基于ADE7753的高精度多功能電能計量

2013-10-09 17:27:21 EP電力信息化網(wǎng)　點(diǎn)擊量：評論 (0)

電度計量部分及其實(shí)現(xiàn)過程

為了解決傳統(tǒng)的機(jī)電式電能計量儀表體積大、精度差，且管理人員必須上門抄表的問題，以及為了滿足配網(wǎng)自動化的需要，筆者研制了一款基于ADE7753的多功能電能計量系統(tǒng)。該計量系統(tǒng)是在目前迅速推廣的微處理技術(shù)基礎(chǔ)上，以SEP3203微處理器為核心的數(shù)字式智能型數(shù)據(jù)采集模塊，使電度計量的準(zhǔn)確度和自動化程度都有了很大的提高，所研制的多相多功能電度表，可以實(shí)時監(jiān)測用戶的電壓、電流有效值，以及準(zhǔn)確的電度值，并且可以通過串口讀取數(shù)據(jù)和設(shè)置參數(shù)完成遠(yuǎn)程自動抄表。

1 電度計量部分及其實(shí)現(xiàn)過程

　　所研制的多相多功能電度表, 最大限度地利用電能計量芯片ADE7753 所能提供的功能，其電度計量精度已達(dá)到3%以下，并很好地完成了通信功能，可測量3路0～1 000 V交流電壓信號和12路0～5A交流電流信號，并輸出3路電壓和12路電流值及6組電度值。

　　ADE7753是美國ADI 公司生產(chǎn)的系列帶SPI口的單相多功能電能計量芯片之一, 它通過串行接口與微處理器通信，接受微處理器的控制，實(shí)現(xiàn)電度計量，并且具有測量精度高、功能多樣、接口簡單等優(yōu)點(diǎn)，為電能表生產(chǎn)廠家設(shè)計低成本高精度電能表提供了可能。

1.1 ADE7753內(nèi)部結(jié)構(gòu)

　　ADE7753是一款功能先進(jìn)的數(shù)字電能表芯片，集成了二階、一個數(shù)字積分器∑―△ADC、一個參考電壓源和一個溫度傳感器，可以分別計算電壓、電流有效值（RMS），測量有功、無功和視在電能。同時可以對電壓、電流、功率進(jìn)行實(shí)時采樣，以便于對電壓、電流、功率的波形分析。ADE7753是一種帶串行接口和脈沖輸出的高精度有功與視在電能計量集成電路，實(shí)際上它是一個電能計量的片上系統(tǒng)(SoC)芯片。

　　其內(nèi)部結(jié)構(gòu)與基本工作原理框圖如圖1所示，共有20個管腳。

　　ADE7753 內(nèi)部共有42 個用于與外部進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的寄存器, 有的只能讀, 有的既能讀又能寫; 有的數(shù)據(jù)長度只有6 位, 有的長度為24 位; 用于存儲測量數(shù)據(jù), 或用于完成芯片的設(shè)定, 以及用于指示芯片的工作狀態(tài)。

1.2 電度計量實(shí)現(xiàn)過程

　　在本文所設(shè)計的遠(yuǎn)程電度表中，輸入的3路待測電壓信號采用電阻分壓的形式，與12路經(jīng)過高精度微型電流互感器CT后的電流信號，經(jīng)由兩個8選1的模擬開關(guān)組成的16選1的模擬開關(guān)選擇后，以電流的形式輸入到ADE7753的V1P腳。在ADE7753內(nèi)部信號經(jīng)信號放大PGA1和數(shù)模變換ADC轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的數(shù)字信號, 然后經(jīng)數(shù)字高通濾波器HPF濾除DC分量,得到電流和電壓有效值。ADE7753具有一個內(nèi)置的SPI接口，它與SEP3203的串行接口由SCLK、DIN、DOUT和CS 4個信號來完成,可用于電能計算的電流和電壓有效值的傳輸；通過微處理器SEP3203對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；把SEP3203處理后的數(shù)據(jù)由串口經(jīng)光耦組完成與RS485接口芯片75LBC184之間的傳輸；然后由RS485接口完成與計算機(jī)的通信，以支持現(xiàn)場調(diào)試和監(jiān)控功能。

2 基于RS485接口的電能計量數(shù)據(jù)采集

　　本電能表的電壓有效值、電流有效值和有功功率值，均需通過上位計算機(jī)從被測電能表的RS485口讀出，以便達(dá)到實(shí)時監(jiān)控的目的。SEP3203微處理器集成了串行通信接口，通過RS485接口驅(qū)動芯片就可以構(gòu)成總線型通信網(wǎng)絡(luò)，把多臺單片機(jī)系統(tǒng)連接成一個分布式數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)。

　　采集終端通過每塊表與采集終端之間的專用導(dǎo)線接收電能表電能數(shù)據(jù)，按一定規(guī)約打包后，再將數(shù)據(jù)經(jīng)專線傳給集中器加工儲存，然后由集中器傳輸給主機(jī)。

2.1 RS485接口芯片75LBC184

　　在該設(shè)計中，使用ＴＩ公司的RS485接口芯片75LBC184, 它使用單一電源，電壓在3～5.5 V范圍內(nèi)都能正常工作，能完成TTL 與RS485之間的轉(zhuǎn)換。該芯片與普通的RS485收發(fā)器相比，有一個顯著的特點(diǎn)，那就是片內(nèi)有高能量瞬變干擾保護(hù)裝置，可以承受峰值為400 W(典型值)的過壓瞬變，故它能顯著提高防止雷電損壞器件的可靠性,并且能承受高達(dá)8 kV的靜電放電沖擊，對一些環(huán)境比較惡劣的現(xiàn)場，可直接與傳輸線相接而不需要任何外加保護(hù)元件。

　　該芯片還有一個獨(dú)特的設(shè)計，當(dāng)輸入端開路時，其輸出為高電平，這樣可保證接收器輸入端電纜有開路故障時，不影響系統(tǒng)的正常工作。另外，它的輸入阻抗為RS485 標(biāo)準(zhǔn)輸入阻抗的2倍(≥24 kΩ)，故可以在總線上連接64個收發(fā)器。

　　在該設(shè)計中，經(jīng)SEP3203處理的信號經(jīng)過75LBC184 與外圍電路形成的RS232/RS485電平轉(zhuǎn)換器電路，然后傳到遠(yuǎn)方的PC 機(jī)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控。在該電路中，使用了1片光電耦合器TLP521和2片光電耦合器4N25進(jìn)行隔離，使得微處理器與SN75LBC184之間完全沒有了電的聯(lián)系，提高了工作的可靠性。

　　在輸出電路設(shè)計上，除了考慮到75LBC184的驅(qū)動器設(shè)計為限斜率方式輸出，且能抗雷電及靜電放電的沖擊，具有較強(qiáng)的抗干擾和抗過壓能力外，還設(shè)置了信號限幅二極管VD，其穩(wěn)壓值取7 V，進(jìn)一步提高抗過壓的能力。此外，為防止系統(tǒng)中某一節(jié)點(diǎn)的RS－485芯片被擊穿短路時影響其他節(jié)點(diǎn)的通信，在75LBC184的信號輸出端串聯(lián)了2 個20 Ω的電阻R1和R2；考慮到雙絞線的特性阻抗為120 Ω左右，在RS485 網(wǎng)絡(luò)傳輸線的始端和終端各接1個120 Ω的匹配電阻，以減少線路上傳輸信號的反射；在RS485 電路的A、B 兩輸出端加接上拉電阻R4和下拉電阻R5，使A端電位始終高于B端電位，RXD 的電平在總線不發(fā)送期間始終呈現(xiàn)高電平，保證SEP3203微處理器不會被誤中斷。

2.2 光電隔離

　　在某些工業(yè)控制領(lǐng)域，由于現(xiàn)場情況十分復(fù)雜，各個節(jié)點(diǎn)之間存在很高的共模電壓。雖然RS485接口采用的是差分傳輸方式，具有一定的抗共模干擾的能力，但當(dāng)共模電壓超過RS485接收器的極限接收電壓，即大于+12 V或小于－7 V時，接收器就再也無法正常工作了，嚴(yán)重時甚至?xí)龤酒蛢x器設(shè)備。

　解決此類問題的方法是通過DC-DC電源模塊將系統(tǒng)電源與RS485收發(fā)器的電源隔離；通過光耦將信號隔離，徹底消除共模電壓的影響。

　　本文介紹的多功能電能計量系統(tǒng)成本低、精度高、功能強(qiáng)、可靠性好, 適用于各企事業(yè)單位的用電計量與監(jiān)控。本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了電能計量的遠(yuǎn)程傳輸，速度快，大大提高了工作效率，并且維護(hù)簡單、成本低，具有良好的市場前景。

責(zé)任編輯：和碩涵

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