摘要：給出一種基于電能計量芯片ATT7022C和LPC2138的電參數(shù)測量模塊的設計方案。詳細描述了硬件電路接口和電能計量芯片與ARM通信接口的實現(xiàn)過程。通過實驗對芯片進行軟件校表，實現(xiàn)了電參數(shù)的精確測量。設計的電參數(shù)測量模塊具有實時顯示和與上位機通信的功能。
關鍵詞：ATT7022C；LPC2138；軟件校表

引言
    隨著國家經(jīng)濟的快速發(fā)展，各行業(yè)對能源的需求量越來越大。煤炭、石油等不可再生資源的大量消耗使得存儲量越來越少，能源短缺必將會影響國家經(jīng)濟的發(fā)展。而煤炭、石油的開采又會耗掉大量的電能，特別是石油的開采，抽油機經(jīng)常會出現(xiàn)“空抽”的現(xiàn)象，大量的電能被耗費。因此，提高用電的效率和質量是緩解能源危機的一種方式，這就需要對電網(wǎng)運行狀況進行實時監(jiān)測。為了獲得電網(wǎng)的電參數(shù)信息，本文采用電能計量芯片ATT7022C結合ARM微控制器設計電參數(shù)測量模塊。該模塊可以使用液晶實時顯示數(shù)據(jù)，也可以把采集的電參數(shù)傳輸?shù)缴衔粰C來對電網(wǎng)的狀況進行實時監(jiān)測。

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量芯片。它適用于三相三線和三相四線的接線方式，其內部結構框圖如圖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)字信號處理電路。芯片內置溫度測量傳感器，提供基波有功、基波無功校表脈沖輸出；還具有ADC采樣數(shù)據(jù)緩存功能，緩存長度為240，可以實時保存原始采樣數(shù)據(jù)。同時芯片還支持單通道、雙通道和三通道的同步采樣功能，供用戶進行采樣數(shù)據(jù)的分析。芯片提供一個SPI接口與外部MCU進行數(shù)據(jù)傳遞，外部控制器只需要通過SPI總線對各寄存器進行讀寫操作，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，必須進行校表操作。芯片支持純軟件校表，經(jīng)過校正的儀表，有功精度可高達0．5級，無功精度可達2級。

2 電參數(shù)測量模塊設計方案
    電參數(shù)測量模塊的總體結構框圖如圖2所示。模塊主要由電參數(shù)實時測量、LCD顯示、存儲、與上位機通信等部分組成。LCD液晶主要用來顯示電壓、電流、耗能、功率因數(shù)、時間、溫度等參數(shù)。模塊采用RS485總線或無線組網(wǎng)傳輸?shù)姆绞桨褱y量的各種電參數(shù)傳輸?shù)缴衔粰C，對電網(wǎng)的運行狀況進行實時的監(jiān)測。

    模塊設計的目標是以較低能耗實時測量、顯示電參數(shù)，并能夠與上位機進行通信。這就要求處理器的運行速度要快、功耗要低。LPC2138芯片可以滿足這個要求。它有2個SPI、I2C接口、多達47個可承受5 V電壓的通用I／O口，以及帶有獨立電源與時鐘源的實時時鐘模塊。
    電能計量芯片復位時內部的能量寄存器將復位為0。如果發(fā)生意外斷電，芯片中能量寄存器中的值將會丟失，設計時選用AT24C02芯片保存能量寄存器的值。在軟件程序設計中，當負載消耗1度電或其他數(shù)據(jù)量的時候刷新一次存儲器。
    實時時鐘采用ARM系統(tǒng)與外接電池共同供電的方式，當系統(tǒng)意外斷電時，時鐘模塊可由外部電池供電，保證時鐘的正常運行。值得注意的是，實時時鐘初始化時，第一次把準確的時間寫到時鐘芯片后，時鐘就開始正確地運行，然后應當把程序中的時鐘初始化函數(shù)去掉，把整個程序再加載一遍。否則，模塊每次復位都會對時鐘初始化一次，這樣時鐘就不能正確地運行了。

3 硬件設計
3．1 模塊外圍電路設計
    ATT7022C外圍電路如圖3所示。在設計時，為使電源的紋波和噪聲減小到最低，要在芯片的各個電源引腳使用10μF和0．1μF電容進行去耦。在圖3中，V1P／V1N、V3P／V3N、V5P／V5N分別是A、B、C三相的電流采集通道；V2P／V2N、V4P／V4N、V6P／V6N分別是A、B、C三相的電壓采集通道。電路連接時，把ATT7022C的SP1口、SIG、CS、RESET分別與LPC2138的SPI口、P0．28、P0．29、P0．30相連進行通信。SIG為握手信號，控制器通過該引腳監(jiān)測芯片的運行狀況。SEL為三相電接線方式選擇引腳。電能芯片內部有300 kΩ上拉電阻，當該引腳懸空時為三相四線接線方式，當該引腳接地時為三相三線的接線方式。在硬件電路連接時必須要注意的是，電能計量芯片與LPC2138的電源要共地，否則控制器讀寫芯片將會出錯。

3．2 信號采集模塊
    電壓、電流采集采用雙端差分信號輸入的方式采集數(shù)據(jù)。正常工作時最大輸入電壓為±1．5 V．2個引腳內部都有ESD保護電路，最大承受電壓為±6V。
    電壓信號的采集可選擇分壓方式或互感器方式。本系統(tǒng)為了能得到較穩(wěn)定的信號，決定采用互感器來采集信號。這樣不僅起到了電氣隔離的作用。還可防止電流過大燒毀芯片。由于電能計量芯片的電壓通道在互感器的次級電壓為0．5 V時有較好的精確度和線性度，所以在設計時，選擇LCTV3JCF-220V／0．5V規(guī)格的電壓互感器作為電壓信號的采集端。電壓采集電路如圖4(a)所示。電路中的1．2 kΩ電阻和0．01μF電容構成了抗混疊濾波器。REFO信號連接電能計量芯片輸出的2．4 V參考電壓，這個電壓起到直流偏置的作用。

    電流信號的采集是通過把電流互感器輸出的電流信號并接一個適當?shù)碾娮瑁杉娮鑳啥穗妷旱姆绞絹黹g接測量電流值。電流通道在采集電壓為0．1 V時芯片有較好的精確度和線性度，因此在設計時選用HTTA-5 A／5 mA規(guī)格的電流互感器。在輸入額定電流的情況下，輸出的電流信號并接20 Ω的電阻可以得到0．1 V的電壓信號。值得注意的是，電流互感器的選擇應根據(jù)實際應用時初級電路中電流大小的范圍而選擇，電阻也要相應地變化，保證輸入的信號在0．1 V左右。電流采集電路如圖4(b)所示。

4 軟件設計
    模塊的軟件設計首先是對各部分的通信接口進行初始化，然后對芯片進行校正，接著把實驗校正的值寫入ATT7022C的各個寄存器。最后，在主函數(shù)的循環(huán)語句中瀆取芯片各個寄存器的數(shù)據(jù)進行顯示、存儲、向上位機傳輸。
4．1 ATT7022C與LPC2138的SPI接口函數(shù)
    圖5、圖6分別為ATT7022C芯片的SPI接口讀、寫時序圖。圖中，CS為芯片的片選信號線；SCLK為時鐘信號線；DIN為串行數(shù)據(jù)輸入線，用于把用戶的數(shù)據(jù)、命令、地址傳輸?shù)紸TT7022C芯片，它與ARM處理器的SPI總線的MOSI連接通信；DOUT為串行數(shù)據(jù)輸出線，用于從ATT7022C芯片讀取數(shù)據(jù)，它與ARM處理器的SPI總線的MISO連接通信。從圖5中可以看出，當向ATT7022C芯片寫一個字節(jié)數(shù)據(jù)時，SCLK高電平時在DIN引腳準備好數(shù)據(jù)，一個時鐘下降沿，就把一位數(shù)據(jù)寫入芯片中。當從ATT7022C讀取一個字節(jié)數(shù)據(jù)時，一個時鐘上升沿，芯片會把一位數(shù)據(jù)傳輸?shù)紻OUT引腳，ARM讀取該引腳得到一位數(shù)據(jù)。使用ARM的SPI總線，數(shù)據(jù)在SCLK高電平時有效，所以在設置SPI控制寄存器時CPOL位應置0。SPI傳輸?shù)牡谝晃粩?shù)據(jù)在第二個時鐘沿被采樣，CPHA位應置1。ARM與ATT7022C芯片進行數(shù)據(jù)通信時，需要先向ATT7022C芯片寫入8位的命令字，然后才能通過SPI接口讀出或寫入24位數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳輸時高位在先，LSBF位應置0。在數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中CS要保持在低電平的狀態(tài)，傳輸完成后應把CS拉高。同時設置SPI總線為主模式、禁止SPl的中斷。

    SPI的接口函數(shù)如下：
   
   
    程序運行時，要想知道通信函數(shù)是否正確，可以通過讀取校表數(shù)據(jù)校驗和寄存器的值來判斷。在芯片復位后未寫校表數(shù)據(jù)前，它里面存儲的復位數(shù)據(jù)是定值。發(fā)送命令字0x3E或0x5F，讀取24位數(shù)據(jù)。在三相四線模式下，值是0x043C73；在三相三線模式下，值是0x16BC73。如果是其他值．則程序有誤。
4．2 芯片的校表
    校表是設計的關鍵環(huán)節(jié)，芯片校表流程如圖7所示。所有的校正都是在校表寄存器參數(shù)為0的條件下進行的。

    以A相電壓、電流的校正為例說明芯片的校表過程。
    (1)A相電壓的校正
    電壓輸入為238 V，功率因數(shù)為1。在校正寄存器Ugain為0時，讀A相電壓有效值寄存器Vu的值，十六進制為0x25d75c，十進制為2 479 964。代入公式計算得到測量電壓有效值：Urms=Vu×210／223=Vu／213=2 479 964／8192=302．73。Ur為標準表讀出的實際輸入電壓有效值即238 V，校表時Ur用2倍標準表的電壓值計算，即Ur=2×238=476。Ugain為A相電壓的校正寄存器的值。當Ugain=Ur／Urms-1=476／302．73-1=0．572 358 207>0時，則Ugain=INT(Ugain×223)=4 801 289=0x494309，最后把0x494309寫入A相電壓的校正寄存器，則完成A相電壓的校正。校表完成后，處理器讀出的值要縮小2倍才能得到最終的測量電壓有效值：Urms=Vu／213／2=Vu／214。
    (2)A相電流的校正
    電流輸入為4 A，功率因數(shù)為1，在校正寄存器Igain為0時，讀A相電流有效值寄存器Li的值。十六進制為0x56d60，轉化成十進制為355 680。代入公式計算得到測量電流有效值：Irms=Ii×210／223=Ii／213=355 680／8 192=43．417 968 75。Ir為標準表讀出的實際輸入電流有效值即4 A。校表時Ir用24倍的電流輸入值代入計算，即Ir=4×24=64。Igain為A相電流的校正寄存器的值。當Igain=Ir／Irms-1=64／43．417 968 75-1=0．474 044 084 57>0時，則Igain=INT(Igain×223)=3 976 570=0x3cad7a。最后把0x3cad7a寫入A相電流的校正寄存器，則完成A相電流的校正。校表完成后，處理器讀出的值要再縮小24倍，才能得到最終的測量值，即Irms=Ii／213／24=Ii／217。
    其他參數(shù)的校正要根據(jù)ATT7022C的各個參數(shù)的校表公式來完成，這里不再贅述。校表完成后使用自耦調壓器調節(jié)負載兩端的電壓、電流，得到的測量數(shù)據(jù)如表1、表2所列。

結語
    通過基于ATT7022C和LPC2138的硬件電路設計、軟件的編程、校表及PCB板的制作，最終完成了整個模塊的設計。通過實驗得到的測量數(shù)據(jù)誤差較小，在模塊測量誤差允許的范圍內。模塊具有采集數(shù)據(jù)速度快、耗能低的特點，并能長期穩(wěn)定運行，達到了模塊設計的預期目標。該模塊可用于電力系統(tǒng)、礦井電網(wǎng)、抽油機等電參數(shù)的精確測量。