基于SPI總線的電能計量芯片ATT7022及其在配電監(jiān)測終端的應用

摘要：介紹了高電能計量芯片ATT7022的主要功能、性能比較、內(nèi)部結構、接口方式及校表方法等，同時對ATT7022在電能配電監(jiān)控終端的應用作了簡要闡述。
關鍵詞：SPI總線 ATT7022 電能計量 W77E58 配電監(jiān)控終端
1 概述
ATT7022是珠海炬力集成電路設計有限公司生產(chǎn)的一款高三相電能計量芯片，該芯片對有功、無功功率的測量分別達到0.2s和0.5s，所能測量的電參數(shù)包括有功、無功、視在功率、雙向有功和四角限無功電能；電壓和電流有效值；相位、頻率等。ATT7022具有計量參數(shù)齊全、校表功率完善等優(yōu)點，簡化了軟件設計，縮短了軟件開發(fā)周期。特別是AT7022可支持全數(shù)字校表，即軟件校表。軟件校表可提高校表、簡化硬件設計、降低設計成本，為三相多功能計量裝置提供了功能更加齊全、設計更加簡單的應用方案。表1和表2分別給出了三大計量芯片生產(chǎn)商的三相電能計量芯片計量參數(shù)校表參數(shù)的比較。

2 引腳功能
ATT7022的引腳排列如圖1所示，它采用44引腳QFP封裝，面積僅有10mm×10mm，功耗僅為100～200mW，各引腳功能如下：
·V1P/V1N，V3P/V3N，V5P/V5N：模擬電流信號輸入；
·V2P/V2N，V4P/V4N，V6P/V6N：模擬電壓信號輸入；
·REEOUT、REFCAP：基準電壓輸出；
·RESET：復位輸入端；
·SIG：寫操作成功握手信號輸出；
·SEL：接線方式選擇輸入端；
·CF1/CF2：有功/無功電能脈沖輸出；
·CS：SPI讀/寫片選信號；
·SCLK：SPI串行時鐘輸入；

·DIN/DOUT：SPI串行數(shù)據(jù)輸入/輸出；
·Revp：當系統(tǒng)檢測到任意相的有功功率為負時，該端輸出高電平；各相有功功率均為正時，該端輸出低電平；
·OSCI/OSCO：系統(tǒng)晶振輸入端/輸出端；
·Vcc/Avcc:數(shù)字電源/模擬電源；
·GND/AGND：數(shù)字地/模擬地。
3 工作原理
3．1 AT7022電能計量芯片的內(nèi)部結構
AT7022內(nèi)部包括時鐘控制電路、模擬信號采樣、參考電壓、DSP、脈沖生成器、SPI通訊接口和電源管理七大部分，其內(nèi)部原理框圖如圖2所示。

3．2 ATT7022的工作原理
ATT7022首先通過6通道16位∑-Δ的ADC模數(shù)轉換電路來對輸入電流和電壓信號進行采樣，轉換后的數(shù)字量再經(jīng)過24位DSP數(shù)字信號處理以完成全部三相電能參數(shù)的運算，同時將結果保存在相應的寄存器中并通過SPI口與MCU進行數(shù)據(jù)交換，DSP模塊同時還生成有功/無功電能脈沖輸出CF1/CF2，可用于現(xiàn)場校表。ATT7022在設計中已考慮到校表的方便性，采用全數(shù)字校表，只需適當修改校表寄存器即可實現(xiàn)校表功能。
3．3 串行SPI接口
ATT7022提供有標準的SPI接口，可與帶SPI口的MCU直接連接，也可用適當?shù)腎/O口線仿真SPI總線，其仿真讀寫程序很容易實現(xiàn)。
ATT7022的一個數(shù)據(jù)傳輸總線從向SPI接口的DIN端送入8位命令字開始的，當命令中包括一個寫入命令時，在其后的24個SCLK周期內(nèi)，串口將持續(xù)從DIN端讀入24位串行數(shù)據(jù)。當發(fā)出一個讀取命令時，串口將根據(jù)發(fā)出的命令來進行尋址，然后在其后的24個連續(xù)的SCLK周期從DOUT引腳上串行輸出寄存器內(nèi)容。數(shù)據(jù)的傳輸總是MSB在前，LSB在后。讀寄存器時，SCLK為高，數(shù)據(jù)在DOUT引腳上有效。而在寫寄存器時，數(shù)據(jù)則在SCLK的下降沿從DIN引腳讀入，這一點在仿真SPI讀寫操作子程序時應引起注意，否則讀寫寄存器將出錯。
ATT7022的讀寫時序見圖3所示。
3．4 寄存器配置及校表方法
ATT7022的寄存器分為計量參數(shù)和校表參數(shù)兩部分。器件中的計量參數(shù)寄存器多達82個，它們的地址在01H～6FH中不連續(xù)分布，未使用部分可留給以后擴展。計量參量的計算全部由硬件完成，用戶只需進行單位換算就可得到測量值。

校表參數(shù)寄存器包括相位補償設置、功率增益、相位校正、電壓/電流校正、比差補償設置、啟動電流、高頻脈沖輸出設置、斷相閾值電壓設置和合相能量累加模式等36個寄存器，它們的地址不連續(xù)地分布在01H～2AH，也考慮了以后的擴展。應當說明的是，兩個寄存器的地址有重疊部分，但它們的物理位置是分開的，可以通過讀寫命令來區(qū)分。寄存器描述及讀寫操作命令字等見參考文獻。
校表是電能表設計中非常重要的環(huán)節(jié)，ATT7022上電復位后，校表寄存器的初始數(shù)據(jù)為默認值，此時讀出的計量參數(shù)值和實際參數(shù)值不符，因而需要對校表寄存器進行設置，以將測量值減小到誤差范圍之內(nèi)。校表可按高頻輸出參數(shù)設置、比差補償區(qū)域設置、角差補償區(qū)域設置、功率增益校正、相位校正、啟動電流設置、功率增益校正、參量累加模式設置、電壓校正、電流校正的先后順序進行。現(xiàn)以電壓增益的校準為例簡要說明AT7022的校表方法，其它參數(shù)校準請參照參考文獻。
電壓增益校正UgainA、UgainB、UgainC:在ATT7022初始化時，Ugain為0，標準表上讀出的電壓有效值為Ur，通過SPI口讀出的測量電壓有效值寄存器的值為Datau。此時，如實際電壓有效值Ur，測量電壓有效值為Urms=DataU×2 10/2 23，由于：
Ugain=(Ur/Urms)-1
因此，如果（Ugain≥0）,則Ugain=INT[Ugain×2 23]
否則Ugain<0,則Ugain=INT[2 24+Ugain×2 23],
式中，INT表示取結果的整數(shù)部分。
4 ATT7022在配電監(jiān)測終端的應用
ATT7022能夠提供的計量參數(shù)除瞬時有功功率、無功功率、視在功率、有功電能、無功電能、功率因數(shù)、相位、電壓有效值、電流有效值、瞬時合相電流值、線電壓頻率值、四象限無功、正向和反向有功電能外，還包括缺相、相序錯誤和反向有功指示等狀態(tài)信息，非常適用于配電終端監(jiān)測的設計。計量部分的典型電路簡圖如圖4所示。
目前我國在用電量一直處于遞增趨勢，然而拖欠電纜的違章用電時有存在，這不但不利于電力部門的管理，而且影響了其它部門的正常用電。

針對電力管理需求，筆者設計了一種由ATT7022構成的配電監(jiān)控終端系統(tǒng)，如圖5所示，該系統(tǒng)包括電能計量和配電監(jiān)控兩部分。其中電能計量部分利用ATT7022芯片來實現(xiàn)對大用戶電能參數(shù)的采樣，相當于一塊高電能表；配電監(jiān)控部分則通過RS485總線對被監(jiān)控電能表（用戶標準表）電能參數(shù)進行實時采集，并通過終端內(nèi)部的軟件分析模塊分析出兩部分數(shù)據(jù)的一致性和報警標志，從而確定了是否存在違章用電情況。配電監(jiān)控還可通過GPRS/GSM模塊與電力部門的上位機進行實時通訊，從而實現(xiàn)用電遠程配置和在線管理。在緊急情況下還可以通過遙控拉閘/合閘來保證用安全。
ATT7022的電壓輸入范圍0V～1V（有效值），因此，筆者選用的電流互感器規(guī)格為1.5(6)A/5mA，是0.05級，負載阻抗為20Ω，電壓互感器規(guī)格選擇100V/0.5V。這樣在額定電流、輸入額定電壓時，其電流、電壓差動輸入電壓的有效值分別為0.1V和0.5V左右，可滿足ATT7022的要求。
5 結束語
配電監(jiān)控終端可對用電大戶進行用電管理，通過對大用戶的用電情況進行綜合分析來確定電網(wǎng)的運行情況，從而實施功控、電控、時控和遙控等多方位控制，防止用戶違章用電，實現(xiàn)用電管理自動化，提高電網(wǎng)供電效率。

  

參考文獻:

[1]. W77E58 datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/W77E58_705272.html.
[2]. RS485 datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/RS485_585289.html.