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)能夠實時傳輸?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轉換器轉換成數(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)頻轉換器轉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freq與高頻端口CF輸出脈沖頻率fCF可由下式確定：
其中系數(shù)Gin為輸入增益，F(xiàn) 1-4為可由主時鐘CLKIN獲得的分頻，Uref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，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：
圖3 5V基準電源電路
經(jīng)過此電路可以在電源模塊MC7805的3端得到+5V的基準電源。其中R25為壓敏變阻器。
P87C591外圍電路和CAN總線部分設計
通過P87C591電路可以實現(xiàn)指定時間內用電量的計算、數(shù)據(jù)存儲、修改電度表數(shù)值和通過圖4所示的CAN總線收發(fā)電路實現(xiàn)與上位機的通信。
有關P87C591外圍電路設計，可以參見其他單片機的外圍電路設計，這里不再贅述。
圖4 CAN總線收發(fā)電路
連接P87C591和單片機之間的芯片是P82C250。圖4這部分電路的原理可以參考有關CAN總線設計方面的資料，這里也不再闡述。
軟件部分設計
本方案的軟件部分主要由主程序和中斷服務子程序組成。其中主程序完成的功能有芯片和CAN總線的初始化、進行電量的計算和存儲。
中斷服務子程序完成的功能是利用CAN總線實現(xiàn)和主機之間的通信和電表初值的設定。其中電表初值設置由上位機完成，這樣可以節(jié)省單片機的外圍電路并且可以防止現(xiàn)場人為惡意的更改電量值。其中CAN總線的初始化程序如下：
voidinit_can_controller()
{
//進入CAN控制器復位模式
CANMOD=0x01； //將CAN控制器設置為復位模式以啟動初始化
//TXDCPort(P1.1)配置
//管腳TXDC設置為推挽模式
P1M2=P1M2|0x02；//P1M2.1=’1’，P1M1.1=’0’(默認)
CANADR=BTR0； //BTR0和BTR1編程為125kbit/s@12MHz
CANDAT=0x45；
CANADR=BTR1；//TSEG1=12，TSEG2=3，SJW=2
CANDAT=0x2B；//Sample=1->sample point～81%
//驗收濾波器的配置-- Bank1的濾波器1配置為接收ID=010.0000.0xxx
CANADR=ACR10；//將地址設置到驗收代碼寄存器0(Bank1)
CANDAT=0x50；//驗收代碼0用于濾波
CANDAT=0xE0；
CANADR=AMR10；//將地址設置到驗收屏蔽寄存器0(Bank1)
CANDAT=0x00；//bank1：驗收屏蔽0
CANDAT=0x0F；//bank1：驗收屏蔽1只與高四位有關
CANDAT=0xFF；//bank1：驗收屏蔽2無關
CANDAT=0xFF；//bank1：驗收屏蔽3無關
CANADR=ACFMOD；//將地址設置到ACF模式寄存器
CANDAT=0x55；//單驗收濾波器使用11位ID(SFF)
CANADR=ACFPRIO；//將地址設置到ACF優(yōu)先級寄存器
CANDAT=0xFF；//所有濾波器都為高優(yōu)先級
結束語
綜上所述，由于ADE7755是專用電量計量芯片，且具有抗干擾的優(yōu)點，而P87C591及其外圍電路也是當前成熟的技術，其可靠性和抗干擾性都得到了實際驗證，所以本方案簡單易行。
本方案雖是針對改進電力機車電度表而設計的。但由于電力機車工作于諧波污染嚴重工況，所以可以根據(jù)本方案針對實際情況作相應改動以適用于不同的工業(yè)場合。
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