摘 要： 采用凌陽SPCE061A板控制器，以高精度的三相電能專用測量芯片ATT7022A為核心，實現(xiàn)對三相工頻交流電三相電壓、三相電流、三相有功功率、三相無功功率、總有功功率、總無功功率、功率因數(shù)、電網(wǎng)頻率、有功電能和無功電能的測量與顯示。電表測量精度高，且具有電壓和電流相序檢測、掉電存儲、密碼保護等功能。通過RS-485通信實現(xiàn)遠程測量，通過紅外通信向掌上PDA手抄表傳送信息，并通過按鍵菜單和LCD顯示提供人機交互界面。
關鍵詞： ATT7022A；SPCE061A；RS-485通信；紅外通信
電能表是我國電工儀表行業(yè)中產(chǎn)量最大的產(chǎn)品。近幾年，國家連續(xù)出臺多項與電能表相關的政策，加上中國的社會用電量迅速增長、全國聯(lián)網(wǎng)、特高壓電網(wǎng)建設、智能家居進程、計量新技術應用等要素，不斷推進電表應用的擴展。
隨著高新技術尤其是電子信息技術的快速發(fā)展，電子式、多功能、高精度、多費率、自動抄表等產(chǎn)品成為電能表發(fā)展的主流。本文設計的電表主要有以下優(yōu)點：
（1）系統(tǒng)采用互感器對電壓電流進行采樣。傳統(tǒng)的電表大多采用電阻分壓對電壓和電流量進行采樣。這種方法簡單易行，電路結構簡單。但是電阻分壓提取電壓值，對電阻的精度要求高，且浪費在分壓電阻上的能量太多，不符合環(huán)保節(jié)能的要求；同時對電流的采樣也會改變原有電路的參數(shù)[1]。
（2）串行通信采用RS-485，通過平衡發(fā)送和差分接收方式實現(xiàn)通信。由于傳輸線通常使用雙絞線，采用差分傳輸，所以有極強的抗共模干擾能力；總線收發(fā)器的靈敏度很高，可以檢測到低至200 mV的電壓，其傳輸信號在千米以上可以恢復；傳輸距離遠，傳播速度快。
（3）傳統(tǒng)抄表系統(tǒng)的電能計量模塊采用傅里葉算法計算，算法過于復雜，對處理器的要求較高，由于大量的采樣和數(shù)據(jù)運算給單片機帶來很大的負擔，嚴重影響了單片機處理其他問題的速度；并且大大增加了成本。本系統(tǒng)采用的ATT7022是一款國產(chǎn)的電能計量專用芯片，電路價格低廉。除了A/D轉換部分，在芯片內(nèi)還集成了數(shù)據(jù)運算電路，可以大大節(jié)省測量系統(tǒng)主控MCU的工作負荷。為了保證測量精度它的采樣頻率為3.2 kHz。此芯片的接口簡單，使用方便。
此外，系統(tǒng)還設置了密碼保護功能、掉電存儲功能、過載保護功能等。
1 系統(tǒng)整體結構設計
1.1 系統(tǒng)的總體基本結構
本設計主要由主控部分、液晶顯示模塊、電壓電流采樣模塊、參數(shù)測量模塊、電源模塊、通信模塊參數(shù)測量部分構成。系統(tǒng)以16位凌陽單片機SPCE061A為控制核心[2]，配合高精度芯片ATT7022A完成電量參數(shù)的測量。系統(tǒng)總體基本結構如圖1所示。
系統(tǒng)通過ATT7022三相有功復功率電能專用計量芯片對采樣調理后的三相交流電信號進行處理，得到每相交流電電壓、電流、有功功率、無功功率、頻率和功率因數(shù)等參數(shù)，并將各參數(shù)數(shù)據(jù)送入SPCE061A 進行數(shù)據(jù)遠程測量及紅外通信。在任意時刻，都可通過按鍵輸入信號驗證密碼后對當前時刻三相電的所有測量數(shù)據(jù)進行觀測并進行密碼修改[3]。
1.2 ATT7022簡介
本系統(tǒng)采用高精度的三相電能專用測量芯片ATT7022A作為主控芯片，其有功測量滿足 0.5S/0.2S。ATT7022三相電能專用計量精度非常高，適用于三相三線和三相四線。ATT7022 能夠測量各相以及合相的有功功率、無功功率、視在功率、有功能量以及無功能量，同時還能測量各相電流、電壓有效值、功率因數(shù)、相角、頻率等參數(shù)，充分滿足三相復費率多功能電能表的需求。
2 系統(tǒng)硬件設計
本系統(tǒng)采用凌陽系列單片機SPCE061A為主控芯片，采用電流型電壓互感器HKPT31C及立式穿芯微型精密交流電流互感器HKCT21A-02對三相電壓、電流進行采樣。
2.1 采樣模塊設計
因為本系統(tǒng)需要測量電流電壓參量，而現(xiàn)有測量芯片無法直接對大電流和高電壓進行測量，故需要對這兩個信號進行采樣。本系統(tǒng)中電壓信號采集使用HKPT31C電流型電壓互感器，它具有體積小、精度高、印刷線路板直接焊接安裝、使用方便、機械和耐環(huán)境性能好、電壓隔離能力強、安全可靠等優(yōu)點。電流采集器件使用HKCT21A-02-15A交流電流互感器，它同樣具有直接焊接安裝、精度高、全封閉、抗干擾性好、電壓隔離能力強、安全可靠的優(yōu)點。
2.2 ATT7022模塊部分設計
電壓、電流測量采用互感器輸入方式，這時各通道不可避免地存在增益、相位方面的誤差，在高精度測量時這些誤差不容忽視，針對互感器比差的非線性，ATT7022可以提供校正，可對比差進行分段補償，對相位加以分段修正，并對電壓、電流有效值進行修正。通過SPI接口將校正的數(shù)據(jù)寫入ATT7022中實現(xiàn)。
2.3 RS-485模塊部分設計
RS-485與MAX485聯(lián)合使用，通過RS-458協(xié)議實現(xiàn)串口長距離通信，用MAX485完成將TTL電平與RS-485電平之間的轉化。本系統(tǒng)還采用光隔電路，在無信號傳輸時將MAX485和單片機進行隔離，減小了各器件間可能存在的干擾。圖2是系統(tǒng)RS-485串口通信電路，整個系統(tǒng)中有兩處這種電路，分別位于兩塊單片機上，實現(xiàn)雙向通信[4-5]。
3 系統(tǒng)軟件設計
3.1 主程序流程圖
主程序流程圖如圖3所示。首先進行系統(tǒng)初始化，通過ATT7022判斷電流電壓是否過載。若過載，報警并采用相應的保護措施；若正常，繼續(xù)進行數(shù)據(jù)采集處理，將處理后的數(shù)據(jù)通過紅外或RS-485方式傳送到另一塊單片機，通過LCD顯示。在另一塊單片機上按鍵，運行鍵盤掃描程序，選擇相應功能，通過LCD顯示觀察測量結果。
軟件的設計主要包括數(shù)據(jù)采集、LCD顯示程序、斷電保護程序、鍵盤程序、RS-485通信和紅外通信等部分。
3.2 密碼保護功能
密碼保護功能的實現(xiàn)依靠32 KB閃存Flash。密碼保護模塊流程圖如圖4所示。密碼存入一個特定的閃存地址，每次密碼驗證時，從閃存中讀出原設密碼，將從鍵盤中輸入的數(shù)字與原設密碼進行比較，正確就可以進入下一步，對各參量觀察，錯誤則提示密碼輸入錯誤重新輸入密碼。修改密碼時從鍵盤獲取修改的密碼值寫入指定閃存地址，覆蓋原來的密碼值。
3.3 紅外通信
紅外發(fā)射電路串行碼主要由TimerA定時器發(fā)送，IOB8編程為第二功能，由TimerA控制輸出占空比可調的脈寬調制信號PWM0，產(chǎn)生38 kHz的載波信號。串行數(shù)據(jù)由單片機的串行輸出端TXD送出并驅動三極管，利用兩個紅外發(fā)射管將38 kHz的載波信號以光脈沖的形式向外發(fā)送。串行碼為1時，打開輸出，為0時，關閉PWM0輸出(輸出低電平)。用TimerB控制脈沖寬度。
紅外接收電路利用TSOP1738紅外光敏元件將接收到的載波頻率為38 kHz的脈沖調制紅外光信號轉化為電信號，再由前置放大器和自動增益控制電路進行放大處理。然后通過帶通濾波器進行濾波，濾波后的信號由解調電路解調。最后由輸出級電路進行反向放大輸出。
3.4 RS-485數(shù)據(jù)通信
RS-485接口采用差分方式傳輸信號，并不需要相對于某個參照點來檢測信號，系統(tǒng)只需檢測兩線之間的電位差。
4 測試結果與分析
4.1 三相有功功率測量及總有功功率
測得的三相有功功率與總有功功率如表1所示。
4.2 功率因數(shù)
4次測量的功率因數(shù)理論值與測量值如表2所示。
4.3 測試分析與結論
根據(jù)上述測試數(shù)據(jù)，經(jīng)分析可以得出以下結論：
（1）本系統(tǒng)能對三相工頻交流電（頻率波動范圍為45 Hz～65 Hz）的三相電壓、三相電流、三相有功功率、三相無功功率、總有功功率、總無功功率、功率因數(shù)、電網(wǎng)頻率、有功電能和無功電能在誤差允許范圍內(nèi)進行測量。
（2）實現(xiàn)電壓和電流相序檢測功能，有掉電存儲功能。
（3）通過密碼保護、標準RS-485通信實現(xiàn)遠程測量、紅外通信等，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_性。
參考文獻
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[2] 李曉白，秦紅磊，朱俊杰，等.凌陽16位單片機C語言開發(fā)[M].北京：北京航空航天大學出版社，2006：44-98.
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