當(dāng)前，由于電力供需矛盾十分突出，國家提倡能源的節(jié)約，尤其是電能的節(jié)約，制定措施推行分時電價和電力負(fù)荷控制裝置的應(yīng)用。95年以來全面推行分時電價，這幾年也正是復(fù)費(fèi)率電能表迅速發(fā)展的時期。電能表也不再是簡單的電能計(jì)量，而是集計(jì)量、電能管理、事件記錄、自動抄表功能于一體的高科技產(chǎn)品。隨著計(jì)量芯片的推陳出新，功能日益強(qiáng)大，不僅具有完善的模擬采樣校驗(yàn)功能，而且還引入了數(shù)字信號處理技術(shù)，可以計(jì)算多個電量參數(shù)，大大簡化了多功能表的軟硬件設(shè)計(jì)。
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圖1：單相復(fù)費(fèi)率電能表系統(tǒng)框圖。 |
本單相多費(fèi)率電能表采用ADI公司的ADE775X作為計(jì)量芯片，以及Microchip公司的MCU PIC16F7X作為主控芯片，系統(tǒng)框圖如圖1所示。本文主要以組成原理、模擬前端設(shè)計(jì)、主控MCU功能、PCB抗干擾設(shè)計(jì)和PCB的布線以及元器件質(zhì)量對電能表精度的影響等幾個方面進(jìn)行討論。
組成原理
接入線路后，電表通過分流電阻或電流互感器對信號進(jìn)行采樣，經(jīng)放大、乘法、積分、V/F變換、分頻功率驅(qū)動等電路處理，利用ADE775x輸出標(biāo)準(zhǔn)脈沖，MCU(PIC16F7X)微控制處理器計(jì)量脈沖數(shù)或直接通過其SPI讀取有功電量并根據(jù)預(yù)先設(shè)定的時段運(yùn)算出電量在LCD上顯示，并將數(shù)據(jù)結(jié)果保存到EEPROM。本表設(shè)有斷電數(shù)據(jù)自動保存功能、時鐘不中斷等功能，采用專用POS機(jī)進(jìn)行紅外通訊或RS-485標(biāo)準(zhǔn)接口通訊連接，對時段、需量窗口寬度等參數(shù)設(shè)置，并可以察看分段電量和需量等，實(shí)現(xiàn)了單相四費(fèi)率分時電能計(jì)量、預(yù)置、抄表等集線抄表網(wǎng)絡(luò)功能。
模擬前端設(shè)計(jì)
圖2給出了兩種電流信號采樣處理方式，一種經(jīng)過電流互感器接入采樣處理電路(如圖2a)，另一種是經(jīng)過分流電阻采樣處理電路(如圖2b)。本設(shè)計(jì)采用第二種方法獲取電流信號，電壓信號檢測一般采用簡單的電阻衰減網(wǎng)絡(luò)分壓獲得(如圖2c)。
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圖2. 模擬前端信號處理。 |
1．電流輸入
a. 電流互感器
電流互感器次級電流由次級繞阻輸出負(fù)載阻抗轉(zhuǎn)化為一個電壓量。值得注意的是，如果次級開路，即不接負(fù)載，在次級會出現(xiàn)一個非常大的電壓，可能引起器件損壞。絕大多數(shù)電流互感器在50Hz/60Hz存在0.1°-1°相位漂移，導(dǎo)致電量測量誤差，尤其是在低功率因數(shù)時，這種相位漂移或相位誤差可以通過相位調(diào)整寄存器來糾正。
b. 分流電阻
使用分流電阻來實(shí)現(xiàn)電流至電壓的轉(zhuǎn)化是一種單相兩線電能表應(yīng)用的低成本實(shí)現(xiàn)方法。兩線應(yīng)用不需要隔離，分流電阻與電流互感器相比不僅沒有直流飽和問題的困擾，而且相位響應(yīng)線性度動態(tài)范圍寬。盡管分流電阻并非純阻抗，存在一定的感性電抗，在50Hz/60Hz比較明顯，即與之相連的信號會存在一個超前相位漂移，但很容易用一個濾波網(wǎng)絡(luò)(R41/C11和R42/C21)來補(bǔ)償。
2. 電壓輸入
電壓輸入可以直接連接到線路電壓輸入端，通過增加一個簡單的電阻分壓網(wǎng)絡(luò)衰減至合適的范圍，再接至計(jì)量芯片ADE775X。電壓通道由于其相對信號較大且要求的動態(tài)范圍小，通常配置為單端輸入，如圖2c。V2P允許的最大輸入電壓對地應(yīng)該不超過±0.5V，衰減網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)應(yīng)易于修改。但是為保持通道1、通道2的相位響應(yīng)一致，電阻R56(1kΩ)不應(yīng)該改變。
主控MCU部分設(shè)計(jì)
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圖3. RS485通訊接口設(shè)計(jì)。 |
1．器件選擇
如圖1，主控MCU部分不僅需要準(zhǔn)確采集實(shí)時有功脈沖信號，產(chǎn)生計(jì)量脈沖信號(采用同一信號源作為電量累計(jì)和計(jì)量，這很重要)，而且需要根據(jù)實(shí)時時鐘切換費(fèi)率，保存分時電量及月電量切換，按照需求顯示電量以及相關(guān)數(shù)據(jù)。另外，由于一年中溫差顯著，對實(shí)時時鐘的頻偏不能滿足要求，因此需要實(shí)時檢測溫度變化，補(bǔ)償實(shí)時時鐘頻偏，以滿足各地對時間偏差的要求。為保證電量不丟失，還需要掉電檢測，及時保存電量。按照以上要求我們選擇MICROCHIP PIC16F76。為方便軟硬件設(shè)計(jì)，在外設(shè)上我們需用不同設(shè)備號I2C接口器件，如數(shù)據(jù)存儲24LC16、實(shí)時時鐘芯片RX-8025(帶校正功能)、溫度檢測芯片TCN75、LCD驅(qū)動芯片PCF8576C。
2．通訊接口設(shè)計(jì)
另外提供兩路物理上完全獨(dú)立的通訊接口(RS485和紅外)，供校表、編程和抄表用。在RS485接口設(shè)計(jì)中采用無間斷收發(fā)切換設(shè)計(jì)，改變了傳統(tǒng)三線方式接口設(shè)計(jì)。如圖3。
3. 掉電處理的兩點(diǎn)建議
硬件上，MCU供電電源整形電解電容的容量應(yīng)該根據(jù)掉電檢測開始至完成電量存儲所需正常工作電壓所需的時間間隔來確定，建議使用2,200uF/16V電解電容。
軟件上一旦檢測到掉電，關(guān)閉中斷，所有不需用的輸入輸出口應(yīng)遵循電流消耗最少的原則，置為輸入或輸出相應(yīng)的電平，以保證有足夠的能量保存電量以及相關(guān)的信息。軟件設(shè)計(jì)流程如圖4所示。
抗EFT/EMI設(shè)計(jì)的幾點(diǎn)參考
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圖4：主程序流程框圖。 |
為了通過EFT高壓快速脈沖測試，設(shè)計(jì)中應(yīng)該值得考慮的是：
a. 信號輸入端引線串接磁珠電感和磁環(huán)，雙絞線接入；
b. 市電相線和零線間接入壓敏電阻及脈沖吸收電容；
c. PCB布線時，高壓線路和相關(guān)區(qū)域需保持適當(dāng)?shù)陌踩嚯x，各路電源正負(fù)線路雙面交叉走線。
為了通過EMI，設(shè)計(jì)中應(yīng)該考慮：PCB大面積鋪地布銅；模擬部分走線盡可能短；考慮芯片自身的電磁屏蔽。
PCB的布線以及元器件質(zhì)量對電能表精度的影響
由于電能表工作環(huán)境較為惡劣，電流電壓回路與市電沒有隔離，且市電線路上諧波及浪涌干擾十分嚴(yán)重，環(huán)境溫度變化范圍大。所以模擬回路電氣參數(shù)的穩(wěn)定，模擬部分PCB板設(shè)計(jì)和地線、電源線的布局尤其重要。
1．PCB布線的基本原則：
電流電壓部分走線應(yīng)盡可能短；
地線鋪設(shè)面積盡可能大些；
數(shù)字地模擬地采用一點(diǎn)串接磁珠連接，有效防止數(shù)字地干擾串入模擬地。
2．元器件選擇原則：模擬部分元器件使用高精度SMT元件。