基于SPI总线的电能计量芯片ATT7022及其在配电监测终端的应用

摘要：介绍了高精度电能计量芯片ATT7022的主要功能、性能比较、内部结构、接口方式及校表方法等，同时对ATT7022在电能配电监控终端的应用作了简要阐述。 关键词：SPI总线 ATT7022 电能计量 W77E58 配电监控终端 1 概述 ATT7022是珠海炬力集成电路设计有限公司生产的一款高精度三相电能计量芯片，该芯片对有功、无功功率的测量精度分别达到0.2s和0.5s，所能测量的电参数包括有功、无功、视在功率、双向有功和四角限无功电能；电压和电流有效值；相位、频率等。ATT7022具有计量参数齐全、校表功率完善等优点，简化了软件设计，缩短了软件开发周期。特别是AT7022可支持全数字校表，即软件校表。软件校表可提高校表精度、简化硬件设计、降低设计成本，为三相多功能计量装置提供了功能更加齐全、设计更加简单的应用方案。表1和表2分别给出了三大计量芯片生产商的三相电能计量芯片计量参数校表参数的比较。 表1 三相电能计量芯片的主要电能测量参数比较 电能参数 珠海炬力ATT7022 ADI ADE7754 SAMEs SA9904B 分相 合相 分相 合相 分相 合相 电压有效值 √ — √ — √ — 电流有效值 √ √ √ %26;#215; %26;#215; %26;#215; 视在功率 √ √ %26;#215; √ √ %26;#215; 有功功率 √ √ %26;#215; √ √ %26;#215; 容性无功功率 √ √ %26;#215; %26;#215; %26;#215; %26;#215; 感性无功功率 √ √ %26;#215; %26;#215; %26;#215; %26;#215; 功率因素 √ √ %26;#215; %26;#215; %26;#215; %26;#215; 线频率 √ √ √ √ √ √ 输入有功能量 √ √ %26;#215; %26;#215; %26;#215; %26;#215; 输出有功能量 √ √ %26;#215; %26;#215; %26;#215; %26;#215; 有功能量 √ √ %26;#215; %26;#215; %26;#215; %26;#215; 容性无功能量 √ √ %26;#215; %26;#215; %26;#215; %26;#215; 感性无功能量 √ √ %26;#215; %26;#215; %26;#215; %26;#215; 无功能量 √ √ %26;#215; %26;#215; %26;#215; %26;#215; 注：“√”表示支持，“%26;#215;”表示不支持，“—”表示无此参数 表2 三相电能计量芯片的主要校表参数比较 电能参数 珠海炬力ATT7022 ADI ADE7754 SAMEs SA9904B 2 分相 合相 分相 有功功率增益校正 √ √ %26;#215; 视在功率增益校正 √ √ %26;#215; 相位校正 √ √ %26;#215; 电压有效值校正 √ √ %26;#215; 电流有效值校正 √ √ %26;#215; 脉冲输出参数校正 √ 1 %26;#215; %26;#215; 启动电流设置 √ %26;#215; %26;#215; 　　注：“√”表示支持，“%26;#215;”表示不支持，“1”表示合相时的参数，“2”表示该芯片不支持软件校表 2 引脚功能 ATT7022的引脚排列如图1所示，它采用44引脚QFP封装，面积仅有10mm%26;#215;10mm，功耗仅为100～200mW，各引脚功能如下： %26;#183;V1P/V1N，V3P/V3N，V5P/V5N：模拟电流信号输入； %26;#183;V2P/V2N，V4P/V4N，V6P/V6N：模拟电压信号输入； %26;#183;REEOUT、REFCAP：基准电压输出； %26;#183;RESET：复位输入端； %26;#183;SIG：写操作成功握手信号输出； %26;#183;SEL：接线方式选择输入端； %26;#183;CF1/CF2：有功/无功电能脉冲输出； %26;#183;CS：SPI读/写片选信号； %26;#183;SCLK：SPI串行时钟输入； %26;#183;DIN/DOUT：SPI串行数据输入/输出； %26;#183;Revp：当系统检测到任意相的有功功率为负时，该端输出高电平；各相有功功率均为正时，该端输出低电平； %26;#183;OSCI/OSCO：系统晶振输入端/输出端； %26;#183;Vcc/Avcc:数字电源/模拟电源； %26;#183;GND/AGND：数字地/模拟地。 3 工作原理 3．1 AT7022电能计量芯片的内部结构 AT7022内部包括时钟控制电路、模拟信号采样、参考电压、DSP、脉冲生成器、SPI通讯接口和电源管理七大部分，其内部原理框图如图2所示。 3．2 ATT7022的工作原理 ATT7022首先通过6通道16位∑-Δ的ADC模数转换电路来对输入电流和电压信号进行采样，转换后的数字量再经过24位DSP数字信号处理以完成全部三相电能参数的运算，同时将结果保存在相应的寄存器中并通过SPI口与MCU进行数据交换，DSP模块同时还生成有功/无功电能脉冲输出CF1/CF2，可用于现场校表。ATT7022在设计中已考虑到校表的方便性，采用全数字校表，只需适当修改校表寄存器即可实现校表功能。 3．3 串行SPI接口 ATT7022提供有标准的SPI接口，可与带SPI口的MCU直接连接，也可用适当的I/O口线仿真SPI总线，其仿真读写程序很容易实现。 ATT7022的一个数据传输总线从向SPI接口的DIN端送入8位命令字开始的，当命令中包括一个写入命令时，在其后的24个SCLK周期内，串口将持续从DIN端读入24位串行数据。当发出一个读取命令时，串口将根据发出的命令来进行寻址，然后在其后的24个连续的SCLK周期从DOUT引脚上串行输出寄存器内容。数据的传输总是MSB在前，LSB在后。读寄存器时，SCLK为高，数据在DOUT引脚上有效。而在写寄存器时，数据则在SCLK的下降沿从DIN引脚读入，这一点在仿真SPI读写操作子程序时应引起注意，否则读写寄存器将出错。 ATT7022的读写时序见图3所示。 3．4 寄存器配置及校表方法 ATT7022的寄存器分为计量参数和校表参数两部分。器件中的计量参数寄存器多达82个，它们的地址在01H～6FH中不连续分布，未使用部分可留给以后扩展。计量参量的计算全部由硬件完成，用户只需进行单位换算就可得到测量值。 图4 校表参数寄存器包括相位补偿设置、功率增益、相位校正、电压/电流校正、比差补偿设置、启动电流、高频脉冲输出设置、断相阈值电压设置和合相能量累加模式等36个寄存器，它们的地址不连续地分布在01H～2AH，也考虑了以后的扩展。应当说明的是，两个寄存器的地址有重叠部分，但它们的物理位置是分开的，可以通过读写命令来区分。寄存器描述及读写操作命令字等见参考文献。 校表是电能表设计中非常重要的环节，ATT7022上电复位后，校表寄存器的初始数据为默认值，此时读出的计量参数值和实际参数值不符，因而需要对校表寄存器进行设置，以将测量值减小到误差范围之内。校表可按高频输出参数设置、比差补偿区域设置、角差补偿区域设置、功率增益校正、相位校正、启动电流设置、功率增益校正、参量累加模式设置、电压校正、电流校正的先后顺序进行。现以电压增益的校准为例简要说明AT7022的校表方法，其它参数校准请参照参考文献。 电压增益校正UgainA、UgainB、UgainC:在ATT7022初始化时，Ugain为0，标准表上读出的电压有效值为Ur，通过SPI口读出的测量电压有效值寄存器的值为Datau。此时，如实际电压有效值Ur，测量电压有效值为Urms=DataU%26;#215;2 10/2 23，由于： Ugain=(Ur/Urms)-1 因此，如果（Ugain≥0）,则Ugain=INT[Ugain%26;#215;2 23] 否则Ugain<0,则Ugain=INT[2 24+Ugain%26;#215;2 23], 式中，INT表示取结果的整数部分。 4 ATT7022在配电监测终端的应用 ATT7022能够提供的计量参数除瞬时有功功率、无功功率、视在功率、有功电能、无功电能、功率因数、相位、电压有效值、电流有效值、瞬时合相电流值、线电压频率值、四象限无功、正向和反向有功电能外，还包括缺相、相序错误和反向有功指示等状态信息，非常适用于配电终端监测的设计。计量部分的典型电路简图如图4所示。 目前我国在用电量一直处于递增趋势，然而拖欠电缆的违章用电时有存在，这不但不利于电力部门的管理，而且影响了其它部门的正常用电。 针对电力管理需求，笔者设计了一种由ATT7022构成的配电监控终端系统，如图5所示，该系统包括电能计量和配电监控两部分。其中电能计量部分利用ATT7022芯片来实现对大用户电能参数的精确采样，相当于一块高精度电能表；配电监控部分则通过RS485总线对被监控电能表（用户标准表）电能参数进行实时采集，并通过终端内部的软件分析模块分析出两部分数据的一致性和报警标志，从而确定了是否存在违章用电情况。配电监控还可通过GPRS/GSM模块与电力部门的上位机进行实时通讯，从而实现用电远程配置和在线管理。在紧急情况下还可以通过遥控拉闸/合闸来保证用安全。 ATT7022的电压输入范围0V～1V（有效值），因此，笔者选用的电流互感器规格为1.5(6)A/5mA，精度是0.05级，负载阻抗为20Ω，电压互感器规格选择100V/0.5V。这样在额定电流、输入额定电压时，其电流、电压差动输入电压的有效值分别为0.1V和0.5V左右，可满足ATT7022的要求。 5 结束语 配电监控终端可对用电大户进行用电管理，通过对大用户的用电情况进行综合分析来确定电网的运行情况，从而实施功控、电控、时控和遥控等多方位控制，防止用户违章用电，实现用电管理自动化，提高电网供电效率。