基于CSE7780的智能電能表設(shè)計(jì)

     基于CSE7780設(shè)計(jì)的智能電能表旨在使設(shè)計(jì)方案更加合理，使之成為性價(jià)比更具優(yōu)勢(shì)的產(chǎn)品。本文對(duì)計(jì)量芯片CSE7780的性能特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)電路進(jìn)行了分析，并從軟、硬件兩個(gè)方面給出符合國(guó)網(wǎng)智能電能表要求的設(shè)計(jì)方法。

　　1.符合國(guó)網(wǎng)新標(biāo)準(zhǔn)電能計(jì)量方案

　　CSE7780是一款高精度單相電能計(jì)量芯片，在動(dòng)態(tài)范圍(1500:1)內(nèi)，非線性誤差小于0.1%，提供兩路電流有效值、一路電壓有效值，在動(dòng)態(tài)400:1的范圍內(nèi)，有效值誤差小于0.5%。

　　該芯片能夠提供有功功率、有功能量、電流有效值、電壓有效值、線頻率、過(guò)零中斷等功能，以及提供全數(shù)字增益、相位、失調(diào)校準(zhǔn)，有功能量脈沖從PF管腳輸出。CSE7780通過(guò)一個(gè)SPI串行接口可以與外部的MCU進(jìn)行通信；具有潛動(dòng)閾值可調(diào)功能；內(nèi)部具有電源監(jiān)控電路，可以保障芯片的正常工作。CSE7780使用5V單工作電源，內(nèi)置2.5V電壓參考源，也可以使用外置的2.5V參考源。

　　CSE7780的內(nèi)部功能結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。在芯片工作時(shí)，將采樣到的電流、電壓信號(hào)先經(jīng)過(guò)增益放大器，將采樣信號(hào)放大，然后再通過(guò)高精度的Sigma-Delta、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，得到的數(shù)字信號(hào)通過(guò)低通濾波器、高通濾波器濾去高頻噪聲與直流增益，從而得到需要的電流、電壓采樣量化的數(shù)據(jù)。將這些數(shù)據(jù)相乘，經(jīng)過(guò)低通濾波器輸出平均有功功率；電流、電壓量化后的數(shù)據(jù)通過(guò)平方電路、低通濾波器、開方電路得到電流、電壓有效值。將有功功率按時(shí)間積分，計(jì)算出有功能量。通過(guò)能量頻率轉(zhuǎn)換器將得到的能量通過(guò)PF引腳輸出，也可通過(guò)SPI總線獲得經(jīng)過(guò)數(shù)字信號(hào)處理得到的數(shù)字化數(shù)值。

圖1：CSE7780結(jié)構(gòu)框圖

　　2.軟件設(shè)計(jì)

　　CSE7780寄存器的配置流程如圖2所示，先設(shè)置好計(jì)量控制寄存器，能后再配置校表寄存器。

　　

　圖2：參數(shù)配置流程圖

　　2.1CSE7780 ADC參數(shù)設(shè)計(jì)

　　以設(shè)計(jì)一款額定電壓220V(Un)、10(60)A電流規(guī)格、表常數(shù)為1600imp/KWh的電表為例，由于電流輸入通道允許輸入最大信號(hào)為±700mV的峰峰值(有效值為495mVrms)，10(60)A的表考慮到通道A發(fā)熱的情況，可選擇200～250微歐的錳銅，若以250微歐的錳銅來(lái)采樣，在Imax=60A時(shí)，通道A的采樣信號(hào)為60A*250μΩ=15mV，由于電流通道A的允許最大輸入信號(hào)為495mV，因此電流通道的增益選擇可配置成16，通道B采用2500:1的互感器；負(fù)載電阻10Ω，電流通道B增益設(shè)置為1。電壓通道允許最大輸入信號(hào)為±700mV的峰峰值，考慮到電壓會(huì)有130%Un過(guò)壓，可將電壓采樣信號(hào)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)電阻將220V交流電壓信號(hào)降至220mV左右，電壓通道增益選擇為1。

　　通過(guò)上述的論述，我們需將電流通道A的增益設(shè)置為16，電流通道B的增益設(shè)置為1，電壓通道的增益設(shè)置為1，因此SYSCON寄存器應(yīng)設(shè)置為00C0H。

　　2.2．HFConst寄存器的設(shè)置

　　電表常數(shù)EC為1600imp/KWh；Vu=0.22V；Vi=10A*0.00025Ω*1*0mV；EC=1600；Un=220V；

　　Ib=10A。根據(jù)公式HFConst= INT[39.3143*Vu*Vi*1011/(EC*Un*Ib)]，可得HFConst=2*H，因此寫入HFConst寄存器的值應(yīng)為2*H。

　　2.3．其他計(jì)量控制寄存器配置

　　啟動(dòng)電流的配置：在Un、Ib的情況下，有功功率寄存器PowerA的數(shù)值為1A375D7H，按照要求在0.4%Ib的情況下能夠正常啟動(dòng)，則Pstar寄存器可配置為0.2%Ib有功功率對(duì)應(yīng)的數(shù)值pstar=00D6H(Pstart對(duì)應(yīng)的是PowerA的高16位，計(jì)算出的PowerA是24'h00D6C3)。

　　能量累加模式的配置：由于需要計(jì)量正反有功能量，因此我們須將能量累加模式配置成正反向功率都參與累加，累加方式是代數(shù)和方式，負(fù)功率有REVQ符號(hào)指示，使能PF脈沖輸出及有功電能寄存器累加，即可將EMUCON配置為0001H。

　　2.4．校表寄存器的配置

　　a.有功功率校準(zhǔn)

　　功率增益校正：在輸入信號(hào)為Un、Ib的情況下，從校表臺(tái)獲得通道A的誤差為err：

　　如果Pgain>=0，則GPQA=INT[Pgain*215]，反之若Pgain<0,則GPQA=INT[216 +Pgain*215]。

　　通道B的功率校準(zhǔn)可通過(guò)配置GPQB來(lái)實(shí)現(xiàn)，方法與校正通道A的相同。

　　相位校正：在PF=0.5L，輸入信號(hào)為100%Un、100%Ib的情況下，從校表臺(tái)上獲得的誤差為err，則相位誤差補(bǔ)償為

　　對(duì)50Hz的電網(wǎng)而言，PHSA有0.020/LSB的關(guān)系，則：如果θ>=0，PHSA =INT(θ/0.020)；如果θ<0，PHSA =INT(28+θ/0.02)-96。

　　通道B的相位校正可通過(guò)配置PHSB來(lái)實(shí)現(xiàn)，方法與校正通道A的相同。

　　有功功率失調(diào)校正：在小信號(hào)1.0的情況下，如果小信號(hào)偏差較大，可通過(guò)調(diào)整有功功率失調(diào)校正寄存器來(lái)修正小信號(hào)的偏差。

　　在PF=1.0，Vu=Un，Vi=0的情況下，等待DPUDIF的更新，通過(guò)MCU獲取PowerA的值，讀取若干次去平均值，取平均值的補(bǔ)碼的后4位寫入APOSA校正寄存器。

　　通道B的有功功率失調(diào)校正可通過(guò)配置APOSB來(lái)實(shí)現(xiàn)，方法與校正通道A的相同。

圖3：功率校正流程圖

　　b.有效值校準(zhǔn)

　　有效值的校正流程如圖4所示，先校正電流的失調(diào)，校正失調(diào)后，再進(jìn)行A/B通道電流轉(zhuǎn)換系數(shù)KIA/KIB及電壓轉(zhuǎn)換系數(shù)KU的計(jì)算，在PF=1.0、Vu=100%Un、Vi=Ib的情況下讀取IARMS、IBRMS寄存器的數(shù)值，根據(jù)公式KIA=IARMS/Ib可得到電流通道A的轉(zhuǎn)換系數(shù)，按同樣的方法可得電流通道B的轉(zhuǎn)換系數(shù)KIB及電壓通道的轉(zhuǎn)換系數(shù)KU。

　圖4：有效值校正

　　5．CSE7780校準(zhǔn)及初始化過(guò)程

　　上電初始化MCU；對(duì)計(jì)量芯片的可寫寄存器依次寫入，完成計(jì)量控制寄存器及校表參數(shù)的初始化。

　　在初始化的過(guò)程中，要保證寫入到計(jì)量芯片的數(shù)值的正確。在正常工作的時(shí)候需要監(jiān)控CSE7780的工作狀態(tài)，確保計(jì)量芯片處在正常情況下工作，一般監(jiān)控校驗(yàn)和是否正確以及芯片是否有被復(fù)位。

　圖5：智能電能表原理框圖

　　3.硬件設(shè)計(jì)

　　目前芯海可以向客戶提供包括軟、硬件在內(nèi)的完整參考設(shè)計(jì)。圖5為智能電能表原理框圖，圖6為目前推出的參考設(shè)計(jì)完整電路。

圖6：國(guó)網(wǎng)單相智能表實(shí)物圖

　　下面是針對(duì)CSE7780使用過(guò)程中其它一些應(yīng)該注意的問(wèn)題給出的建議：在PCB布局的時(shí)候需要注意變壓器對(duì)錳銅的影響，這會(huì)影響到計(jì)量芯片的小信號(hào)的誤差；在采樣輸入端的走線應(yīng)平行對(duì)稱，減小采樣線所包圍的面積；晶體不能放在PCB板邊，防止在打ESD的時(shí)候，將芯片打死，晶體下面最好不要走其它的信號(hào)線。

　　本文小結(jié)

　　通過(guò)在深圳計(jì)量院的整表測(cè)試，CSE7780能夠準(zhǔn)確測(cè)量單相智能電能表各個(gè)參數(shù)，計(jì)量精度完全滿足要求。基于CSE7780的整機(jī)方案經(jīng)EMC檢測(cè)、認(rèn)證的第三方專業(yè)認(rèn)證機(jī)構(gòu)信測(cè)科技驗(yàn)證了EMC等方面的性能，具有極佳的性能指標(biāo)，完全符合新一代國(guó)網(wǎng)智能電能表的要求。其簡(jiǎn)單易懂的軟件校表方式，既便于電能表開發(fā)工程師進(jìn)行程序開發(fā)，又提高了生產(chǎn)線的效率。