基于ADE7755的帶CAN總線的工業用電度表設計

　　引言
　　
　　隨著計算機網絡技術、集成芯片技術和現場總線技術的不斷發展，對工業用電度表的計量精度和電量數據傳輸實時性的要求在不斷提高。我國目前電力機車上裝備的電度表基本上都是傳統的機械式電度表，雖然機械式電度表存在抗干擾和抗震動性好的優點，但是其精度差，電量數據需要人為讀數不能實時傳輸等弊端。

         ADE7755是AD7755的增強版，解決了AD7755的F1、F2與CF端輸出不同步以及低功率下無輸出的問題。也即AD7755在負載在8-13mA時F1、F2無輸出而CF有輸出，在小于8mA的負載下兩者均無輸出，造成較大計量誤差。兩者在其他方面基本沒有差別，先AD7755已經停產，ADE7755的數據手冊基本沿用以前的AD7755，略有改動而已。ADE7755是一種高準確度電能計量集成電路，其技術指標超過了IEC1036規定的準確性要求。ADE7755只在模數轉換器（ADC）與基準源中使用模擬電路，所有其他信號處理（如相乘輿濾波）都使用數字電路，這使ADE7755在惡劣的環境下依然能保持較高的準確度和長期穩定性。

         ADE7755引腳F1和F2以較低頻率形式輸出有功功率平均值，能直接驅動機電式計度器或MCU接口。引腳CF以較高頻率形式輸出有功功率瞬時值，用于校驗或與MCU接口。ADE7755內部包含一個對AVdd電源引腳監控電路。當Avdd上升到4V之前，ADE7755一直保持在復位狀態。當AVdd下降到4V以下，ADE7755也被復位，此時F1,F2和CF都沒有輸出。
　　
　　1、硬件電路設計
　　
　　目前廣泛使用機械式、電磁型和機電型等電度表普遍存在一個不能實時傳輸電量數據的缺陷，且各自又有或精度差或抗*力差等弱點。作者結合當前普遍流行的現場總線技術和AD公司的ADE7755電量計量芯片以及飛利普公司的P87C591單片機，內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范圍內相位誤差不大于±0.1度），無論通道1內的高通濾波器（HPL）是接通還是斷開的。內部的空載閥值特性保證ADE7755在空載時沒有潛動。
　　
　　總體電路框圖如圖1所示：　　　　
　　圖1中，由PT和CT在電網中測得相應的電壓和電流信號，送到ADE7755中進行電量計算，算出來的功率值分兩種，一種是低頻的平均功率值，送往機電式電度表用于顯示；另一種是高頻瞬時功率值，送入帶CAN總線控制器的P87C591單片機，根據上位機的要求算出目前使用的電量值，并通過CAN總線，與上位機之間實現通信。
　　
　　其中電壓輸入通道（V2N，V2P）輸入電壓信號是PT測得的電壓信號在經過預防電磁干擾作用的鐵氧體和衰減網絡后進入的。
　　
　　在電流和電壓信號的輸入端，進行了相應的濾波處理，以增強抗*力。　　
　　2、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有功功率，再由瞬時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分別經兩路A/D轉換器轉換成數字信號送入電壓通道V2N、V2P和電流通道V1N、V1P。兩個模數轉換器（ADC）對來自電流和電壓傳感器的電壓信號進行數字化，這兩個ADC都是16位二階Σ-Δ模數轉換器，過采樣速率達900kHz。ADE7755的模擬輸入結構具有寬動態范圍，大大簡化了傳感器接口（可與傳感器直接連接），也簡化了抗混疊濾波器的設計。電流通道中的程控放大器（PGA）進一步簡化了傳感器接口。電流通道中的高通濾波器（HPF）濾掉電流信號中的直流分量，從而消除了由于電壓或電流失調所造成的有功功率計算上的誤差。有功功率是從瞬時功率信號推到計算出來的，瞬時功率信號時用電流和電壓信號直接相乘得到的。為了得到有功功率分量（即直流分量），只要對瞬時功率信號進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Gin為輸入增益，F1-4為可由主時鐘CLKIN獲得的分頻，Uref為基準電壓，K為比例系數。
　　
　　ADE7755的外圍電路中，通過輸出頻率設置電路實現對CF口輸出頻率的設置，即電表常數的設置。　　　　
　　ADE7755是一種高精度的電量計量芯片，在工頻情況下，在500：1的動態范圍內，精度達到0.1%。技術指標超過了IEC1036標準的要求。
　　
　　*的模擬電路是模數轉換電路，其他電路都是采用數字電路，這保證了該芯片具有足夠的抗干擾的能力。通過F1和F2實時輸出功率信息，能直接驅動電度表計數器或直接和單片機連接。
　　
　　3、電源電路的設計
　　
　　ADE7755所用的+2.5V基準電壓是用AD780實現的，其接口電路簡單。5V的基準電源電路如圖3所示：　　　　
　　經過此電路可以在電源模塊MC7805的3端得到+5V的基準電源。其中R25為壓敏變阻器。
　　
　　P87C591外圍電路和CAN總線部分設計
　　
　　通過P87C591電路可以實現時間內用電量的計算、數據存儲、修改電度表數值和通過圖4所示的CAN總線收發電路實現與上位機的通信。　　　　
　　連接P87C591和單片機之間的芯片是P82C250。圖4這部分電路的原理可以參考有關CAN總線設計方面的資料，這里也不再闡述。
　　
　　3、軟件部分設計
　　
　　本方案的軟件部分主要由主程序和中斷服務子程序組成。其中主程序完成的功能有芯片和CAN總線的初始化、進行電量的計算和存儲。
　　
　　中斷服務子程序完成的功能是利用CAN總線實現和主機之間的通信和電表初值的設定。其中電表初值設置由上位機完成，這樣可以節省單片機的外圍電路并且可以防止現場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（）
　　
　　{
　　
　　//進入CAN控制器復位模式
　　
　　CANMOD=0x01；//將CAN控制器設置為復位模式以啟動初始化
　　
　　//TXDCPort（P1.1）配置
　　
　　//管腳TXDC設置為推挽模式
　　
　　P1M2=P1M2|0x02；//P1M2.1=’1’，P1M1.1=’0’（默認）
　　
　　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->samplepoint～81%
　　
　　//驗收濾波器的配置--Bank1的濾波器1配置為接收ID=010.0000.0xxx
　　
　　CANADR=ACR10；//將地址設置到驗收代碼寄存器0（Bank1）
　　
　　CANDAT=0x50；//驗收代碼0用于濾波
　　
　　CANDAT=0xE0；
　　
　　CANADR=AMR10；//將地址設置到驗收屏蔽寄存器0（Bank1）
　　
　　CANDAT=0x00；//bank1：驗收屏蔽0
　　
　　CANDAT=0x0F；//bank1：驗收屏蔽1只與高四位有關
　　
　　CANDAT=0xFF；//bank1：驗收屏蔽2無關
　　
　　CANDAT=0xFF；//bank1：驗收屏蔽3無關
　　
　　CANADR=ACFMOD；//將地址設置到ACF模式寄存器
　　
　　CANDAT=0x55；//單驗收濾波器使用11位ID（SFF）
　　
　　CANADR=ACFPRIO；//將地址設置到ACF優先級寄存器
　　
　　CANDAT=0xFF；//所有濾波器都為高優先級
　　
　　4、結束語
　　
　　綜上所述，由于ADE7755是電量計量芯片，且具有抗干擾的優點，而P87C591及其外圍電路也是當前成熟的技術，其可靠性和抗干擾性都得到了實際驗證，所以本方案簡單易行。
　　
　　本方案雖是針對改進電力機車電度表而設計的。但由于電力機車工作于諧波污染嚴重工況，所以可以根據本方案針對實際情況作相應改動以適用于不同的工業場合。