基于专用芯片组的电参量丈量模块

    先容美国Ateml公司新型专用电能量丈量专用芯片组AT73C500/501的性能指标和事变原理；给出采取此芯片组的电参数丈量模块应用计划要点和抗滋扰计划要领，并利用PC机编写主动参数校准软件，实现快速正确配置模块丈量系数；实现大略通用的智能电参量丈量模块。

    近向年来，外洋很多IC计划制造公司推出了系列电参量（针对工频电网的电压、电流、有功、无功、频率等参数）丈量的专用芯片，如CS5460A、ADE7755、AT73C500/501等。利用它们可以方便实现单相、三相电能表的计划，到达很高的丈量精度，同时大幅低落产品本钱。 

    这些差别的电参量丈量芯片成果各有侧重，性能各有千秋。我们在利用这些芯片进程中，发明不少特别题目，并针对这些特点计划了通用的智能电参量丈量模块。本文根据实际应用AT73C500/501进程中出现的题目，对该芯片的应用举行了深入探究，给出相应办理步伐；同时，计划了高效的电参量丈量模块校准软件，实现电参量丈量模块主动、快速生产调试。 

    1AT73C500/501芯片简介 

    1．1芯片性能指标 

    AT73C500/C501为美国Atmel公司2000年推出的电能丈量专用芯片组。此中AT73C501为A/D更改芯片用于丈量前端信号采样；AT73C500为DSP芯片，根据AT73C501的采样数据完成电参量的谋略。利用这两种芯片共同事变丈量三相电参数个有如下特点： 

    *餍足IEC1036一级精度请求； 

    *利用外部温度补偿的参考电源，餍足IEC687的0.5和0.2级精度； 

    *丈量三相有功功率、无功功率、视在功率和电能； 

    *丈量功率因数、电网频率、电压和电流有效值； 

    *多相或单相运行； 

    *接口机动，具有8位微处理惩罚器接口、8位状态输出、8路脉冲输出； 

    *支持增益和相位校准； 

    *支持低端非线性校准； 

    *启动电流可编程； 

    *最大可测带宽1kHz； 

    *单+5V供电； 

    *校准数据可以从串行EEPROM读取，也可以由外接微处理惩罚器读取。 

    1.2AT73C500/501芯片简介 

    AT73C501是28引脚PLCC封装的六路Sigma-DeltaA/D更改器。AT73C501内部包括六路16位A/D更改器、1个参考电压产生器、1个电源电压监督单位和1个时钟单位。每路A/D更改器都由高性能、过采样的Sigma-Delta调制器和数字均分滤波器构成。 

    芯片的AIN1、AIN3、AIN5为电流采样通道输入，AIN2、AIN4、AIN6为电压采样通道输入，全部六路A/D输入都是单端输入，简化了外围计划。别的重要引脚有： 

    ACK—采样数据输出准备好； 

    OX、XI—接外部晶体3.2768MHz，提供事变时钟； 

    CLK—提供DSPAT73C500事变时钟输出； 

    CLKR—串行总线数据输出时钟； 

    FSR—输出采样的帧信号； 

    DATA—串行总线采样数据输出。 

    AT73C500为44引脚PLCC封装的新型电能丈量专用DSP芯片，具有一个高效的数字信号处理惩罚器（DSP）内核，DSP技能的利用，使AT73C500具有别的电能丈量芯片所没有的一些特点和巨大成果。重要引脚如下； 

    B0～B7—MCU总线； 

    B8～B15—状态、事变模式总线； 

    IRQ1—接AT73C501的ACK，外部采样数据停止恳求； 

    CLK—时钟输入，3.2768MHz； 

    STROBE、BRDY、RD/WR、ADDR0、ADDR1—AT73C500和外部MCU的数据传输接口信号； 

    SOUT0—时钟输出给外部串行EEPROM； 

    SOUT1—串行输出，作为AT73C500的片选信号或外部EEPROM的数据输入（DI）； 

    SIN—串行数据输入，吸取AT73C501或外部EEPROM的数据输入（DO）； 

    SCLK—串行位时钟输入来自AT73C501。 

    2智能电参量征求模块计划 

    我们计划的智能电参量征求模块，用于低压变压器在线监测配置中。丈量模块作为关键的台变运行监测部件，请求计划成通用性强的征求模块。如许，可以方便地和现有的种种配置接口，扩显现有配置的成果。应具有造价低，可靠性强，便于维护等好处。针对成果需求，在综合比拟几种电能量丈量芯片的代价、性能、体系实现难易水划一几方面的底子上，我们采取AT73C500/501计划了智能电参量征求模块。 

    2.1智能电参量征求模块前端原理 

    电参量征求模块前端以AT73C500/501为内核，由信号取样电路、逻辑电路及别的元器件丈量单位布局共同构成。三相电压信号分别利用电阻分压器的互感器提取。被测三相电流由一次电流1.5A或6A、二次电流5mA、二次负荷20Ω的电流互感器转化为电压信号。 

    选择AT73C500的事变模式时，由于校准数据直接影响丈量精度，并且每次复位后AT73C500都要重新读入校准数据，要是AT73C500利用微处理惩罚器模式，导入校准数据的握手协议过于巨大，必要单片机软件干涉；因此从可靠性角度思量，AT73C500被设置成EEPROM模式，将校准数据从EEPROMAT93C46中读出，同时，单片机也能对AT93C46内的校准数据读写。 

    前端丈量电路事变流程：上电复位后，单片机对AT73C500复位，然后AT73C500举行初始化事变。起首将RD/WR写高，状态/模式总线上的四个三态门当选通，AT73C500通过BUS12至BUS15读入模式信息。在果断事变模式为EEPROM模式后，AT73C500向状态/模式总线的最低位（BUS8）写低电平，经逻辑译码电路（GAL20V8）后孕育产生初始化信号CS1。CS1信号选通串行EEPROMAT93C46，AT73C500读出存储在AT93C46中的校准数据。校准数据读出以后，AT73C500向BUS8写高电平，经锁存后CS1变成高电平，初始化阶段结束，丈量单位开始正常的丈量事变。AT73C501开始通过同步串行总线向AT73C500发送采样结果。 

    AT73C500的谋略结果有两种输出方法：一种因此数据的情势输出，另一种因此脉冲的情势输出。两种方法共和数据总线，因此利用逻辑译码电路（GAL20V8）区分。当有一包数据要输出时，AT73C500向状态总线的BUS9写高电平脉冲，经锁存后孕育产生数据就绪信号DATRDY。DATRDY信号用于智能外接单片机线上数据就绪，此时ADDR0为低电平，无脉冲输出。数据输出结束后，DATRDY变为低电平。数据总线输出脉冲时，DATRDY始终为低电平；同时，DR/WR为低电平，ADDR0为高电平。 

    2.2AT73C500数据征求接口单位计划 

    2.2.1单片机选型 

    对智能电参量征求模块的各项数据进一步加工处理惩罚和与外部通讯等成果，一样平常要由单片机来完成。前端丈量单位的丈量结果由AT73C500的数据总线送出。AT73C500的数据总线为并行总线。总线上数据传输速率非常快，此中锁存信号STROBE的脉宽仅为153ns。基于速率、本钱上的思量，选用美国Atmel公司的精简指令集（RISC）AVR单片机AT90S8535实现接口单位的成果。AT90S8535内部有8KBFlash步伐存储器，512BSRAM，利用8MHz的晶振，每条指令的实行时间仅为125ns。 

    2.2.2接口逻辑控制电路 

    由于AT73C500/501有多种事变模式和数据传输方法，同时体系有1片EEPROMAT93C46存储器，生存校准参数信息。AT93C46必须可以或许由单片机读写，还要能由AT73C500读取系数。思量到另有别的的巨大数据控制接口信号，因此，采取1片PLDGAL20V8实现巨大逻辑成果和数据、地点译码。图2为接口逻辑控制电路。 

    2.2.3单片机数据征求接口单位 

    丈量单位的丈量结果通过并行数据总线高速输出，因此，怎样正确及时地吸取总线上的数据是接口单位要办理的重要题目。 

    AT73C500数据总线时序中有两个倒霉于数据吸取的题目。 

    AT73C500数据总线时序中有两个倒霉于数据吸取的题目。 

    一是数据写到总线选通STROBE信号低电平宽度太窄，倒霉于单片机捕获。这个题目纵然利用了AVR单片机依然不克不及忽视。要是AT90S8535采取查问平凡I/O口的步伐捕获STROBE脉冲，查问一次至少要实行两个单周期指令或实行一条两周期指令，实行时间最少为250ns，高出了STROBE低电平的宽度（153ns），因此丢失数据的大概性非常大。为了正确地捕获STROBE信号，该信号被连接到AT90S8535外停止0的输入引脚（1NT0）。当INT0引脚上的STROBE信号触发了INT0停止恳求时，通用停止标记寄存器GIFR中的INTF0位被置1，AT90S8535通过查问INTF0位，果断是否出现STROBE信号。利用这种要领STROBE低电平状态由单片机硬件捕获，不存在丢失STROBE变乱的大概性，只要在下一次停止申请出现过去将INTF0位打扫即可。 

    另一个倒霉于数据吸取的题目是，两个STROBE信号之间的时间过短，最短时间隔断只有11个时钟周期（3.2768MHz）。针对这种环境，思量到数据包有效时的信号DATARDY可以利用，将DATARDY接到INT1引脚，利用DATARDY和STROBE的干系，举行数据吸取，硬件连接如图3所示。 

    3智能电参量征求模块软件计划 

    电参量征求模块软件重要是单片机AT90S8535的控制软件。软件重要的成果是完成对AT73C500/501的配置，丈量数据的处理惩罚；同时，利用外部通讯接口传输征求的数据，相应外部配置的种种查问，校准数据设置操纵。步伐计划的难点在于对AT73C500丈量数据的征求。 

    征求步伐初始化时，只容许INT1停止（由数据包准备好标记DATARDY触发）。当DATARDY有效，进入INT1停止时，在停止内容许INT0停止（由数据写到总线选通STROBE信号触发）。如许，在INT1停止步伐内，查问到STROBE引起的停止有效标记INTF0后，顿时读出AT73C500写到总线的数据。然后，打扫INTF0，等待吸取下个数据，直到把1个完备数据包16个字节全部吸取完成，再退出INT1停止。由于每包数据之间有至少20ms的隔断时间可供AT90S8535处理惩罚，如许吸取完成1包数据后，在20ms的时间内由AT90S8535完成对包数据的阐发，依次完成6包数据的吸取处理惩罚。 

    关键的数据包停止吸替换码步伐如下： 

    interrupt[EXT_INT1]voidext_int1_isr(void) {

    #asm("cli")//克制全部停止

    CIMSK=0x40;//克制int1,容许int0

    strobe1:

    if(GIFR==0)gotostrobe1;//等待第1个数据选通讯号有效

    temp_pack0=PINB;//syncls读出同步数据1

    GIFR=0xc0;BRDY=0;

     strobe2:

     if(GIFR==0)gotostrobe2;//等待第2个数据选通讯号有效

     temp_pack1=PINB;//syncms读出同步数据2

     GIFR=0xc0;BRDY=0; 
     …………
     strobe16:

     if(GIF

     R==0)gotostrobe16;//等待第16个数据选通讯号有效
     temp_pack15=PINB;

     BRDY=0;GIMSK=0x80;GIFR=0xc0;//读写16个字节，完成1包数据吸取

      #asm("sei") }

    在计划调试电参量丈量模块进程中发明很多题目。最紧张的题目是在丈量进程中，当在AT73C501信号输入端出现电压类峰脉冲滋扰时，AT73C500/501芯片组出现去世机征象。详细表现为AT73C500不再向数据总线发送丈量数据。同时AT73C501敏捷升沿发烫，而此时芯片组的复位控制信号不再起作用，单片机无法控制AT73C500/501；只有模块停电，再上电之后，才华规复正常事变。这种妨碍在实际的产业控制中是必须要办理的。 

    针对此征象，我们颠末重复实行，采取软件和硬件相连合的步伐，圆满办理了这个题目。 

    硬件方面： 

    *在模块的供电电源上串接电源滤波器，消除从电源侧引入的滋扰； 

    *AT73C501的6路单端A/D输入端接入EMI磁珠，同时输入端并接双向肖特基掩护管，对输入的高出输入范畴的信号限幅，掩护内部电路； 

    *AT73C500/501芯片组的供电由晶体管电子开关控制，在产生妨碍时，可由单片机及时堵截电路，实现重新上电。 

    软件方面： 

    *增长软件看门狗，由AT73C500的数据包传输停止不绝打扫，一旦出现妨碍，没有数据包传输停止，则看门狗复位体系； 

    *软件对征求的数据举行公道性阐发，出现非常非法丈量数据时，复位AT73C500/501芯片组； 

    *软件定时对AT73C500的校准参数举行重装载，防备AT73C500内部寄存器校准体系系数失效。 

    采取以上步伐，使电参量丈量模块的可靠性大大进步。使因此丈量模块的现场安置运行的台变监测配置运行年1来年，稳固可靠，得到用户好评。