采用BL6523A計(jì)量芯片的智能電表方案

 根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)公司電網(wǎng)智能化建設(shè)規(guī)劃，在國(guó)家電網(wǎng)公司“計(jì)量、抄表和收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)研究”項(xiàng)目成果的基礎(chǔ)上，全國(guó)的大多數(shù)電表
電表

　　電表是電能表的簡(jiǎn)稱(chēng)，電表是用來(lái)測(cè)量電能的儀表，俗稱(chēng)電度表、火表、指測(cè)量各種電學(xué)量的儀表。 [全文]

企業(yè)均設(shè)計(jì)研發(fā)了符合新一代智能電網(wǎng)要求的電度表。在單相電度表的設(shè)計(jì)過(guò)程中，由于設(shè)計(jì)周期短，任務(wù)重，各個(gè)廠家對(duì)于設(shè)計(jì)芯片選型、硬件布局等還有待改進(jìn)的地方。本文針對(duì)上海貝嶺股份有限公司最新設(shè)計(jì)的符合國(guó)家電網(wǎng)公司要求的新一代智能電網(wǎng)的計(jì)量芯片BL6523A，從硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)上進(jìn)行分析。

　　BL6523A計(jì)量芯片是結(jié)合國(guó)內(nèi)外計(jì)量要求，集合防竊電技術(shù)、多項(xiàng)專(zhuān)利技術(shù)而設(shè)計(jì)的能實(shí)現(xiàn)包括電壓電流等多種電氣測(cè)量的計(jì)量芯片產(chǎn)品。

　　BL6523A的性能介紹和結(jié)構(gòu)分析及電氣測(cè)量原理

　　1.BL6523A的性能介紹

　　BL6523A是一款高精度、高穩(wěn)定性的計(jì)量芯片，其精度在輸入動(dòng)態(tài)工作范圍(1500:1)內(nèi)，非線性測(cè)量誤差小于0.1%；穩(wěn)定性高，輸出頻率波動(dòng)小于0.1%。BL6523A可精確測(cè)量正負(fù)兩個(gè)方向的有功功率，輸出快速輸出脈沖(CF)；具有兩個(gè)電流采樣端，采樣火線和零線電流；給出電壓和雙電流的有效值，以及可測(cè)量范圍(1500:1)。

　　BL6523A還具有電壓失壓和斷相檢測(cè)功能；芯片上有電源
電源

電源是向電子設(shè)備提供功率的裝置，也稱(chēng)電源供應(yīng)器，它提供計(jì)算機(jī)中所有部件所需要的電能。[全文]

電壓監(jiān)測(cè)電路，檢測(cè)掉電狀；具有防潛動(dòng)功能，可編程防潛閥值設(shè)置；同時(shí)具有可編程調(diào)整脈沖輸出的頻率；此外，BL6523A還具有可編程增益調(diào)整和相位補(bǔ)償；給出功率因子(PF)，計(jì)算功率因數(shù)；可按需要給出中斷請(qǐng)求信號(hào)(/IRQ)；提供SPI通信接口，用于數(shù)據(jù)傳輸。

　　BL6523A帶參考電壓源2.5V，也可使用外部2 . 5V電壓。芯片外接3.58MHz晶振
晶振

　　晶振：即所謂石英晶體諧振器和石英晶體時(shí)鐘振蕩器的統(tǒng)稱(chēng)。不過(guò)由于在消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品中，諧振器用的更多，所以一般的概念中把晶振就等同于諧振器理解了。后者就是通常所指鐘振。 [全文]

。芯片單工作電源5V，功耗(典型值)低至25mW。

　　2. BL6523A的內(nèi)部結(jié)構(gòu)BL6523A的結(jié)構(gòu)

　　如圖1所示。工作時(shí)，電流信號(hào)和電壓信號(hào)先分別經(jīng)高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后通過(guò)采樣濾波器
濾波器

　　凡是有能力進(jìn)行信號(hào)處理的裝置都可以稱(chēng)為濾波器。在近代電信裝備和各類(lèi)控制系統(tǒng)中，濾波器應(yīng)用極為廣泛；在所有的電子部件中，使用最多，技術(shù)最復(fù)雜要算濾波器了。濾波器的優(yōu)劣直接決定產(chǎn)品的優(yōu)劣，所以，對(duì)濾波器的研究和生產(chǎn)歷來(lái)為各國(guó)所重視。 [全文]

、高通濾波器(HPF)濾去高頻噪聲與直流增益，得到需要的電流采樣數(shù)據(jù)和電壓采樣數(shù)據(jù)。然后將這兩個(gè)數(shù)據(jù)相乘，便得到瞬時(shí)有功功率，接著經(jīng)過(guò)低通濾波器，輸出平均有功功率。電流采樣數(shù)據(jù)和電壓采樣數(shù)據(jù)分別通過(guò)平方電路、低通濾波器(LPF2)、開(kāi)平方電路，得到電流有效值和電壓有效值。有功功率通過(guò)一定時(shí)間的積分，可獲得有功能量。經(jīng)過(guò)數(shù)字信號(hào)的處理，通過(guò)SPI 接口輸出多種電氣數(shù)字量。

表1：BL6523A分頻系數(shù)選擇。

　　3.BL6523A其他重要寄存器使用

　　a.有功防潛動(dòng)閾值設(shè)置

　　如在Ib、Un情況下，有功功率寄存器0AH的值為249F0H(150000)，要求0.4%Ib能正常啟動(dòng)，則可將防潛動(dòng)閾值設(shè)為0.2%Ib對(duì)應(yīng)的有功功率，即12CH(300)；有功防潛動(dòng)閾值寄存器設(shè)定值為300/(2×1.36)＝110(06EH)。

　　b.反向指示閾值設(shè)置

　　如在Ib、Un情況下，有功功率寄存器0AH的值為249F0H(150000)，要求大于0.4%Ib能指示反相，則可將反相指示閾值設(shè)為0.4%Ib對(duì)應(yīng)的有功功率，即258H(600)；反相指示閾值寄存器設(shè)定值為600/(32×1.36)＝13(00DH)。

　　c.有功誤差調(diào)整

　　在1 0 0 % U n 、標(biāo)準(zhǔn)電流I b 1 . 0 下測(cè)試， 由校表臺(tái)獲得誤差E r r ， 如E r r 為負(fù)值，則WATTGN=；如Er r為正值， 則WAT T G N =(WATTGN：功率增益)。2EH電流A通道增益調(diào)整寄存器 A_CHGN；2FH電流B通道增益調(diào)整寄存器 B_CHGN；12位寄存器，補(bǔ)碼形式，增益調(diào)整范圍±50%。

　　d.相位調(diào)整

　　相位補(bǔ)償?shù)脑硎菍⒁粋€(gè)小的時(shí)間延時(shí)或超前引入信號(hào)處理電路以對(duì)小的相位誤差進(jìn)行補(bǔ)償。相位校正寄存器為8位寄存器；D7為使能位，=1時(shí)開(kāi)啟相位補(bǔ)償，=0時(shí)關(guān)閉相位補(bǔ)償；D6…D0為延時(shí)或超前時(shí)間，2.2us/1LSB。相應(yīng)的分辨率為360°× (1/450kHz)×50Hz=0.04°，最大可調(diào)5.08°。在100%Un，標(biāo)準(zhǔn)電流Ib 0.5L下測(cè)試，測(cè)得誤差Err，寄存器值=[int(θ/0.04-1)]&0x80，int為取整操作；如果Err為正值，改動(dòng)電流通道相位寄存器IAPHCAL、IBPHCAL；如果Err為負(fù)值，改動(dòng)電壓通道相位寄存器VPHCAL；1EH，電流A相位校正寄存器 IA_PHCAL；1FH，電流B相位校正寄存器 IB_PHCAL；20H，電壓相位校準(zhǔn)寄存器 V_PHCAL。

　e.小信號(hào)補(bǔ)償調(diào)整

　　小電流1.0情況下，如果小信號(hào)精度偏差較大，可通過(guò)調(diào)整有功功率偏置校準(zhǔn)寄存器來(lái)修正小信號(hào)偏差。1AH A通道有功功率偏置校準(zhǔn)寄存器A_WATTOS，僅影響A通道有功功率測(cè)量；1BH B通道有功功率偏置校準(zhǔn)寄存器B_WATTOS，僅影響B(tài)通道有功功率測(cè)量；均為12位寄存器，補(bǔ)碼形式，可調(diào)整范圍+2047~-2047；如小信號(hào)情況下，有功功率寄存器WATT(0AH)的數(shù)據(jù)為WATT_Data，有功功率誤差為Err，則有功功率偏置校準(zhǔn)寄存器的值為：int(WATT_Data×(-Err)/1.36)(int為取整)。舉例如下：如在5%Ib信號(hào)點(diǎn)的有功功率誤差為-0.45%，有功功率寄存器WATT(0AH)的數(shù)據(jù)為10,000，則有功功率偏置校準(zhǔn)寄存器的值為：10000×0.0045/1.36=33。

　　f.電壓電流的測(cè)量

　　在100%Un、標(biāo)準(zhǔn)電流Ib1.0情況下得到IARMS、IBRMS寄存器的值，電流有效值系數(shù)IkA=IARMS/Ib，IkB=IBRMS/Ib。而后用戶可以根據(jù)讀取的IARMS、IBRMS寄存器的值除以IkA、IkB，獲得實(shí)際的電流顯示值。05h，電流A有效值寄存器IARMS；06h，電流B有效值寄存器IBRMS。在100%Un電壓情況下得到VRMS寄存器的值，電壓有效值系數(shù)Uk=VRMS/Un。07h，電壓有效寄存器V_RMS。

　　g.功率因數(shù)COS∮的測(cè)量，可以直接讀取PF(08)寄存器。

　　h.有功功率和視在功率測(cè)量，直接讀取相關(guān)寄存器(WATT(0A)，VA(0B))。

　　4.BL6523A的校準(zhǔn)及初始化過(guò)程

　　第一步，MCU上電，延時(shí)等待400Ms；第二步，對(duì)BL6523A的寫(xiě)寄存器的初始值依次寫(xiě)入，完成參數(shù)設(shè)置及芯片初始化。校準(zhǔn)過(guò)程包括了A通道有功校準(zhǔn)、B通道有功校準(zhǔn)、電流電壓有效值校準(zhǔn)、有功功率校準(zhǔn)、視在功率校準(zhǔn)等。

　　BL6 5 2 3A正常工作過(guò)程：第一、保證BL6532A初始化過(guò)程的正確性。第二、讀取BL6523A的有用信息。第三、監(jiān)控BL6523A的工作狀態(tài)，一般監(jiān)控效驗(yàn)寄存器CHKSUM的正確性。

　　BL6523A的校表過(guò)程如圖4所示。

圖4：BL6523初始化及校準(zhǔn)過(guò)程。

圖5：BL6523A 快速校表流程。

　　5. BL6523使用中需注意的問(wèn)題

　　(1)PCB板的地線布置對(duì)電磁干擾的防范很重要；(2)輸入模擬信號(hào)盡量平行對(duì)稱(chēng)；(3)晶振的放置位置不要靠近PCB板邊。

　　電表整體性能測(cè)試結(jié)果

　　電表的誤差從測(cè)試及實(shí)際使用數(shù)據(jù)看，計(jì)量精度完全滿足要求。1.電表能在0.5~1.3Un范圍內(nèi)準(zhǔn)確測(cè)量輸入電壓值。2.測(cè)量電流：輸入電壓220V，使用錳銅測(cè)量能在50mA~100ma的范圍內(nèi)準(zhǔn)確測(cè)量，使用互感器方式，可以在10mA~100A的范圍內(nèi)準(zhǔn)確測(cè)量。3.測(cè)量功率：從最大22,000W到最小測(cè)量功率在啟動(dòng)電流狀態(tài)下的4.4W能準(zhǔn)確測(cè)量。4.測(cè)量功率因數(shù)：輸入電壓220V，功率因數(shù)能從Imax(最大電流)到工作電流在200mA被準(zhǔn)確測(cè)量。5.通過(guò)測(cè)試，BL6523A對(duì)于EMC的抗干擾能力無(wú)論是帶負(fù)載或空載情況下都很強(qiáng)。

　　結(jié)論

　　通過(guò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，驗(yàn)證了BL6523A完全符合國(guó)家電網(wǎng)公司的新一代智能電表的要求標(biāo)準(zhǔn)，其優(yōu)異的性能、優(yōu)秀的抗干擾性使硬件設(shè)計(jì)變得簡(jiǎn)單可靠，軟件設(shè)計(jì)沿用通用的接口方式，便于電表應(yīng)用工程師的程序設(shè)計(jì)。此外，BL6523A還可以用于其他工業(yè)電氣測(cè)量和民用電氣測(cè)量領(lǐng)域。