基于MCP3906電能芯片和AT-Mega16單片機的單相電表計量設計

電能表作為電能計量的專用儀表,在電能管理儀器儀表中占有很大比例,其性能直接影響著電能管理的效率和科技水平。從產(chǎn)品的功能、性能及經(jīng)濟效益等多方面來看,全電子電能表與傳統(tǒng)的感應式電能表相比,存在著明顯的優(yōu)勢。而且電能表作為計量管理和用電管理的終端,它所提供的各種功能是實現(xiàn)電力系統(tǒng)自動化管理必不可少的。傳統(tǒng)的測量都是采用A／D轉(zhuǎn)換電路,但這種方法使部分電參量測量精度欠佳,性價比不理想,且軟件編程相對復雜,微控制器必須對采樣電路進行數(shù)據(jù)處理(如電壓、電流的平均值、有效值,有功、無功計算等)。而隨著現(xiàn)代電子產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展,測量電路的集成化、模塊化成為未來發(fā)展的趨勢,各大器件公司也紛紛推出自己的電能計量芯片。這種集成芯片不僅精確度高,而且硬件、軟件設計簡單,價格便宜,性價比高,極具市場潛力。本文給出了基于Microchip公司的MCP3906單相電能計量芯片,并以AVR公司的ATMega16為MCU設計開發(fā)的一款新型單相電能表實現(xiàn)方案。與以往電能表相比,該方案具有設計接口簡單、結(jié)構緊湊、可靠性高等特點。

1 MCP3906單相電能計量芯片

MCP3906是Microchip公司推出的單相電能計量芯片,它支持國際電能計量標準技術規(guī)范IEC62053,可提供與平均有功功率成比例的頻率輸出,以及與瞬時功率成比例的高頻輸出用于電表校準。MCP3906內(nèi)部包含兩個16位△-∑ADC,可用于各種IB和IMAX電流和小分流器(200μΩ )的電表設計。該芯片還包含一個超低溫漂(15ppm／℃)參考電壓,通過特殊設計的帶隙溫度曲線,可在整個工業(yè)級溫度范圍內(nèi)使溫度梯度達到最小。固定功能的片上DSP模塊可用于計算有功功率,此外,片上還有驅(qū)動機械計數(shù)器的高輸出驅(qū)動器,可以減少現(xiàn)場故障和機械計數(shù)器咬合。芯片的空載門限模塊可防止任何電流潛變(Creep)測量,而上電復位(Power on Reset,POR)模塊則可在低電壓時限制電表測量。因此,MCP3906是具備高現(xiàn)場可靠性的精密電能計量IC,并采用業(yè)界標準的引腳配置。

1.1 MCP3906的內(nèi)部結(jié)構及工作原理

MCP3906是混合模擬／數(shù)字信號的CMOS集成電路,其內(nèi)部結(jié)構框圖如圖1所示。

MCP3906可提供與有功功率成比例的頻率輸出和與瞬時功率成比例的高頻輸出來用于校準。它的兩個通道均使用16位二階△-∑ADC,能以MCLK／4的頻率對輸入進行采樣,同時允許對動態(tài)范圍很寬的輸入信號進行采樣?？删幊淘鲆娣糯笃?Programmable Gain Amplifier,PGA)擴大了電流輸入通道(通道0)的可用范圍。其有功功率的計算以及與計算有關的濾波均可在數(shù)字域中完成,從而提高了其穩(wěn)定性和溫漂性能。

MCP3906的兩個數(shù)字高通濾波器(HPF1和HPF2)可以濾除兩個通道的系統(tǒng)偏移量,因此,有功功率的計算不含任何電路或系統(tǒng)偏移量。經(jīng)過高通濾波后,電壓和電流信號相乘,即可得出瞬時功率信號。此信號不含直流偏移分量,因此可有效利用求平均法(Averaging Technique)計算出所需的有功功率輸出。

瞬時功率信號包含的有功功率信息就是瞬時功率的直流分量。求平均法可用于計算正弦和非正弦波形,以及所有功率因數(shù)。瞬時功率經(jīng)過低通濾波器(LPF)就可以產(chǎn)生瞬時有功功率信號。

通過MCP3906的DTF轉(zhuǎn)換器可對瞬時有功功率信息進行累加,以產(chǎn)生輸出脈沖,此脈沖的頻率與平均有功功率成比例。FOUT0和FOUT1輸出的低頻脈沖可用于設計驅(qū)動機電式計數(shù)器和雙相步進電機,以便顯示實際消耗的有功功率。每個脈沖對應于一個固定的有功電量值,其功能可由F2、F1和F0的邏輯進行選擇。HFOUT輸出具有較高的頻率設定和較低的積分周期,可用于表征瞬時有功功率信號。由于累加時間較短,該輸出可使用戶在穩(wěn)定的負載條件下進行快速的校準。

1.2 MCP3906的引腳功能

MCP3906采用24引腳SSOP封裝,其引腳排列如圖2所示。各引腳的功能說明如表1所列。

2 MCP3906在單相電能表中的應用

2.1 單相電能表的系統(tǒng)組成

利用MCP3906和AVR Mega16設計的單相電能表系統(tǒng)框圖如圖3所示。圖中,MCP3906芯片用于對輸入的電壓和電流進行計算。將經(jīng)過高通濾波后的電壓和電流信號相乘,得出瞬時功率信號,此瞬時功率經(jīng)過低通濾波器即可產(chǎn)生瞬時有功功率信號。此信號不含直流偏移分量,但可利用求平均法計算出所需的有功功率輸出：然后通過器件的DTF轉(zhuǎn)換器對瞬時有功功率信息進行累加,以產(chǎn)生輸出脈沖,此脈沖的頻率與平均有功功率成比例,每個脈沖對應于一個固定的有功電量值;再通過AVR單片機對該脈沖信號進行計數(shù),即可得出有功功率的數(shù)值;最后通過LCD顯示模塊顯示出來。系統(tǒng)的電能累計分為第一次上電后的連續(xù)累計和時段累計兩種。時段累計需要對時間進行判斷,即如果當前的時間處在某個時段內(nèi),則對該時段進行電能累計;否則,不進行電能累計。

2.2 系統(tǒng)功能模塊

(1) RTC實時時鐘模塊

時鐘是電能分時計量的基礎,實時時鐘分硬時鐘和軟時鐘兩種,本設計選用硬時鐘。當前應用較為廣泛的時鐘芯片有PCF8583、DS1302等。本設計選用DS1302實時時鐘芯片來為系統(tǒng)提供時鐘,可精確到年月日時分秒。該芯片內(nèi)置可編程日歷時鐘和31字節(jié)的RAM,工作電壓范圍為2.5～5.5V,且功耗低。掉電后可由電池供電,其工作壽命達10年以上。

(2) LCD顯示模塊

電能表的顯示一般可采用段式LCD顯示器,這種顯示器具有功耗低、壽命長、顯示方式靈活等優(yōu)點。
(3) 通信接口模塊

通訊處理模塊是電能表系統(tǒng)與外界通訊的模塊,這是依據(jù)國標規(guī)程編寫的一個軟件模塊。該模塊包括通訊接收處理、通訊命令處理及通訊發(fā)送處理等部分。由于通訊信道有紅外信道和RS485信道兩個信道,故在通訊時,要由MCU來判斷道底使用哪個信道。

(4) 數(shù)據(jù)存儲模塊

該功能模塊主要由支持I2C總線的可擦寫EEP-ROM (AT25C256)和掉電保護電路組成,主要用于存儲計算出來的電壓、電流、有功等實時值以及每個時段的有功電能值,還有掉電時間記錄、電壓電流越上下限報警記錄和歷史記錄等等。如果模塊掉電,系統(tǒng)中的掉電保護電路會自動切換到后備電池給外部RAM供電,以保證RAM里所有的數(shù)據(jù)不丟失。

(5) 電源

為確保電能表穩(wěn)定可靠的運行,電源是電能表設計的一個關鍵。本設計采用一路9V電源和一路5V電源來分別給AVR Mega16和RS485通信單元供電。通信單元、計量單元和MCU之間的通信采用光耦進行隔離,可提升整個系統(tǒng)的抗干擾能力。眾所周知,電能表的干擾源主要有電網(wǎng)的電壓波動、閃電沖擊和變壓器產(chǎn)生的電磁感應等。本設計采用壓敏電阻來吸收瞬問高壓沖擊。電源進線處則使用磁環(huán)來防止高頻電磁脈沖對電路的干擾和破壞。

2.3 軟件設計

整個電能表的軟件程序由主程序、系統(tǒng)初始化、電量處理模塊、數(shù)據(jù)存儲、鍵盤中斷、LCD顯示模塊、通信模塊等組成。通過主程序或通過中斷方式可以調(diào)用子程序,以實現(xiàn)系統(tǒng)的整體功能。

其中主程序可用于完成啟動和系統(tǒng)初始化(包括FLASH、RAM、LCD的設置、SCI及RTC等的初始化),以及判定時段,在LCD上顯示電量和時間等。主程序的流程圖如圖4所示。

而電量處理模塊則用于讀取計量芯片的有功等電量數(shù)據(jù),并進行復雜的處理,最后保存這些電能參量。

按鍵中斷模塊主要用來處理按鍵中斷。LCD顯示模塊則用于完成LCD字段的顯示,可通過LCD顯示屏輪流顯示有功和總電量等參數(shù)。

通信模塊主要按照通訊規(guī)約的要求,來實現(xiàn)與抄表系統(tǒng)的可靠通訊。以便通過抄表系統(tǒng)來讀取用戶的電量數(shù)據(jù)以及設置時間、費率和地址等電表參數(shù)。

3 結(jié)束語

通過本文基于MCP3906電能芯片和AT-Mega16單片機的單相電表可實現(xiàn)對單相電能的計量。該系統(tǒng)性能穩(wěn)定、功能完善、操作簡單,非常適用于單相電能的測量。其較高的性價比也為計量機構和用戶提供了更多的一種選擇。