò)器件的DTF轉(zhuǎn)換器對(duì)瞬時(shí)有功功率信息進(jìn)行累加,以產(chǎn)生輸出脈沖,此脈沖的頻率與平均有功功率成比例,每個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)于一個(gè)固定的有功電量值;再通過(guò)AVR單片機(jī)對(duì)該脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù),即可得出有功功率的數(shù)值;最后通過(guò)LCD顯示模塊顯示出來(lái)。系統(tǒng)的電能累計(jì)分為第一次上電后的連續(xù)累計(jì)和時(shí)段累計(jì)兩種。時(shí)段累計(jì)需要對(duì)時(shí)間進(jìn)行判斷,即如果當(dāng)前的時(shí)間處在某個(gè)時(shí)段內(nèi),則對(duì)該時(shí)段進(jìn)行電能累計(jì);否則,不進(jìn)行電能累計(jì)。

2.2 系統(tǒng)功能模塊

(1) RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊

時(shí)鐘是電能分時(shí)計(jì)量的基礎(chǔ),實(shí)時(shí)時(shí)鐘分硬時(shí)鐘和軟時(shí)鐘兩種,本設(shè)計(jì)選用硬時(shí)鐘。當(dāng)前應(yīng)用較為廣泛的時(shí)鐘芯片有PCF8583、DS1302等。本設(shè)計(jì)選用DS1302實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片來(lái)為系統(tǒng)提供時(shí)鐘,可精確到年月日時(shí)分秒。該芯片內(nèi)置可編程日歷時(shí)鐘和31字節(jié)的RAM,工作電壓范圍為2.5～5.5V,且功耗低。掉電后可由電池供電,其工作壽命達(dá)10年以上。

(2) LCD顯示模塊

電能表的顯示一般可采用段式LCD顯示器,這種顯示器具有功耗低、壽命長(zhǎng)、顯示方式靈活等優(yōu)點(diǎn)。
(3) 通信接口模塊

通訊處理模塊是電能表系統(tǒng)與外界通訊的模塊,這是依據(jù)國(guó)標(biāo)規(guī)程編寫(xiě)的一個(gè)軟件模塊。該模塊包括通訊接收處理、通訊命令處理及通訊發(fā)送處理等部分。由于通訊信道有紅外信道和RS485信道兩個(gè)信道,故在通訊時(shí),要由MCU來(lái)判斷道底使用哪個(gè)信道。

(4) 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊

該功能模塊主要由支持I2C總線的可擦寫(xiě)EEP-ROM (AT25C256)和掉電保護(hù)電路組成,主要用于存儲(chǔ)計(jì)算出來(lái)的電壓、電流、有功等實(shí)時(shí)值以及每個(gè)時(shí)段的有功電能值,還有掉電時(shí)間記錄、電壓電流越上下限報(bào)警記錄和歷史記錄等等。如果模塊掉電,系統(tǒng)中的掉電保護(hù)電路會(huì)自動(dòng)切換到后備電池給外部RAM供電,以保證RAM里所有的數(shù)據(jù)不丟失。

(5) 電源

為確保電能表穩(wěn)定可靠的運(yùn)行,電源是電能表設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵。本設(shè)計(jì)采用一路9V電源和一路5V電源來(lái)分別給AVR Mega16和RS485通信單元供電。通信單元、計(jì)量單元和MCU之間的通信采用光耦進(jìn)行隔離,可提升整個(gè)系統(tǒng)的抗干擾能力。眾所周知,電能表的干擾源主要有電網(wǎng)的電壓波動(dòng)、閃電沖擊和變壓器產(chǎn)生的電磁感應(yīng)等。本設(shè)計(jì)采用壓敏電阻來(lái)吸收瞬問(wèn)高壓沖擊。電源進(jìn)線處則使用磁環(huán)來(lái)防止高頻電磁脈沖對(duì)電路的干擾和破壞。

2.3 軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)電能表的軟件程序由主程序、系統(tǒng)初始化、電量處理模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、鍵盤中斷、LCD顯示模塊、通信模塊等組成。通過(guò)主程序或通過(guò)中斷方式可以調(diào)用子程序,以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的整體功能。

其中主程序可用于完成啟動(dòng)和系統(tǒng)初始化(包括FLASH、RAM、LCD的設(shè)置、SCI及RTC等的初始化),以及判定時(shí)段,在LCD上顯示電量和時(shí)間等。主程序的流程圖如圖4所示。

而電量處理模塊則用于讀取計(jì)量芯片的有功等電量數(shù)據(jù),并進(jìn)行復(fù)雜的處理,最后保存這些電能參量。

按鍵中斷模塊主要用來(lái)處理按鍵中斷。LCD顯示模塊則用于完成LCD字段的顯示,可通過(guò)LCD顯示屏輪流顯示有功和總電量等參數(shù)。

通信模塊主要按照通訊規(guī)約的要求,來(lái)實(shí)現(xiàn)與抄表系統(tǒng)的可靠通訊。以便通過(guò)抄表系統(tǒng)來(lái)讀取用戶的電量數(shù)據(jù)以及設(shè)置時(shí)間、費(fèi)率和地址等電表參數(shù)。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)本文基于MCP3906電能芯片和AT-Mega16單片機(jī)的單相電表可實(shí)現(xiàn)對(duì)單相電能的計(jì)量。該系統(tǒng)性能穩(wěn)定、功能完善、操作簡(jiǎn)單,非常適用于單相電能的測(cè)量。其較高的性價(jià)比也為計(jì)量機(jī)構(gòu)和用戶提供了更多的一種選擇。