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摘要:本文介紹基于ADE7758 和PIC系列MCU的多相多功能電能測量電表，本文重點介紹ADE7758的引腳及設計要點、內部寄存器功能和工作原理,以及ADE7758與PIC16F877的中斷接口時序。 關鍵詞：多相電能表；ADE7758；PIC 0引言 我國與發達國家一樣， 隨著電力供應市場化的逐步深入和計算機網絡的快速普及和發展，為了緩解電力供應緊張的現狀，正在大力推廣分時電價，雙費率電子電能表成為電能表新的發展趨勢和需求熱點。僅上海市自2001年起，五年內需要600萬臺復費率電能表。 國外電能表正在向大電流、大動態的需求方向發展。美國模擬器件公司開發出一種體積小巧、動態范圍可達1000：1的新型電能測量集成電路ADE7758，該IC內嵌了高精度的模數轉換器和固定模式的數字處理信號處理器（DSP），具有數字積分、數字濾波和具有眾多實用電能監測、計量功能，正成為新一代高性能全數字電能表的理想芯片。 截止到2002年10月， AD775X系列全數字電能測量處理芯片在全世界的銷量已超過5000萬片。ADE7758是具有每相信息的多相多功能電能測量IC芯片，是美國ADI公司2003年8月推出的專用電能測量IC新產品。 ADE775X系列電能測量專用集成電路芯片的推出, 不僅簡化了 電力測量新應用模塊的設計難度，可做到全電子或真正固體化、靜止化,以有利于提高性能，降低成本；還可以利用現有的電話線、專線、高頻無線電調制解調器、光纜、低壓配電線載波等技術手段完成自動抄讀表、分時電價、實時電價、多功能計量、預付費等擴充應用功能。使電能計量具有高精度、高可靠性、免維護和雙向通訊功能，適應電力市場化下的電力公司提供新的增值服務。 ADE7758是一款功能先進的數字電能表芯片，它與單片機PIC16F877 、LCD模塊、電源等構成的一種多費率電子電能表電路見圖。ADE7753通過串行接口與單片機通信，接收單片機控制，實現多費率計量。 1 ADE7758引腳功能及設計要點 ADE7758引腳功能分布參見圖1。 
⑴ APCF：有功功率校正頻率邏輯輸出引腳。 該引腳的輸出主要用于校準和操作的目的。滿刻度輸出頻率可以寫入APCFNUM和APEFDEN寄存器中。 ⑵ DGND：ADE7758數字電路部分參考地端，例如乘法器、濾波器、數－頻轉換器的地端。 由于ADE7758中的回路電流很小，可以直接跟整個系統的模擬地端（AGND）相連，但是DOUT端的大總線電容產生的數字噪聲電流可能會影響其性能。 ⑶ DVDD：數字電源。該引腳為ADE7758數字部分提供電壓源。 電壓維持在5V±5%。該引腳可用一個10μF的電容和一個100nF的瓷片電容并聯后進行去耦合。 ⑷ AVDD：模擬電源端。該引腳為ADE7758模擬部分提供電壓源。電壓維持在5V±5%。 該引腳應該采用正確的去耦方法，盡量減小電源波動和噪聲。該引腳用一個10μF的電容和一個100nF的瓷片電容并聯后，再連接到AGAND引腳來去耦合。 ⑸~⑽ IAP，IAN；IBP，IBN；ICP，ICN：電流通道模擬輸入。 這些輸入是全差動電壓輸入，最大的差動輸入信號為±0.5V，±0.25V，±0.125V。根據內部放大器的增益選擇，來設定輸入電壓的最大值，增益選擇放大器的增益由PGA寄存器來設定。所有的輸入引腳均能承受±6V的過電壓而不會造成永久損壞，并具有靜電釋放保護電路。 (11) AGND：模擬電路部分的參考地端。 該引腳為內部的ADCS、溫度敏感元件、參考電壓端等部分的參考地端。該引腳應該連接到系統的標準模擬地或者干擾最小的接地參考點。干擾最小的接地參考點應該跟所有的模擬線路相連。為了減小ADE7758的地端噪聲，模擬地端應該和數字地端只用一個點來連接。也可以把整個器件都安放在模擬接地面上。 （12) REFIN/OUT：該引腳是片上基準電壓。 片上基準電壓標稱值為2.5V±8% 。外部參考端也可以與該腳相連。無論是否連接外部參考電壓端，該引腳都應該用一個1μF的瓷片電容跟AGND端連接以去偶合。 (13)~(16) VN，VCP，CBP，VAP：電壓通道的模擬輸入。 這些輸入是單端電壓輸入，最大信號電壓為±0.5V，（相對于VN端）。可以通過內部寄存器PGA選擇輸入信號的最大值為±0.5V，±0.25V或者±0.125V。所有的輸入引腳均能承受±6V的過電壓而不會造成永久損壞，并具有靜電釋放保護電路。 (17) VARCF：復功率校準頻率邏輯輸出。 通過設置WAVMODE寄存器的VACF位來選擇輸出復功率或者視在功率。該輸出常用于電能表的校準。滿刻度輸出可以通過寫入VARCFNUM和VARCFDEN寄存器的數值來調節。 (18) IRQ：中斷請求輸出。低電平有效的開漏極邏輯輸出端。 可屏蔽的中斷包括：有功能量寄存器和視在功率寄存器半滿和波形采樣速率達到26kSPS。 (19) CLKIN：數字信號處理ADCS的主時鐘。最高為15MHZ。 可以用一個外部時鐘信號來提供時鐘輸入，也可以在CLKIN和 CLKOUT端并聯一個AT晶體來提供時鐘信號。應該根據晶體的參數確定所需要的負載電容值，接一個幾十PF的瓷片電容到振蕩門電。 (20) CLKOUT：當外部時鐘提供或者連接一個晶體時，該引腳能驅動一個CMOS負載。 (21) CS：片選信號，低電平有效。這時ADE7758與數據總線接通。 (22) DIN：串行接口的數據輸入端。在串行口的時鐘信號SCLK的下降沿輸入數據。 (23) SCLK：串行時鐘信號輸入端。 所有串行數據被該信號同步。該引腳具有施密特觸發輸入，以適應速度較慢的邊沿變化時間。 (24) DOUT：串行口的數據輸出端。 在SCLK信號的上升沿數據從該引腳傳輸出去。在沒有數據的時候該引腳為高阻抗狀態。 2 ADE7758的工作原理與內部框圖 ADE7758功能框圖如圖2所示。 ADE7758是一種高精確度三相電能測量IC，帶有一個串行口，兩路脈沖輸出。ADE7758集成了數字積分、參考基準電壓源、溫度敏感元件等，有可用于有功功率、復功率、視在功率、有效值的測量以及以數字方式校正系統誤差(增益、相位和失調等)所必須的信號處理電路。該芯片適用于各種三相電路（不論三線制或者四線制）中測量有功功率、復功率、視在功率。 來自電流傳感器和電壓傳感器的電壓信號經信號放大PGA1,PGA2和模數變換ADC轉換為對應的數字信號，然后，電流信號經電流通道內的高通濾波器HPF濾除DC分量并數字積分后，與經相位校正Φ的電壓信號相乘，產生瞬時功率;此信號經低通濾波LPF2產生瞬時有功功率信號;各相功率相加得到總 的三相瞬時有功功率，經DOUT引腳輸出。視在功率和復功率的計算與此類似。 ADE7758有六路模擬量輸入，分成電流和電壓兩個通道。 流通道由三對差分電壓輸入，分別是IAP，IAN；IBP，IBN；ICP，ICN。這三個電流通道最大的信號電壓變化范圍為±0.5V。電流通道有一個可編程增益放大器（PGA1），放大器增益為1，2或4。除了PGA功能外，用于A/D轉換時，通道1還具有輸入信號滿刻度選擇的功能。前面提到了，最大輸入電壓變化范圍為±0.5V，利用增益寄存器的3和4位，ADC的輸入電壓可以設置為±0.5V，±0.25V，±0.125V。這是利用ADC的基準參考端來實現的。 
電壓通道具有三路單端電壓輸入通道，分別為VAP，VBP和VCP。這些單電壓輸入端的最大輸入電壓變化范圍為±0.5V。相對于VN來說，電流和電壓通道都有一個PGA（可編程放大器），增益為1，2或4，由用戶編程來決定，所有的輸入通道的增益相同。 ADE7758提供系統的校正功能如：有效值偏移的校正、相位和功率的校正等等。引腳APCF的邏輯輸出給出了有功功率的信息，引腳VARCF的輸出提供了瞬時復功率和視在功率的信息。ADE7758具有一個波形取樣寄存器，其值來自于ADC的輸出。波形采樣部分集成有一個用于短時持續低電平或高電平的監測電路，門檻電平和持續時間是由用戶編程來決定的。三相中的任一相過零監測是同步進行的，過零監測的結果可用于測量三路電壓輸入中任一路的周期。 ADE7758的所有功能都是通過讀、寫片上寄存器來實現的，即ADE7758的各種設定和操作主要是對其眾多寄存器的讀和寫。每個寄存器在讀、寫時，首先要執行一個寫通信寄存器的操作，然后開始傳輸數據。 電能表的測控命令和測量信息可以多種方式與MCU通訊。MCU輸入的命令字控制著ADE7758的工作模式、測量模式、波形采樣模式、有效值偏差補償量和中斷模式等。例如：每相的電流通道在信號通路中都有一個乘法器。電流波形可以改變±50%，這主要是由寫入12位有符號電流波形增益寄存器（AIGAIN，BIGAIN ，CIGAIN）中的2進制數決定的：如果7FFH寫入這三個寄存器，則ADC的輸出標定值將增加50%；如果800H被寫入，則輸出減小50%。 3 ADE7758與16F877的中斷接口與時序 一個基于ADE7758和美國微芯公司MCU（PIC16F877）等構成的三相多功能電子電能表的原理框圖參見 圖3。被測三相電壓、電流經傳感器和調理電路后，送ADE7758的A相/B相/C相電壓和電流輸入端，經ADE7758計算后，轉換為有功功率、無功功率、視在功率、復功率等電能信息 ， 數據通過ADE7758的串行口讀出。MCU通過SPI串行接口讀出電能數據信息并處理后，送LCD顯示和無線網絡接口。 ADE7758與16F877的中斷管理接口時序。 AED7758的中斷是通過中斷狀態寄存器STATUS和中斷屏蔽寄存器MASK來實現的。當AED7758有中斷事件發生時，STATUS相應的位被置1，如果中斷屏蔽寄存器MASK內該中斷相應的位為1，則IRQ輸出變為有效的低電平。STATUS的中斷標志位和MASK中的中斷屏蔽位是相互獨立的。為了確定中斷源，主控單元（16FF877MCU）必需執行一個從STATUS讀數據的操作，同時重設STATUS。這個操作的實現用一個讀地址11H的操作來完成（注：11H 是STATUS的地址）。在完成操作的讀出命令后，IRQ端恢復高電平。  假設中斷事件發生在STATUS正在讀的時間段內，ADE7758也可以保證沒有中斷事件被丟失。ADE7758與MCU串行接口的中斷管理時序參見圖4。在時間t1處，IRQ線變為有效低電平，表明ADE7758內已發生一個或多個中斷事件。IRQ邏輯輸出應與MCU的下降沿觸發外部中斷相對應。檢測下降沿時，應將MCU設置成啟動執行其中斷服務程序(ISR )。在進人ISR時，所有中斷都應通過全局中斷允許位加以禁止。這時，MCU外部中斷標志可能被清除，以捕獲在當前ISR期間發生的中斷事件。 當MCU中斷標志被清除時，利用復位完成從狀態寄存器讀出。這將使IRQ線復位到邏輯高電平(t2 )，狀態寄存器的內容用來確定中斷源，以確認應采取的操作。若在ISR期內發生相繼的中斷事件，則該事件便重新由所設定的MCU外部中斷標志(t3)加以記錄。從ISR返回時，全局中斷屏蔽將被清除(在相同指令周期)，外部中斷標志將再次引起MCU轉移到它的ISR上。這就保證MCU不會丟失任何外部中斷。  ADE7758具有一個內置的SPI接口。它與MCU的串行接口由SCLK、DIN、DOUT和CS 四個信號來完成。當IRQ輸出變為低電平時，MCU的ISR必須對中斷狀態寄存器進行讀操作，以確定中斷源。在對狀態寄存器的內容進行讀操作時，IRQ的輸出在第一個字節傳送的最后一個SCLK下降沿上被設定為高電平(對中斷狀態寄存器讀出的命令)。直到下一次8位傳送的最后一位(中斷狀態寄存器的內容)被移出之前，IRQ輸出都保持高電平，若這時中斷尚未決定，則IRQ輸出將再次變為低電平。若沒有任何中斷處于等待狀態，則IRQ輸出將保持高電平。 參 考 文 獻 1 Analog Devices, Inc., Poly Phase Multi一Function Energy Metering I C with per phase information。 2003。08 2 Analog Devices, Inc. The Analog Devices Solutions Bulletin .2002.10 |
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