基于ADE7755的帶CAN總線的工業(yè)用電度表設計方案

引言

隨著計算機網(wǎng)絡技術、專用集成芯片技術和現(xiàn)場總線技術的不斷發(fā)展，對工業(yè)用電度表的計量精度和電量數(shù)據(jù)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(tǒng)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(yōu)點，但是其精度差，電量數(shù)據(jù)需要人為讀數(shù)不能實時傳輸?shù)缺锥?。為了改進現(xiàn)有機車上使用的電度表，根據(jù)美國AD公司推出的電量計量專用芯片ADE7755，提出了一種新型的電量計量方案。根據(jù)本方案設計的電度表除具有精度高、抗干擾和電量數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r傳輸?shù)墓δ芡?，還具有可以修改電度表初值的優(yōu)點。

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(shù)據(jù)的缺陷，且各自又有或精度差或抗干擾能力差等弱點。作者結(jié)合當前普遍流行的現(xiàn)場總線技術和AD公司的ADE7755電量計量專用芯片以及飛利普公司的P87C591單片機，提出了一種能實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時傳輸且具有抗干擾能力的電量計量方案?？傮w電路框圖如圖1所示：

圖1 總體電路框圖
　　
圖1中，由PT和CT在電網(wǎng)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(jù)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(xiàn)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(jīng)過預防電磁干擾作用的鐵氧體和衰減網(wǎng)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，以增強抗干擾能力。

ADE7755工作原理
若電壓U(t)和電流I(t)均為正弦波，且：

則瞬時功率P(t)為

平均功率P為：

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(jīng)兩路A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送入電壓通道V2N、V2P和電流通道V1N、V1P。電流通道中的高通濾波器是用來濾除電流分量中的直流電流，以便減小電流直流分量對瞬時有功功率計算的影響。經(jīng)濾波后的電壓和電流信號經(jīng)乘法器相乘后，所得的信號經(jīng)低通濾波器后濾掉交流分量后，得到的直流分量就是瞬時有功功率。此信號經(jīng)過數(shù)頻轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成與平均有功功率成正比的低頻信號經(jīng)過F1、F2端口輸出，同時從高頻口CF輸出與瞬時有功功率成正比的脈沖信號。低頻端口F1和F2的輸出脈沖頻率f_req與高頻端口CF輸出脈沖頻率f_CF可由下式確定：

其中系數(shù)G_in為輸入增益，F(xiàn) _1-4為可由主時鐘CLKIN獲得的分頻，U_ref為基準電壓，K為比例系數(shù)。

ADE7755的外圍電路中，通過輸出頻率設置電路實現(xiàn)對CF口輸出頻率的設置，即電表常數(shù)的設置。本電表的電表常數(shù)設定為3200imp/kwh，即計錄一千瓦的功率，要求ADE7755在CF口輸出3200個脈沖。

圖2 ADE7755的內(nèi)部框圖
　　
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(tài)范圍內(nèi)，精度達到0.1%。技術指標超過了IEC1036標準的要求。

唯一的模擬電路是模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，其他電路都是采用數(shù)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(qū)動電度表計數(shù)器或直接和單片機連接。

電源電路的設計
ADE7755所用的+2.5V基準電壓是用AD780實現(xiàn)的，其接口電路簡單。5V的基準電源電路如圖3所示：