基于ADE7755的新型電量計量方案

　　引言

　　我國目前電力機車上裝備的電度表基本上都是傳統(tǒng)的機械式電度表，雖然機械式電度表存在抗干擾和抗震動性好的優(yōu)點，但是其精度差，電量數(shù)據(jù)需要人為讀數(shù)不能實時傳輸?shù)缺锥?。為了改進現(xiàn)有機車上使用的電度表，根據(jù)美國AD公司推出的電量計量專用芯片ADE7755，提出了一種新型的電量計量方案。根據(jù)本方案設(shè)計的電度表除具有精度高、抗干擾和電量數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r傳輸?shù)墓δ芡?，還具有可以修改電度表初值的優(yōu)點。

　　硬件電路設(shè)計

　　目前廣泛使用機械式、電磁型和機電型等電度表普遍存在一個不能實時傳輸電量數(shù)據(jù)的缺陷，且各自又有或精度差或抗干擾能力差等弱點。作者結(jié)合當前普遍流行的現(xiàn)場總線技術(shù)和AD公司的ADE7755電量計量專用芯片以及飛利普公司的P87C591單片機，提出了一種能實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時傳輸且具有抗干擾能力的電量計量方案?？傮w電路框圖如圖1所示：

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　　圖1 總體電路框圖

　　圖1中，由PT和CT在電網(wǎng)中測得相應(yīng)的電壓和電流信號，送到ADE7755中進行電量計算，算出來的功率值分兩種，一種是低頻的平均功率值，送往機電式電度表用于顯示;另一種是高頻瞬時功率值，送入帶CAN總線控制器的P87C591單片機，根據(jù)上位機的要求算出目前使用的電量值，并通過CAN總線，與上位機之間實現(xiàn)通信。

　　其中電壓輸入通道(V2N，V2P)輸入電壓信號是PT測得的電壓信號在經(jīng)過預(yù)防電磁干擾作用的鐵氧體和衰減網(wǎng)絡(luò)后進入的。

　　在電流和電壓信號的輸入端，進行了相應(yīng)的濾波處理，以增強抗干擾能力。

　　ADE7755工作原理

　　若電壓U(t)和電流I(t)均為正弦波，且：

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　　則瞬時功率P(t)為

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　　平均功率P為：

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　　ADE7755是一種采用電壓和電流直接相乘的方法得到瞬時有功功率，再由瞬時有功功率求出平均有功功率。如圖2所示，由電壓傳感器和電流傳感器得到電壓和電流信號分別經(jīng)兩路A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送入電壓通道V2N、V2P和電流通道V1N、V1P。電流通道中的高通濾波器是用來濾除電流分量中的直流電流，以便減小電流直流分量對瞬時有功功率計算的影響。經(jīng)濾波后的電壓和電流信號經(jīng)乘法器相乘后，所得的信號經(jīng)低通濾波器后濾掉交流分量后，得到的直流分量就是瞬時有功功率。此信號經(jīng)過數(shù)頻轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成與平均有功功率成正比的低頻信號經(jīng)過F1、F2端口輸出，同時從高頻口CF輸出與瞬時有功功率成正比的脈沖信號。低頻端口F1和F2的輸出脈沖頻率freq與高頻端口CF輸出脈沖頻率fCF可由下式確定：

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　　其中系數(shù)Gin為輸入增益，F(xiàn) 1-4為可由主時鐘CLKIN獲得的分頻，Uref為基準電壓，K為比例系數(shù)。

　　ADE7755的外圍電路中，通過輸出頻率設(shè)置電路實現(xiàn)對CF口輸出頻率的設(shè)置，即電表常數(shù)的設(shè)置。本電表的電表常數(shù)設(shè)定為3200imp/kwh，即計錄一千瓦的功率，要求ADE7755在CF口輸出3200個脈沖。

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　　圖2 ADE7755的內(nèi)部框圖

　　ADE7755是一種高精度的電量計量芯片，在工頻情況下，在500：1的動態(tài)范圍內(nèi)，精度達到0.1%。技術(shù)指標超過了IEC1036標準的要求。

　　唯一的模擬電路是模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，其他電路都是采用數(shù)字電路，這保證了該芯片具有足夠的抗干擾的能力。通過F1和F2實時輸出功率信息，能直接驅(qū)動電度表計數(shù)器或直接和單片機連接。

　　電源電路的設(shè)計

　　ADE7755所用的+2.5V基準電壓是用AD780實現(xiàn)的，其接口電路簡單。5V的基準電源電路如圖3所示：

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　　圖3 5V基準電源電路

　　經(jīng)過此電路可以在電源模塊MC7805的3端得到+5V的基準電源。其中R25為壓敏變阻器。

　　P87C591外圍電路和CAN總線部分設(shè)計

　　通過P87C591電路可以實現(xiàn)指定時間內(nèi)用電量的計算、數(shù)據(jù)存儲、修改電度表數(shù)值和通過圖4所示的CAN總線收發(fā)電路實現(xiàn)與上位機的通信。

　　有關(guān)P87C591外圍電路設(shè)計，可以參見其他單片機的外圍電路設(shè)計，這里不再贅述。

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　　圖4 CAN總線收發(fā)電路

　　連接P87C591和單片機之間的芯片是P82C250。圖4這部分電路的原理可以參考有關(guān)CAN總線設(shè)計方面的資料，這里也不再闡述。

　　軟件部分設(shè)計

　　本方案的軟件部分主要由主程序和中斷服務(wù)子程序組成。其中主程序完成的功能有芯片和CAN總線的初始化、進行電量的計算和存儲。

　　中斷服務(wù)子程序完成的功能是利用CAN總線實現(xiàn)和主機之間的通信和電表初值的設(shè)定。其中電表初值設(shè)置由上位機完成，這樣可以節(jié)省單片機的外圍電路并且可以防止現(xiàn)場人為惡意的更改電量值。其中CAN總線的初始化程序如下：

　　voidinit_can_controller()

　　{

　　//進入CAN控制器復(fù)位模式

　　CANMOD=0x01;　//將CAN控制器設(shè)置為復(fù)位模式以啟動初始化

　　//TXDCPort(P1.1)配置

　　//管腳TXDC設(shè)置為推挽模式

　　P1M2=P1M2|0x02;//P1M2.1=’1’，P1M1.1=’0’(默認)

　　CANADR=BTR0; //BTR0和BTR1編程為125kbit/s@12MHz

　　CANDAT=0x45;

　　CANADR=BTR1;//TSEG1=12，TSEG2=3，SJW=2

　　CANDAT=0x2B;//Sample=1->sample point～81%

　　//驗收濾波器的配置-- Bank1的濾波器1配置為接收ID=010.0000.0xxx

　　CANADR=ACR10;//將地址設(shè)置到驗收代碼寄存器0(Bank1)

　　CANDAT=0x50;//驗收代碼0用于濾波

　　CANDAT=0xE0;

　　CANADR=AMR10;//將地址設(shè)置到驗收屏蔽寄存器0(Bank1)

　　CANDAT=0x00;//bank1：驗收屏蔽0

　　CANDAT=0x0F;//bank1：驗收屏蔽1只與高四位有關(guān)

　　CANDAT=0xFF;//bank1：驗收屏蔽2無關(guān)

　　CANDAT=0xFF;//bank1：驗收屏蔽3無關(guān)

　　CANADR=ACFMOD;//將地址設(shè)置到ACF模式寄存器

　　CANDAT=0x55;//單驗收濾波器使用11位ID(SFF)

　　CANADR=ACFPRIO;//將地址設(shè)置到ACF優(yōu)先級寄存器

　　CANDAT=0xFF;//所有濾波器都為高優(yōu)先級

　　結(jié)束語

　　綜上所述，由于ADE7755是專用電量計量芯片，且具有抗干擾的優(yōu)點，而P87C591及其外圍電路也是當前成熟的技術(shù)，其可靠性和抗干擾性都得到了實際驗證，所以本方案簡單易行。