基于ADE7755的帶CAN總線的工業(yè)用電度表設(shè)計(jì)

引言

　　隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、專用集成芯片技術(shù)和現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)工業(yè)用電度表的計(jì)量精度和電量數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性的要求在不斷提高。我國(guó)目前電力機(jī)車上裝備的電度表基本上都是傳統(tǒng)的機(jī)械式電度表，雖然機(jī)械式電度表存在抗干擾和抗震動(dòng)性好的優(yōu)點(diǎn)，但是其精度差，電量數(shù)據(jù)需要人為讀數(shù)不能實(shí)時(shí)傳輸?shù)缺锥恕?strong>ADE7755是AD7755的增強(qiáng)版，解決了AD7755的F1、F2與CF端輸出不同步以及低功率下無(wú)輸出的問(wèn)題。也即AD7755在負(fù)載在8-13mA時(shí)F1、F2無(wú)輸出而CF有輸出，在小于8mA的負(fù)載下兩者均無(wú)輸出，造成較大計(jì)量誤差。兩者在其他方面基本沒(méi)有差別，先AD7755已經(jīng)停產(chǎn)，ADE7755的數(shù)據(jù)手冊(cè)基本沿用以前的AD7755，略有改動(dòng)而已。ADE7755是一種高準(zhǔn)確度電能計(jì)量集成電路，其技術(shù)指標(biāo)超過(guò)了IEC1036規(guī)定的準(zhǔn)確性要求。ADE7755只在模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）與基準(zhǔn)源中使用模擬電路，所有其他信號(hào)處理（如相乘輿濾波）都使用數(shù)字電路，這使ADE7755在惡劣的環(huán)境下依然能保持較高的準(zhǔn)確度和長(zhǎng)期穩(wěn)定性。ADE7755引腳F1和F2以較低頻率形式輸出有功功率平均值，能直接驅(qū)動(dòng)機(jī)電式計(jì)度器或MCU接口。引腳CF以較高頻率形式輸出有功功率瞬時(shí)值，用于校驗(yàn)或與MCU接口。ADE7755內(nèi)部包含一個(gè)對(duì)AVdd電源引腳監(jiān)控電路。當(dāng)Avdd上升到4V之前，ADE7755一直保持在復(fù)位狀態(tài)。當(dāng)AVdd下降到4V以下，ADE7755也被復(fù)位，此時(shí)F1,F2和CF都沒(méi)有輸出。

　　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，且各自又有或精度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(chǎng)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)，內(nèi)部相位匹配電路使電壓和電流通道的相位始終是匹配的（45-65Hz范圍內(nèi)相位誤差不大于±0.1度），無(wú)論通道1內(nèi)的高通濾波器（HPL）是接通還是斷開的。內(nèi)部的空載閥值特性保證ADE7755在空載時(shí)沒(méi)有潛動(dòng)。

　　總體電路框圖如圖1所示：

　　圖1 總體電路框圖

　　圖 1中，由PT和CT在電網(wǎng)中測(cè)得相應(yīng)的電壓和電流信號(hào)，送到ADE7755中進(jìn)行電量計(jì)算，算出來(lái)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(guò)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(hào)是PT測(cè)得的電壓信號(hào)在經(jīng)過(guò)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(hào)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

　　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。如圖2所示，由電壓傳感器和電流傳感器得到電壓和電流信號(hào)分別經(jīng)兩路A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)送入電壓通道V2N、V2P和電流通道V1N、V1P。兩個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）對(duì)來(lái)自電流和電壓傳感器的電壓信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化，這兩個(gè)ADC都是16位二階Σ-Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換器，過(guò)采樣速率達(dá)900kHz。ADE7755的模擬輸入結(jié)構(gòu)具有寬動(dòng)態(tài)范圍，大大簡(jiǎn)化了傳感器接口（可與傳感器直接連接），也簡(jiǎn)化了抗混疊濾波器的設(shè)計(jì)。電流通道中的程控放大器（PGA）進(jìn)一步簡(jiǎn)化了傳感器接口。電流通道中的高通濾波器（HPF）濾掉電流信號(hào)中的直流分量，從而消除了由于電壓或電流失調(diào)所造成的有功功率計(jì)算上的誤差。有功功率是從瞬時(shí)功率信號(hào)推到計(jì)算出來(lái)的，瞬時(shí)功率信號(hào)時(shí)用電流和電壓信號(hào)直接相乘得到的。為了得到有功功率分量（即直流分量），只要對(duì)瞬時(shí)功率信號(hào)進(jìn)行低通濾波就可以了。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(guò)輸出頻率設(shè)置電路實(shí)現(xiàn)對(duì)CF口輸出頻率的設(shè)置，即電表常數(shù)的設(shè)置。

　　圖2 ADE7755的內(nèi)部框圖

　　ADE7755是一種高精度的電量計(jì)量芯片，在工頻情況下，在500：1的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，精度達(dá)到0.1%。技術(shù)指標(biāo)超過(guò)了IEC1036標(biāo)準(zhǔn)的要求。

　　唯一的模擬電路是模數(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(guò)F1和F2實(shí)時(shí)輸出功率信息，能直接驅(qū)動(dòng)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(jiǎn)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(guò)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)

　　通過(guò)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(chǔ)、修改電度表數(shù)值和通過(guò)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。

　　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(chǔ)。

　　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(chǎng)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(dòng)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(wú)關(guān)

　　CANDAT=0xFF；//bank1：驗(yàn)收屏蔽3無(wú)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(jí)寄存器

　　CANDAT=0xFF；//所有濾波器都為高優(yōu)先級(jí)

　　結(jié)束語(yǔ)

　　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(jiǎn)單易行。

　　本方案雖是針對(duì)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(duì)實(shí)際情況作相應(yīng)改動(dòng)以適用于不同的工業(yè)場(chǎng)合。