1、前言
所謂四遙― 是“遙測、遙信、遙控、遙調”技術的簡稱，“遙測”是指利用電子技術遠方測量集中顯示諸如電流、電壓、功率、電能等物理量的系統(tǒng)技術。該電力“四遙”測量模塊采用16位的430單片機與集成電能芯片ATT7022B，具有準確度高，誤差曲線平直，性能穩(wěn)定可靠，自身損耗低，而且功能容易擴展等優(yōu)點．該電能芯片具有SPI接口, 外部微處理器可通過此接口讀取原始值，再根據相應的計算公式進行計算，最后得到各項電力參數的測量值。
2、系統(tǒng)介紹
遙測模塊，也可以作為普通電子式電能表使用，其采樣方式及采用什么MCU有多種方案，不少已經投入實際使用。但是基于MSP430 單片機，采用高度集成的采集芯片ATT7022B進行電流和電壓采樣的模塊還沒有廣泛投產使用。盡管TI公司提供了多種采樣方案，但是其采樣電路比較復雜，難于調試，更沒有采用專用的電能表的采用芯片。
圖1是遙測模塊的硬件組成，合理的把TI 的MSP430F449單片機和珠海炬力的ATT7022B電能采集芯片集合，發(fā)揮各自的優(yōu)勢，避開復雜的采樣電路的設計。
2.1、硬件部分：
MSP430F449單片機
T1公司的MSP430系列單片機是一種具有超低功耗的功能強大的16位單片機。新開發(fā)的F系列具有Flash存儲器，如F449就具有60KB的Flash，在系統(tǒng)設計，開發(fā)調試及實際應用上比其他MCU都有比較明顯的優(yōu)勢。
（1）、超低功耗
MSP430F系列運行在1MHZ時鐘的條件下時，工作模式不同為0.1~400uA,工作電壓為1.8~3.6V。
（2）、超強處理能力
8MIPS的CPU內核，16位×16位的硬件乘法器。
（3）、靈活的配置方法
MSP430 F系列具有豐富的尋址方式，只需要27條指令；片內寄存器數多，可以實現多種運算；有高效的查表處理方法。這一切保證了可以編譯出高效的程序。許多中斷，可以嵌套，使用方便。
（4）、片上集成外圍功能模塊
MSP430 F系列集成了較多的片上外圍設備。這些外圍設備功能相當強大：12位A/D，精密模擬比較器，硬件乘法器，2組頻率可以達到8MHZ的時鐘模塊，2個帶有許多捕獲比較的16位定時器，看門狗功能，2個可實現異步和同步及多址訪問的串行通信接口，數十個可實現方向的設置及中斷功能的并行輸入，輸出端口，擁有SPI和UASRT通訊端口。
（5）、 高效的開發(fā)方式
MSP430FX系列具有FLASH存儲器，這一特點使得它的開發(fā)工具相當簡便。利用單片機自身帶有的JTAG接口或片內BOOT ROM內固化的默認的加載程序載入器Bootstrap可以進行串口或并口，通過UART將程序代碼裝入Flash 存貯器中。 可以在一臺PC及一個小JATAG控制器的幫助下實現程序的下載，方便的完成在線程序調試。
ATT7022B電能芯片
ATT7022B是珠海炬力集成電路設計有限公司生產的一款高精度三相電能計量芯片，該芯片對有功、無功功率的測量精度分別達到0.2s和0.5s，所能測量的電參數包括有功、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。ATT7022B具有計量參數齊全、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AT7022B可支持全數字校表，即軟件校表。軟件校表可提高校表精度、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。
（1）工作原理
ATT7022B首先通過6通道16位∑-Δ的ADC模數轉換電路來對輸入電流和電壓信號進行采樣，轉換后的數字量再經過24位DSP數字信號處理以完成全部三相電能參數的運算，同時將結果保存在相應的寄存器中并通過SPI口與MCU進行數據交換，DSP模塊同時還生成有功/無功電能脈沖輸出CF1/CF2，可用于現場校表。ATT7022在設計中已考慮到校表的方便性，采用全數字校表，只需適當修改校表寄存器即可實現校表功能。
(2) 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，也可用適當的I/O口線仿真SPI總線，其仿真讀寫程序很容易實現。
ATT7022的一個數據傳輸總線從向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，串口將持續(xù)從DIN端讀入24位串行數據。當發(fā)出一個讀取命令時，串口將根據發(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容。數據的傳輸總是MSB在前，LSB在后。讀寄存器時，SCLK為高，數據在DOUT引腳上有效。而在寫寄存器時，數據則在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。ATT7022B的讀寫時序見下圖2所示。
(3)寄存器配置及校表方法
ATT7022B的寄存器分為計量參數和校表參數兩部分。器件中的計量參數寄存器多達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。
校表是電能表設計中非常重要的環(huán)節(jié)，ATT7022B上電復位后，校表寄存器的初始數據為默認值，此時讀出的計量參數值和實際參數值不符，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。校表可按高頻輸出參數設置、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?，F以電壓增益的校準為例簡要說明AT7022B的校表方法，其它參數校準請參照該芯片的參考文獻。
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× / ，由于：
Ugain=(Ur/Urms)-1
因此，如果（Ugain≥0）,則Ugain=INT[Ugain× ]
否則Ugain<0,則Ugain=INT[ +Ugain× ], 式中，INT表示取結果的整數部分。
（4）互感器參數選擇
選用的電流互感器規(guī)格為5A/2.5mA，精度是0.05級，負載阻抗為40Ω，電壓互感器規(guī)格選擇電流型電壓互感器2mA/2mA，在其前端通過110K功率電阻把220v電壓信號轉變成2mA電流信號，負載電阻為250Ω。這樣在輸入額定電流、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ATT7022B的要求。
（5）特點
ATT7022B能夠提供的計量參數除瞬時有功功率、無功功率、視在功率、有功電能、無功電能、功率因數、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，非常適用于三相電路中各種電參數的測量。
2.2、軟件部分
對于MSP430單片機，由TI 公司自帶的嵌入式軟件開發(fā)平臺IAR EMBEDDED WORKBENCH。該軟件可對開發(fā)系統(tǒng)進行在線調試，帶有C 編譯器，可采用高效、便捷、通用的C語言編程。
通過MSP430F449的P4.2—P4.5端口對ATT7022B芯片進行同步數據傳遞，其中P4.2用于CS，P4.3端口用于 DI，P4.4用于DO，P4.5 用于SCK，程序流程圖如下圖3所示。
SPI通信一般分為硬件SPI通信和軟件SPI通信。如果本系統(tǒng)選用硬件SPI通信，就需要在程序中把P4.2-P4.5 四個口定義成同步串行通信口，P4.3 利用TXBUF 發(fā)送數據，P4.4利用RXBUF接受數據，P4.5提供同步CLK信號。如果定義同步發(fā)送與接受數據位數是8位的話，這樣利用TXBUF發(fā)送8位的地址數據一次就完成，與普通的數據發(fā)送沒有什么區(qū)別，但是利用RXBUF接受24位的寄存器數據，需要連續(xù)接受三次。通過實際調試發(fā)現，這種通信方式對時序要求極為嚴格，使用起來較麻煩。
在本系統(tǒng)中，改用了軟件SPI通信，使用I/O口模擬硬件SPI通信，通過程序控制P4.5 產生高低電平，通過P4.3輸出8位的地址數據，在8個CLK脈沖信號下就可以完成，然后緊接著通過P4.4 接受24位的寄存器數據，在24個CLK脈沖信號下就可以完成。這種通信方式使用起來操作性較強，簡易實用。
3、 結束語
本模塊作為電力四遙監(jiān)控系統(tǒng)的測量單元，所涉及到的軟硬件均通過了實驗調試，工作正常，性能穩(wěn)定。該模塊可以單獨作為三相電能表使用，也可以外加顯示模塊、遙信模塊、遙測模塊、通信模塊等就可以形成電力四遙監(jiān)控系統(tǒng)，從而可以廣泛應用于電力系統(tǒng)的各種配電設備中。
下載文檔
