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　點擊量：評論 (0)

電度計量部分及其實現過程

為了解決傳統的機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。該計量系統是在目前迅速推廣的微處理技術基礎上，以SEP3203微處理器為核心的數字式智能型數據采集模塊，使電度計量的準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，可以實時監測用戶的電壓、電流有效值，以及準確的電度值，并且可以通過串口讀取數據和設置參數完成遠程自動抄表。

1 電度計量部分及其實現過程

　　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，實現電度計量，并且具有測量精度高、功能多樣、接口簡單等優點，為電能表生產廠家設計低成本高精度電能表提供了可能。

1.1 ADE7753內部結構

　　ADE7753是一款功能先進的數字電能表芯片，集成了二階、一個數字積分器∑―△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、功率進行實時采樣，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，實際上它是一個電能計量的片上系統(SoC)芯片。

　　其內部結構與基本工作原理框圖如圖1所示，共有20個管腳。

　　ADE7753 內部共有42 個用于與外部進行數據交換的寄存器, 有的只能讀, 有的既能讀又能寫; 有的數據長度只有6 位, 有的長度為24 位; 用于存儲測量數據, 或用于完成芯片的設定, 以及用于指示芯片的工作狀態。

1.2 電度計量實現過程

　　在本文所設計的遠程電度表中，輸入的3路待測電壓信號采用電阻分壓的形式，與12路經過高精度微型電流互感器CT后的電流信號，經由兩個8選1的模擬開關組成的16選1的模擬開關選擇后，以電流的形式輸入到ADE7753的V1P腳。在ADE7753內部信號經信號放大PGA1和數模變換ADC轉換為對應的數字信號, 然后經數字高通濾波器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對數據進行處理；把SEP3203處理后的數據由串口經光耦組完成與RS485接口芯片75LBC184之間的傳輸；然后由RS485接口完成與計算機的通信，以支持現場調試和監控功能。

2 基于RS485接口的電能計量數據采集

　　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從被測電能表的RS485口讀出，以便達到實時監控的目的。SEP3203微處理器集成了串行通信接口，通過RS485接口驅動芯片就可以構成總線型通信網絡，把多臺單片機系統連接成一個分布式數據采集和控制系統。

　　采集終端通過每塊表與采集終端之間的專用導線接收電能表電能數據，按一定規約打包后，再將數據經專線傳給集中器加工儲存，然后由集中器傳輸給主機。

2.1 RS485接口芯片75LBC184

　　在該設計中，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范圍內都能正常工作，能完成TTL 與RS485之間的轉換。該芯片與普通的RS485收發器相比，有一個顯著的特點，那就是片內有高能量瞬變干擾保護裝置，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8 kV的靜電放電沖擊，對一些環境比較惡劣的現場，可直接與傳輸線相接而不需要任何外加保護元件。

　　該芯片還有一個獨特的設計，當輸入端開路時，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，不影響系統的正常工作。另外，它的輸入阻抗為RS485 標準輸入阻抗的2倍(≥24 kΩ)，故可以在總線上連接64個收發器。

　　在該設計中，經SEP3203處理的信號經過75LBC184 與外圍電路形成的RS232/RS485電平轉換器電路，然后傳到遠方的PC 機進行實時監控。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進行隔離，使得微處理器與SN75LBC184之間完全沒有了電的聯系，提高了工作的可靠性。

　　在輸出電路設計上，除了考慮到75LBC184的驅動器設計為限斜率方式輸出，且能抗雷電及靜電放電的沖擊，具有較強的抗干擾和抗過壓能力外，還設置了信號限幅二極管VD，其穩壓值取7 V，進一步提高抗過壓的能力。此外，為防止系統中某一節點的RS－485芯片被擊穿短路時影響其他節點的通信，在75LBC184的信號輸出端串聯了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 網絡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 的電平在總線不發送期間始終呈現高電平，保證SEP3203微處理器不會被誤中斷。

2.2 光電隔離

　　在某些工業控制領域，由于現場情況十分復雜，各個節點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，嚴重時甚至會燒毀芯片和儀器設備。

　解決此類問題的方法是通過DC-DC電源模塊將系統電源與RS485收發器的電源隔離；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成本低、精度高、功能強、可靠性好, 適用于各企事業單位的用電計量與監控。本系統實現了電能計量的遠程傳輸，速度快，大大提高了工作效率，并且維護簡單、成本低，具有良好的市場前景。