摘要：为满足新能源电气设备的需要，本文以NXP公司的LPC1752和珠海炬力集团的ATT7022 A为核心，设计一种新型既包括电压、电流等基本参数，又包括正反向有功电能、正反向无功电能计量的智能电表。本设计还能有效去除电网中的谐波干扰成分，具有很高的性价比，满足未来市场的需求。
论文关键词：ATT7022,双向电表,ZLG7290,ARMCortex-M3
1系统设计
本电表的系统设计，主要由高精度多功能三相电能专用计量芯片ATT7022 A，以Cortex M-3为内核的LPC1752，数码管显示驱动及键盘扫描管理芯片ZLG7290B，EEROM等几部分组成。其硬件系统框图如图1
图1 硬件系统框图
2硬件设计
2.1 测量单元
测量单元主要是由珠海炬力集团生产的ATT7022 A芯片为核心。ATT7022A 采用单+ 5 V供电,QFP44封装。该芯片内部集成了6路16位的ADC，采用双端差分信号输入。输入最大的正弦信号有效值是1V。本文选取将电压通道Un对应到ADC的输入选在0.5V左右。电流通道Ib的ADC输入选在0.1V左右。
ADC前段将芯片与电网进行隔离，使电路具有较好的抗干扰性。电压采样通过电压互感的方式如图2，电压互感器规格选择220V/0.5V，额定电压输入时电压差动输入电压有效值为0.5V左右。
图2 电压采样
电流互感器电流采样是通过电流互感器差分方式完成的,规格是1.5(6)A/5mA，负载为 20Ω。如图3
图3 电流采样
有功功率的测量是通过对去直流分量后的电流、电压信号进行乘法、加法、数字滤波等一系列数字信号处理后得到的。电流、电压采样数据中包含高达21次的谐波信息，依据公式
计算得到的有功功率也至少包含21次谐波信息。有功功率测量原理如图4，合相有功功率Pt=Pa+Pb+Pc.
图4 有功功率测量
瞬时有功功率对时间积分就得到了有功能量。单相有功能量 。正向有功电能寄存器（0x40到 0x43 ）分别记录A、B、C、合相的正向有功电能；反向有功电能寄存器（0x44 到0x47 ）分别记录A、B、C、合相的反向有功电能。根据读取寄存器的值，就能得到当前电能的情况，从而实现双向电表计量的功能。
2.2 中央处理单元
中央处理单元采用NXP公司生产的，以ARM Cortex-M3为内核的LPC1752微控制器。具有高集成度，低功耗，最高运行频率为100MHz。该芯片能很好的满足电表所需的多通讯接口，现场工业环境的要求。使系统具有较高的可靠性和抗干扰能力。
2.3 人机交互单元
广州周立功单片机发展有限公司自行设计的数码管显示驱动及键盘扫描管理芯片。能够直接驱动8 位共阴式数码管（或64只独立的LED），同时还可以扫描管理多达64只按键。采用 I2C 总线方式，与微控制器的接口仅需两根信号线，节省I/O 资源。该芯片为工业级芯片，抗干扰能力强，在工业测控中已有大量应用。键盘部分有个键，分别是设置、选择、调节和确认。来切换个参数的显示与调节，以及读/取存储单元的数据。8位共阴式数码管显示A、B、C合相电压、电流、有功/无功功率及电能等参数。
2.4 其它单元
存储单元：CAT24C161是集EEPROM存储器，复位控制器和看门狗定时器三种流行功能于一体的芯片。以I2C总线方式与主机进行通讯。
3软件设计
3.1 软件设计
由于采用的三相电能计量芯片，可以使CPU省去A/D采样处理等运算，CPU只需对电能计量芯片进行操作即可，大大简化了软件程序。软件流程图如图5所示。
初始化包括LPC1752的I/O口、SPI、UART、键盘显示、计量芯片的初始化。
软件校表时，对电压、电流校正，启动电流及断相阈值的设置没有顺序上的要求。但在进行功率校正是，先设置合相电能累加模式，电压通道ADC增益和高频输出，然后做功率增益校正，再进行相位校正。
所有的校正都是在相应的校表寄存器参数为零的条件下进行的。
键盘、显示程序主要是对ZLG7290的操作来实现相应的功能。
图5 软件流程图
4结束语
该双向电表采用了ATT7022电能专用计量芯片，使得整个电路简单化，电压、电流采集端过滤了一部分干扰，协同软件校表具有较高的精确度和稳定性。同时ZLG7290本身具有键盘自动去抖、连击键计数，LED闪烁等功能，都降低了CPU的工作负荷。该电表稳定性好，抗干扰能力强，可靠性高，使用寿命长，功能齐全，实现了双向计费功能，在未来具有很高的实用价值。
作者简介：
李俊峰，男，河北保定，1984年生, 现就读于中国矿业大学（北京）机电与信息工程学院，研究生二年级，专业：电路与系统。邮码:100083。E-mail: lijunfeng_518@163.com
高峰，男，四川宜宾，1989年生，现就读于中国矿业大学（北京）机电与信息工程学院，研究生二年级，专业：电力系统及其自动化。
贾少才 ，男。北京大兴，1986年生，现就读于中国矿业大学（北京）机电与信息工程学院，研究生三年级，专业：电路与系统。邮码:100083，E-mail: jiashaocai307@126.com
通讯作者：
李俊峰，男，河北保定，1984年生, 现就读于中国矿业大学（北京）机电与信息工程学院，研究生二年级，专业：电路与系统。邮码:100083。Tel E-mail: lijunfeng_518@163.com
【参考文献】
[1]周立功等．ARM微控制器基础与实战ARM微控制器基础与实战[M]．北京:北京航空航天大学出版社,2003
[2]李佳等．ARM系列处理器应用技术完全手册[M]．北京:人民邮电出版社,2006
[3]胡伟等．ARM嵌入式系统基础与实践[M]．北京:北京航空航天大学出版社,2007
[4]李岩，韩劲松．基于ARM嵌入式系统接口技术[M]．北京：清华大学出版社，2009
[5]珠海炬力集成电路设计有限公司．ATT7022A用户手册[z]．2005．
[6]郭志华, 李平舟, 尹应鹏, 等. 基于ATT7022B和
ARM微处理器的多功能三相电力仪表的设计与实
现[J].电子元器件应用, 2008( 3), 1-3, 7.
|
