專用芯片ATT7022C的電參數(shù)測(cè)量模塊設(shè)計(jì)

摘要：給出一種基于電能計(jì)量芯片ATT7022C和LPC2138的電參數(shù)測(cè)量模塊的設(shè)計(jì)方案。詳細(xì)描述了硬件電路接口和電能計(jì)量芯片與ARM通信接口的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)芯片進(jìn)行軟件校表，實(shí)現(xiàn)了電參數(shù)的精確測(cè)量。設(shè)計(jì)的電參數(shù)測(cè)量模塊具有實(shí)時(shí)顯示和與上位機(jī)通信的功能。
關(guān)鍵詞：ATT7022C；LPC2138；軟件校表

引言
隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，各行業(yè)對(duì)能源的需求量越來(lái)越大。煤炭、石油等不可再生資源的大量消耗使得存儲(chǔ)量越來(lái)越少，能源短缺必將會(huì)影響國(guó)家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。而煤炭、石油的開(kāi)采又會(huì)耗掉大量的電能，特別是石油的開(kāi)采，抽油機(jī)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)“空抽”的現(xiàn)象，大量的電能被耗費(fèi)。因此，提高用電的效率和質(zhì)量是緩解能源危機(jī)的一種方式，這就需要對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。為了獲得電網(wǎng)的電參數(shù)信息，本文采用電能計(jì)量芯片ATT7022C結(jié)合ARM微控制器設(shè)計(jì)電參數(shù)測(cè)量模塊。該模塊可以使用液晶實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)，也可以把采集的電參數(shù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)來(lái)對(duì)電網(wǎng)的狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

1 ATT7022C芯片介紹
ATT7022C芯片是鉅泉光電科技(上海)有限公司推出的一款高精度三相電能專用計(jì)量芯片。它適用于三相三線和三相四線的接線方式，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。該芯片集成了7路二階sigma-delta ADC，參考電壓電路以及包括功率、有效值、功率因數(shù)、能量等的數(shù)字信號(hào)處理電路。芯片內(nèi)置溫度測(cè)量傳感器，提供基波有功、基波無(wú)功校表脈沖輸出；還具有ADC采樣數(shù)據(jù)緩存功能，緩存長(zhǎng)度為240，可以實(shí)時(shí)保存原始采樣數(shù)據(jù)。同時(shí)芯片還支持單通道、雙通道和三通道的同步采樣功能，供用戶進(jìn)行采樣數(shù)據(jù)的分析。芯片提供一個(gè)SPI接口與外部MCU進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，外部控制器只需要通過(guò)SPI總線對(duì)各寄存器進(jìn)行讀寫操作，就可以得到三相電參數(shù)的值。為了得到精確的電參數(shù)數(shù)值，必須進(jìn)行校表操作。芯片支持純軟件校表，經(jīng)過(guò)校正的儀表，有功精度可高達(dá)0．5級(jí)，無(wú)功精度可達(dá)2級(jí)。

2 電參數(shù)測(cè)量模塊設(shè)計(jì)方案
電參數(shù)測(cè)量模塊的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。模塊主要由電參數(shù)實(shí)時(shí)測(cè)量、LCD顯示、存儲(chǔ)、與上位機(jī)通信等部分組成。LCD液晶主要用來(lái)顯示電壓、電流、耗能、功率因數(shù)、時(shí)間、溫度等參數(shù)。模塊采用RS485總線或無(wú)線組網(wǎng)傳輸?shù)姆绞桨褱y(cè)量的各種電參數(shù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，對(duì)電網(wǎng)的運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)。

模塊設(shè)計(jì)的目標(biāo)是以較低能耗實(shí)時(shí)測(cè)量、顯示電參數(shù)，并能夠與上位機(jī)進(jìn)行通信。這就要求處理器的運(yùn)行速度要快、功耗要低。LPC2138芯片可以滿足這個(gè)要求。它有2個(gè)SPI、I2C接口、多達(dá)47個(gè)可承受5 V電壓的通用I／O口，以及帶有獨(dú)立電源與時(shí)鐘源的實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊。
電能計(jì)量芯片復(fù)位時(shí)內(nèi)部的能量寄存器將復(fù)位為0。如果發(fā)生意外斷電，芯片中能量寄存器中的值將會(huì)丟失，設(shè)計(jì)時(shí)選用AT24C02芯片保存能量寄存器的值。在軟件程序設(shè)計(jì)中，當(dāng)負(fù)載消耗1度電或其他數(shù)據(jù)量的時(shí)候刷新一次存儲(chǔ)器。
實(shí)時(shí)時(shí)鐘采用ARM系統(tǒng)與外接電池共同供電的方式，當(dāng)系統(tǒng)意外斷電時(shí)，時(shí)鐘模塊可由外部電池供電，保證時(shí)鐘的正常運(yùn)行。值得注意的是，實(shí)時(shí)時(shí)鐘初始化時(shí)，第一次把準(zhǔn)確的時(shí)間寫到時(shí)鐘芯片后，時(shí)鐘就開(kāi)始正確地運(yùn)行，然后應(yīng)當(dāng)把程序中的時(shí)鐘初始化函數(shù)去掉，把整個(gè)程序再加載一遍。否則，模塊每次復(fù)位都會(huì)對(duì)時(shí)鐘初始化一次，這樣時(shí)鐘就不能正確地運(yùn)行了。