基于MSP430與ATT7022B的四遙測(cè)量模塊

1、前言

所謂四遙― 是“遙測(cè)、遙信、遙控、遙調(diào)”技術(shù)的簡(jiǎn)稱，“遙測(cè)”是指利用電子技術(shù)遠(yuǎn)方測(cè)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(shù)。該電力“四遙”測(cè)量模塊采用16位的430單片機(jī)與集成電能芯片ATT7022B，具有準(zhǔn)確度高，誤差曲線平直，性能穩(wěn)定可靠，自身?yè)p耗低，而且功能容易擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)．該電能芯片具有SPI接口, 外部微處理器可通過(guò)此接口讀取原始值，再根據(jù)相應(yīng)的計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算，最后得到各項(xiàng)電力參數(shù)的測(cè)量值。
2、系統(tǒng)介紹

遙測(cè)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(jīng)投入實(shí)際使用。但是基于MSP430 單片機(jī)，采用高度集成的采集芯片ATT7022B進(jìn)行電流和電壓采樣的模塊還沒(méi)有廣泛投產(chǎn)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(fù)雜，難于調(diào)試，更沒(méi)有采用專用的電能表的采用芯片。

圖1是遙測(cè)模塊的硬件組成，合理的把TI 的MSP430F449單片機(jī)和珠海炬力的ATT7022B電能采集芯片集合，發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，避開復(fù)雜的采樣電路的設(shè)計(jì)。

2.1、硬件部分：

MSP430F449單片機(jī)

T1公司的MSP430系列單片機(jī)是一種具有超低功耗的功能強(qiáng)大的16位單片機(jī)。新開發(fā)的F系列具有Flash存儲(chǔ)器，如F449就具有60KB的Flash，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)，開發(fā)調(diào)試及實(shí)際應(yīng)用上比其他MCU都有比較明顯的優(yōu)勢(shì)。

（1）、超低功耗

MSP430F系列運(yùn)行在1MHZ時(shí)鐘的條件下時(shí)，工作模式不同為0.1~400uA,工作電壓為1.8~3.6V。

（2）、超強(qiáng)處理能力

8MIPS的CPU內(nèi)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(nèi)寄存器數(shù)多，可以實(shí)現(xiàn)多種運(yùn)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(shè)備。這些外圍設(shè)備功能相當(dāng)強(qiáng)大：12位A/D，精密模擬比較器，硬件乘法器，2組頻率可以達(dá)到8MHZ的時(shí)鐘模塊，2個(gè)帶有許多捕獲比較的16位定時(shí)器，看門狗功能，2個(gè)可實(shí)現(xiàn)異步和同步及多址訪問(wèn)的串行通信接口，數(shù)十個(gè)可實(shí)現(xiàn)方向的設(shè)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(chǔ)器，這一特點(diǎn)使得它的開發(fā)工具相當(dāng)簡(jiǎn)便。利用單片機(jī)自身帶有的JTAG接口或片內(nèi)BOOT ROM內(nèi)固化的默認(rèn)的加載程序載入器Bootstrap可以進(jìn)行串口或并口，通過(guò)UART將程序代碼裝入Flash 存貯器中。 可以在一臺(tái)PC及一個(gè)小JATAG控制器的幫助下實(shí)現(xiàn)程序的下載，方便的完成在線程序調(diào)試。

ATT7022B電能芯片

ATT7022B是珠海炬力集成電路設(shè)計(jì)有限公司生產(chǎn)的一款高精度三相電能計(jì)量芯片，該芯片對(duì)有功、無(wú)功功率的測(cè)量精度分別達(dá)到0.2s和0.5s，所能測(cè)量的電參數(shù)包括有功、無(wú)功、視在功率、雙向有功和四角限無(wú)功電能；電壓和電流有效值；相位、頻率等。ATT7022B具有計(jì)量參數(shù)齊全、校表功率完善等優(yōu)點(diǎn)，簡(jiǎn)化了軟件設(shè)計(jì)，縮短了軟件開發(fā)周期。特別是AT7022B可支持全數(shù)字校表，即軟件校表。軟件校表可提高校表精度、簡(jiǎn)化硬件設(shè)計(jì)、降低設(shè)計(jì)成本，為三相多功能計(jì)量裝置提供了功能更加齊全、設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)單的應(yīng)用方案。

（1）工作原理

  ATT7022B首先通過(guò)6通道16位∑-Δ的ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換電路來(lái)對(duì)輸入電流和電壓信號(hào)進(jìn)行采樣，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量再經(jīng)過(guò)24位DSP數(shù)字信號(hào)處理以完成全部三相電能參數(shù)的運(yùn)算，同時(shí)將結(jié)果保存在相應(yīng)的寄存器中并通過(guò)SPI口與MCU進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，DSP模塊同時(shí)還生成有功/無(wú)功電能脈沖輸出CF1/CF2，可用于現(xiàn)場(chǎng)校表。ATT7022在設(shè)計(jì)中已考慮到校表的方便性，采用全數(shù)字校表，只需適當(dāng)修改校表寄存器即可實(shí)現(xiàn)校表功能。

(2) 串行SPI接口[!--empirenews.page--]

ATT7022提供有標(biāo)準(zhǔn)的SPI接口，可與帶SPI口的MCU直接連接，也可用適當(dāng)?shù)腎/O口線仿真SPI總線，其仿真讀寫程序很容易實(shí)現(xiàn)。

ATT7022的一個(gè)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(dāng)命令中包括一個(gè)寫入命令時(shí)，在其后的24個(gè)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(dāng)發(fā)出一個(gè)讀取命令時(shí)，串口將根據(jù)發(fā)出的命令來(lái)進(jìn)行尋址，然后在其后的24個(gè)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(shí)，SCLK為高，數(shù)據(jù)在DOUT引腳上有效。而在寫寄存器時(shí)，數(shù)據(jù)則在SCLK的下降沿從DIN引腳讀入，這一點(diǎn)在仿真SPI讀寫操作子程序時(shí)應(yīng)引起注意，否則讀寫寄存器將出錯(cuò)。ATT7022B的讀寫時(shí)序見(jiàn)下圖2所示。

(3)寄存器配置及校表方法

ATT7022B的寄存器分為計(jì)量參數(shù)和校表參數(shù)兩部分。器件中的計(jì)量參數(shù)寄存器多達(dá)82個(gè)，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(kuò)展。計(jì)量參量的計(jì)算全部由硬件完成，用戶只需進(jìn)行單位換算就可得到測(cè)量值。
    校表參數(shù)寄存器包括相位補(bǔ)償設(shè)置、功率增益、相位校正、電壓/電流校正、比差補(bǔ)償設(shè)置、啟動(dòng)電流、高頻脈沖輸出設(shè)置、斷相閾值電壓設(shè)置和合相能量累加模式等36個(gè)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(kuò)展。應(yīng)當(dāng)說(shuō)明的是，兩個(gè)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(guò)讀寫命令來(lái)區(qū)分。

校表是電能表設(shè)計(jì)中非常重要的環(huán)節(jié)，ATT7022B上電復(fù)位后，校表寄存器的初始數(shù)據(jù)為默認(rèn)值，此時(shí)讀出的計(jì)量參數(shù)值和實(shí)際參數(shù)值不符，因而需要對(duì)校表寄存器進(jìn)行設(shè)置，以將測(cè)量值減小到誤差范圍之內(nèi)。校表可按高頻輸出參數(shù)設(shè)置、比差補(bǔ)償區(qū)域設(shè)置、角差補(bǔ)償區(qū)域設(shè)置、功率增益校正、相位校正、啟動(dòng)電流設(shè)置、功率增益校正、參量累加模式設(shè)置、電壓校正、電流校正的先后順序進(jìn)行?，F(xiàn)以電壓增益的校準(zhǔn)為例簡(jiǎn)要說(shuō)明AT7022B的校表方法，其它參數(shù)校準(zhǔn)請(qǐng)參照該芯片的參考文獻(xiàn)。

電壓增益校正UgainA、UgainB、UgainC:在ATT7022初始化時(shí)，Ugain為0，標(biāo)準(zhǔn)表上讀出的電壓有效值為Ur，通過(guò)SPI口讀出的測(cè)量電壓有效值寄存器的值為Datau。此時(shí)，如實(shí)際電壓有效值Ur，測(cè)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(jié)果的整數(shù)部分。

（4）互感器參數(shù)選擇

選用的電流互感器規(guī)格為5A/2.5mA，精度是0.05級(jí)，負(fù)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(guò)110K功率電阻把220v電壓信號(hào)轉(zhuǎn)變成2mA電流信號(hào)，負(fù)載電阻為250Ω。這樣在輸入額定電流、額定電壓時(shí)，其電流、電壓差動(dòng)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(diǎn)

ATT7022B能夠提供的計(jì)量參數(shù)除瞬時(shí)有功功率、無(wú)功功率、視在功率、有功電能、無(wú)功電能、功率因數(shù)、相位、電壓有效值、電流有效值、瞬時(shí)合相電流值、線電壓頻率值、四象限無(wú)功、正向和反向有功電能外，還包括缺相、相序錯(cuò)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(shù)的測(cè)量。

 2.2、軟件部分

　　對(duì)于MSP430單片機(jī)，由TI 公司自帶的嵌入式軟件開發(fā)平臺(tái)IAR EMBEDDED WORKBENCH。該軟件可對(duì)開發(fā)系統(tǒng)進(jìn)行在線調(diào)試，帶有C 編譯器，可采用高效、便捷、通用的C語(yǔ)言編程。

通過(guò)MSP430F449的P4.2—P4.5端口對(duì)ATT7022B芯片進(jìn)行同步數(shù)據(jù)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(gè)口定義成同步串行通信口，P4.3 利用TXBUF 發(fā)送數(shù)據(jù)，P4.4利用RXBUF接受數(shù)據(jù)，P4.5提供同步CLK信號(hào)。如果定義同步發(fā)送與接受數(shù)據(jù)位數(shù)是8位的話，這樣利用TXBUF發(fā)送8位的地址數(shù)據(jù)一次就完成，與普通的數(shù)據(jù)發(fā)送沒(méi)有什么區(qū)別，但是利用RXBUF接受24位的寄存器數(shù)據(jù)，需要連續(xù)接受三次。通過(guò)實(shí)際調(diào)試發(fā)現(xiàn)，這種通信方式對(duì)時(shí)序要求極為嚴(yán)格，使用起來(lái)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(guò)程序控制P4.5 產(chǎn)生高低電平，通過(guò)P4.3輸出8位的地址數(shù)據(jù)，在8個(gè)CLK脈沖信號(hào)下就可以完成，然后緊接著通過(guò)P4.4 接受24位的寄存器數(shù)據(jù)，在24個(gè)CLK脈沖信號(hào)下就可以完成。這種通信方式使用起來(lái)操作性較強(qiáng)，簡(jiǎn)易實(shí)用。

3、 結(jié)束語(yǔ)

本模塊作為電力四遙監(jiān)控系統(tǒng)的測(cè)量單元，所涉及到的軟硬件均通過(guò)了實(shí)驗(yàn)調(diào)試，工作正常，性能穩(wěn)定。該模塊可以單獨(dú)作為三相電能表使用，也可以外加顯示模塊、遙信模塊、遙測(cè)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(yīng)用于電力系統(tǒng)的各種配電設(shè)備中。