基于ADE7755的带CAN总线的工业用电度表设计 - 全文

引言

　　随着计算机网络技术、专用集成芯片技术和现场总线技术的不断发展，对工业用电度表的计量精度和电量数据传输实时性的要求在不断提高。我国目前电力机车上装备的电度表基本上都是传统的机械式电度表，虽然机械式电度表存在抗干扰和抗震动性好的优点，但是其精度差，电量数据需要人为读数不能实时传输等弊端。ADE7755是AD7755的增强版，解决了AD7755的F1、F2与CF端输出不同步以及低功率下无输出的问题。也即AD7755在负载在8-13mA时F1、F2无输出而CF有输出，在小于8mA的负载下两者均无输出，造成较大计量误差。两者在其他方面基本没有差别，先AD7755已经停产，ADE7755的数据手册基本沿用以前的AD7755，略有改动而已。ADE7755是一种高准确度电能计量集成电路，其技术指标超过了IEC1036规定的准确性要求。ADE7755只在模数转换器（ADC）与基准源中使用模拟电路，所有其他信号处理（如相乘舆滤波）都使用数字电路，这使ADE7755在恶劣的环境下依然能保持较高的准确度和长期稳定性。ADE7755引脚F1和F2以较低频率形式输出有功功率平均值，能直接驱动机电式计度器或MCU接口。引脚CF以较高频率形式输出有功功率瞬时值，用于校验或与MCU接口。ADE7755内部包含一个对AVdd电源引脚监控电路。当Avdd上升到4V之前，ADE7755一直保持在复位状态。当AVdd下降到4V以下，ADE7755也被复位，此时F1,F2和CF都没有输出。

　　硬件电路设计

　　目前广泛使用机械式、电磁型和机电型等电度表普遍存在一个不能实时传输电量数据的缺陷，且各自又有或精度差或抗干扰能力差等弱点。作者结合当前普遍流行的现场总线技术和AD公司的ADE7755电量计量专用芯片以及飞利普公司的P87C591单片机，内部相位匹配电路使电压和电流通道的相位始终是匹配的（45-65Hz范围内相位误差不大于±0.1度），无论通道1内的高通滤波器（HPL）是接通还是断开的。内部的空载阀值特性保证ADE7755在空载时没有潜动。

　　总体电路框图如图1所示：

 

　　图1 总体电路框图

　　图 1中，由PT和CT在电网中测得相应的电压和电流信号，送到ADE7755中进行电量计算，算出来的功率值分两种，一种是低频的平均功率值，送往机电式电度表用于显示；另一种是高频瞬时功率值，送入带CAN总线控制器的P87C591单片机，根据上位机的要求算出目前使用的电量值，并通过CAN总线，与上位机之间实现通信。

　　其中电压输入通道（V2N，V2P）输入电压信号是PT测得的电压信号在经过预防电磁干扰作用的铁氧体和衰减网络后进入的。

　　在电流和电压信号的输入端，进行了相应的滤波处理，以增强抗干扰能力。

　　ADE7755工作原理

　　

 

　　ADE7755是一种采用电压和电流直接相乘的方法得到瞬时有功功率，再由瞬时有功功率求出平均有功功率。如图2所示，由电压传感器和电流传感器得到电压和电流信号分别经两路A/D转换器转换成数字信号送入电压通道V2N、V2P和电流通道V1N、V1P。两个模数转换器（ADC）对来自电流和电压传感器的电压信号进行数字化，这两个ADC都是16位二阶Σ-Δ模数转换器，过采样速率达900kHz。ADE7755的模拟输入结构具有宽动态范围，大大简化了传感器接口（可与传感器直接连接），也简化了抗混叠滤波器的设计。电流通道中的程控放大器（PGA）进一步简化了传感器接口。电流通道中的高通滤波器（HPF）滤掉电流信号中的直流分量，从而消除了由于电压或电流失调所造成的有功功率计算上的误差。有功功率是从瞬时功率信号推到计算出来的，瞬时功率信号时用电流和电压信号直接相乘得到的。为了得到有功功率分量（即直流分量），只要对瞬时功率信号进行低通滤波就可以了。低频端口F1和F2的输出脉冲频率freq与高频端口CF输出脉冲频率fCF可由下式确定：

　　其中系数Gin为输入增益，F 1-4为可由主时钟CLKIN获得的分频，Uref为基准电压，K为比例系数。

　　ADE7755的外围电路中，通过输出频率设置电路实现对CF口输出频率的设置，即电表常数的设置。

　　图2 ADE7755的内部框图

　　ADE7755是一种高精度的电量计量芯片，在工频情况下，在500：1的动态范围内，精度达到0.1%。技术指标超过了IEC1036标准的要求。

　　唯一的模拟电路是模数转换电路，其他电路都是采用数字电路，这保证了该芯片具有足够的抗干扰的能力。通过F1和F2实时输出功率信息，能直接驱动电度表计数器或直接和单片机连接。

　　

电源电路的设计

　　ADE7755所用的+2.5V基准电压是用AD780实现的，其接口电路简单。5V的基准电源电路如图3所示：

　　图3 5V基准电源电路

　　经过此电路可以在电源模块MC7805的3端得到+5V的基准电源。其中R25为压敏变阻器。

　　P87C591外围电路和CAN总线部分设计

　　通过P87C591电路可以实现指定时间内用电量的计算、数据存储、修改电度表数值和通过图4所示的CAN总线收发电路实现与上位机的通信。

　　图4 CAN总线收发电路

　　连接P87C591和单片机之间的芯片是P82C250。图4这部分电路的原理可以参考有关CAN总线设计方面的资料，这里也不再阐述。

　　软件部分设计

　　本方案的软件部分主要由主程序和中断服务子程序组成。其中主程序完成的功能有芯片和CAN总线的初始化、进行电量的计算和存储。

　　中断服务子程序完成的功能是利用CAN总线实现和主机之间的通信和电表初值的设定。其中电表初值设置由上位机完成，这样可以节省单片机的外围电路并且可以防止现场人为恶意的更改电量值。其中CAN总线的初始化程序如下：

　　voidinit_can_controller（）

　　{

　　//进入CAN控制器复位模式

　　CANMOD=0x01；　//将CAN控制器设置为复位模式以启动初始化

　　//TXDCPort（P1.1）配置

　　//管脚TXDC设置为推挽模式

　　P1M2=P1M2|0x02；//P1M2.1=’1’，P1M1.1=’0’（默认）

　　CANADR=BTR0； //BTR0和BTR1编程为125kbit/s@12MHz

　　CANDAT=0x45；

　　CANADR=BTR1；//TSEG1=12，TSEG2=3，SJW=2

　　CANDAT=0x2B；//Sample=1->sample point～81%

　　//验收滤波器的配置-- Bank1的滤波器1配置为接收ID=010.0000.0xxx

　　CANADR=ACR10；//将地址设置到验收代码寄存器0（Bank1）

　　CANDAT=0x50；//验收代码0用于滤波

　　CANDAT=0xE0；

　　CANADR=AMR10；//将地址设置到验收屏蔽寄存器0（Bank1）

　　CANDAT=0x00；//bank1：验收屏蔽0

　　CANDAT=0x0F；//bank1：验收屏蔽1只与高四位有关

　　CANDAT=0xFF；//bank1：验收屏蔽2无关

　　CANDAT=0xFF；//bank1：验收屏蔽3无关

　　CANADR=ACFMOD；//将地址设置到ACF模式寄存器

　　CANDAT=0x55；//单验收滤波器使用11位ID（SFF）

　　CANADR=ACFPRIO；//将地址设置到ACF优先级寄存器

　　CANDAT=0xFF；//所有滤波器都为高优先级

　　结束语

　　综上所述，由于ADE7755是专用电量计量芯片，且具有抗干扰的优点，而P87C591及其外围电路也是当前成熟的技术，其可靠性和抗干扰性都得到了实际验证，所以本方案简单易行。

　　本方案虽是针对改进电力机车电度表而设计的。但由于电力机车工作于谐波污染严重工况，所以可以根据本方案针对实际情况作相应改动以适用于不同的工业场合。