引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，電力已經(jīng)成為國家的重要能源。就民用電力來說，由于人民物質(zhì)生活的極大豐富，生活質(zhì)量迅速提高，對電力的需求也越來越大。但是，當(dāng)前居民用電的管理過于落后，居民用電管理收費(fèi)多年來一直采用先用電、后抄表、再付費(fèi)的傳統(tǒng)作業(yè)方式。工業(yè)用電大多使用三相電壓，如三相380VAC,三相660VAC等。工業(yè)用電與居民用電的區(qū)別：工業(yè)用電大多使用三相電壓，而民用電采用的是單相220VAC對居民供電，價(jià)格不同，工業(yè)用電價(jià)格高 ,在用電高峰期，往往因負(fù)荷過大而導(dǎo)致斷電，而且工業(yè)用電的電壓往往高于居民用電，也容易把家中的電器燒壞，存在極大的安全隱患。另外，如果斷電后相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)難以恢復(fù)供電！據(jù)統(tǒng)計(jì)，僅電力部門的抄表隊(duì)伍人數(shù)就數(shù)以萬計(jì)，且人為方式弊端多，工作效率低，給管理部門造成了人力、物力、時(shí)間上的極大浪費(fèi)。為了適應(yīng)社會的需要，保證用戶安全、合理、方便地用電，對傳統(tǒng)的電表和用電的管理模式進(jìn)行改造，使之符合社會發(fā)展的需要就顯得很有必要。為了改進(jìn)現(xiàn)有機(jī)車上使用的電度表，根據(jù)美國AD公司推出的電量計(jì)量專用芯片ADE7755,提出了一種新型的電量計(jì)量方案。根據(jù)本方案設(shè)計(jì)的電度表除具有高、抗干擾和電量數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r(shí)傳輸?shù)墓δ芡?，還具有可以修改電度表初值的優(yōu)點(diǎn)。

　　硬件電路設(shè)計(jì)

目前廣泛使用機(jī)械式、電磁型和機(jī)電型等電度表普遍存在一個(gè)不能實(shí)時(shí)傳輸電量數(shù)據(jù)的缺陷，且各自又有或差或抗干擾能力差等弱點(diǎn)。作者結(jié)合當(dāng)前普遍流行的現(xiàn)場總線技術(shù)和AD公司的ADE7755電量計(jì)量專用芯片以及飛利普公司的P87C591單片機(jī)，提出了一種能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸且具有抗干擾能力的電量計(jì)量方案。

由PT和CT在電網(wǎng)中測得相應(yīng)的電壓和電流信號，送到ADE7755中進(jìn)行電量計(jì)算，算出來的功率值分兩種，一種是低頻的平均功率值，送往機(jī)電式電度表用于顯示；另一種是高頻瞬時(shí)功率值，送入帶CAN總線控制器的P87C591單片機(jī)，根據(jù)上位機(jī)的要求算出目前使用的電量值，并通過CAN總線，與上位機(jī)之間實(shí)現(xiàn)通信。

其中電壓輸入通道(V2N，V2P)輸入電壓信號是PT測得的電壓信號在經(jīng)過預(yù)防電磁干擾作用的鐵氧體和衰減網(wǎng)絡(luò)后進(jìn)入的。

在電流和電壓信號的輸入端，進(jìn)行了相應(yīng)的濾波處理，以增強(qiáng)抗干擾能力。

　　ADE7755工作原理

美國模擬器件公司（ADI）的電力計(jì)量產(chǎn)品AD7755在中國市場上得到了一致的認(rèn)可和廣泛的應(yīng)用，采用該芯片的電能表通過了IEC1036規(guī)范的，AD7755的高質(zhì)量和高可靠性為電能形式表的質(zhì)量提供了保證。ADE7755是一種高準(zhǔn)確度電能測量集成電路，其技術(shù)指標(biāo)超過了IEC1036規(guī)定的準(zhǔn)確度要求。ADE7755只在ADC和基準(zhǔn)源中使用模擬電路，所有其他信號處理（如相乘和濾波）都使用數(shù)字電路，這使ADE7755在惡劣的環(huán)境條件下仍能保持極高的準(zhǔn)確度和長期穩(wěn)定性。

若電壓U(t)和電流I(t)均為正弦波，且：

則瞬時(shí)功率P(t)為

平均功率P為：

ADE7755 是一種采用電壓和電流直接相乘的方法得到瞬時(shí)有功功率，再由瞬時(shí)有功功率求出平均有功功率。由電壓傳感器和電流傳感器得到電壓和電流信號分別經(jīng)兩路A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送入電壓通道V2N、V2P和電流通道V1N、V1P。電流通道中的高通濾波器是用來濾除電流分量中的直流電流，以便減小電流直流分量對瞬時(shí)有功功率計(jì)算的影響。經(jīng)濾波后的電壓和電流信號經(jīng)乘法器相乘后，所得的信號經(jīng)低通濾波器后濾掉交流分量后，得到的直流分量就是瞬時(shí)有功功率。此信號經(jīng)過數(shù)頻轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成與平均有功功率成正比的低頻信號經(jīng)過F1、F2端口輸出，同時(shí)從高頻口CF輸出與瞬時(shí)有功功率成正比的脈沖信號。低頻端口F1和F2的輸出脈沖頻率freq與高頻端口CF輸出脈沖頻率fCF可由下式確定：

其中系數(shù)Gin為輸入增益，F(xiàn) 1-4為可由主時(shí)鐘CLKIN獲得的分頻，Uref為基準(zhǔn)電壓，K為比例系數(shù)。

ADE7755的外圍電路中，通過輸出頻率設(shè)置電路實(shí)現(xiàn)對CF口輸出頻率的設(shè)置，即電表常數(shù)的設(shè)置。本電表的電表常數(shù)設(shè)定為3200imp/kwh，即計(jì)錄一千瓦的功率，要求ADE7755在CF口輸出3200個(gè)脈沖。

圖2 ADE7755的內(nèi)部框圖

ADE7755是一種高的電量計(jì)量芯片，在工頻情況下，在500：1的動態(tài)范圍內(nèi)，達(dá)到0.1%。技術(shù)指標(biāo)超過了IEC1036標(biāo)準(zhǔn)的要求。

的模擬電路是模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，其他電路都是采用數(shù)字電路，這保證了該芯片具有足夠的抗干擾的能力。通過F1和F2實(shí)時(shí)輸出功率信息，能直接驅(qū)動電度表計(jì)數(shù)器或直接和單片機(jī)連接。

　　電源電路的設(shè)計(jì)

ADE7755所用的+2.5V基準(zhǔn)電壓是用AD780實(shí)現(xiàn)的，其接口電路簡單。5V的基準(zhǔn)電源電路如圖3所示：

圖3 5V基準(zhǔn)電源電路

經(jīng)過此電路可以在電源模塊MC7805的3端得到+5V的基準(zhǔn)電源。其中R25為壓敏變阻器。

　　P87C591外圍電路和CAN總線部分設(shè)計(jì)

P87C591是一個(gè)單片8位高性能微控制器，具有片內(nèi)CAN控制器，從80C51微控制器家族派生而來。它采用了強(qiáng)大的80C51指令集并成功地包含了PHILIPS半導(dǎo)體SJA1000 CAN控制器強(qiáng)大的PeliCAN功能。全靜態(tài)內(nèi)核提供了擴(kuò)展的節(jié)電方式。振蕩器可停止和恢復(fù)而不會丟失數(shù)據(jù)。改進(jìn)的1:1內(nèi)部時(shí)鐘預(yù)分頻器在12MHz外部時(shí)鐘速率時(shí)實(shí)現(xiàn)500ns指令周期。微控制器以先進(jìn)的CMOS工藝制造，并設(shè)計(jì)用于汽車和通用的工業(yè)應(yīng)用。除了80C51的標(biāo)準(zhǔn)特性之外，器件還為這些應(yīng)用提供許多專用的硬件功能。P87C591組合了P87C554（微控制器）和SJA1000（獨(dú)立的CAN控制器）的功能，并具有下面的增強(qiáng)特性：增強(qiáng)的CAN接收中斷；擴(kuò)展的驗(yàn)收濾波器；驗(yàn)收濾波器可"在運(yùn)行中改變".

通過P87C591電路可以實(shí)現(xiàn)指定時(shí)間內(nèi)用電量的計(jì)算、數(shù)據(jù)存儲、修改電度表數(shù)值和通過圖4所示的CAN總線收發(fā)電路實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通信。

有關(guān)P87C591外圍電路設(shè)計(jì)，可以參見其他單片機(jī)的外圍電路設(shè)計(jì)，這里不再贅述。

圖4 CAN總線收發(fā)電路

連接P87C591和單片機(jī)之間的芯片是P82C250.圖4這部分電路的原理可以參考有關(guān)CAN總線設(shè)計(jì)方面的資料，這里也不再闡述。

　　軟件部分設(shè)計(jì)

本方案的軟件部分主要由主程序和中斷服務(wù)子程序組成。其中主程序完成的功能有芯片和CAN總線的初始化、進(jìn)行電量的計(jì)算和存儲。

中斷服務(wù)子程序完成的功能是利用CAN總線實(shí)現(xiàn)和主機(jī)之間的通信和電表初值的設(shè)定。其中電表初值設(shè)置由上位機(jī)完成，這樣可以節(jié)省單片機(jī)的外圍電路并且可以防止現(xiàn)場人為惡意的更改電量值。其中CAN總線的初始化程序如下：

voidinit_can_controller（）

{

//進(jìn)入CAN控制器復(fù)位模式

CANMOD=0x01; //將CAN控制器設(shè)置為復(fù)位模式以啟動初始化

//TXDCPort（P1.1）配置

//管腳TXDC設(shè)置為推挽模式

P1M2=P1M2|0x02;//P1M2.1='1',P1M1.1='0'（默認(rèn)）

CANADR=BTR0; //BTR0和BTR1編程為125kbit/s@12MHz

CANDAT=0x45;

CANADR=BTR1;//TSEG1=12,TSEG2=3,SJW=2

CANDAT=0x2B;//Sample=1->sample point~81%

//驗(yàn)收濾波器的配置-- Bank1的濾波器1配置為接收ID=010.0000.0xxx

CANADR=ACR10;//將地址設(shè)置到驗(yàn)收代碼寄存器0（Bank1）

CANDAT=0x50;//驗(yàn)收代碼0用于濾波

CANDAT=0xE0;

CANADR=AMR10;//將地址設(shè)置到驗(yàn)收屏蔽寄存器0（Bank1）

CANDAT=0x00;//bank1:驗(yàn)收屏蔽0

CANDAT=0x0F;//bank1:驗(yàn)收屏蔽1只與高四位有關(guān)

CANDAT=0xFF;//bank1:驗(yàn)收屏蔽2無關(guān)

CANDAT=0xFF;//bank1:驗(yàn)收屏蔽3無關(guān)

CANADR=ACFMOD;//將地址設(shè)置到ACF模式寄存器

CANDAT=0x55;//單驗(yàn)收濾波器使用11位ID（SFF）

CANADR=ACFPRIO;//將地址設(shè)置到ACF優(yōu)先級寄存器

CANDAT=0xFF;//所有濾波器都為高優(yōu)先級

　　結(jié)束語

綜上所述，由于ADE7755是專用電量計(jì)量芯片，且具有抗干擾的優(yōu)點(diǎn)，而P87C591及其外圍電路也是當(dāng)前成熟的技術(shù)，其可靠性和抗干擾性都得到了實(shí)際驗(yàn)證，所以本方案簡單易行。

本方案雖是針對改進(jìn)電力機(jī)車電度表而設(shè)計(jì)的。但由于電力機(jī)車工作于諧波污染嚴(yán)重工況，所以可以根據(jù)本方案針對實(shí)際情況作相應(yīng)改動以適用于不同的工業(yè)場合。