1 概述

　　電子式電能表在未來(lái)幾年內(nèi)將成為電能表市場(chǎng)的主流產(chǎn)品，而電能表內(nèi)部的計(jì)量IC是體現(xiàn)整表性能、功能和價(jià)格的核心。美國(guó)和歐洲電子式電能表器件的主要供應(yīng)商奧地利微電子公司(Austria Microsystems)推出了功率計(jì)量集成電路AS8228。該器件內(nèi)部集成有精確的單/雙路電流輸入能量測(cè)量前端、8位8051兼容微控制單元MCU、96段液晶顯示驅(qū)動(dòng)(LCDD)、12個(gè)可編程多功能輸入/輸出腳(I/Os)、4線串行外設(shè)接口(SPI)、系統(tǒng)控制模塊(SCT)以及由外部備用電池供電的實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC),基于AS8228的單相電子式電能表完全滿(mǎn)足國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)TEC62052和ANSI中的指標(biāo)。不僅提高了能量計(jì)量可靠性，保證了計(jì)量產(chǎn)品在功能設(shè)計(jì)上的靈活性,而且極大簡(jiǎn)化了計(jì)量系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。

　　2 主要特點(diǎn)和引腳功能[1]

　　AS8228的主要特點(diǎn)如下：

　　精確的能量測(cè)量前端為單相，單/雙路電流輸入，包括∑-△A/D轉(zhuǎn)換器和數(shù)字信號(hào)處理器，測(cè)量誤差小于±0.1%。動(dòng)態(tài)范圍達(dá)到1000：1[2];

　　兩電流通道可進(jìn)行數(shù)字相位校準(zhǔn)和增益放大倍數(shù)選擇：

　　內(nèi)置的電源監(jiān)視器用于上電復(fù)位和掉電監(jiān)測(cè)：

　　可編程的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)8位8051兼容微控制器,配置了24 KB的程序RAM和1KB的數(shù)據(jù)RAM：

　　兩個(gè)專(zhuān)為訪問(wèn)和調(diào)試目的配置的通用異步收發(fā)器(UART)：

　　可編程看門(mén)狗定時(shí)器：

　　可進(jìn)行片上數(shù)字校準(zhǔn),外部備用電池供電的實(shí)時(shí)時(shí)鐘/日歷，能直接向微控制器提供日期、時(shí)間及警報(bào)數(shù)據(jù)，數(shù)字刻度優(yōu)于6×10-6;

　　外部單獨(dú)的電池電源引腳和系統(tǒng)復(fù)位引腳;

　　小溫度系數(shù)的參考電壓，典型值為30x10-6/k;

　　低功率3.0 MHz～4.0 MHz的晶體振蕩器;

　　96段標(biāo)準(zhǔn)的片上LCDD接口：

　　12個(gè)可編程多功能輸入/輸出引腳。用于數(shù)據(jù)傳輸方向、上拉/下拉電阻器和驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度選擇;

　　功率測(cè)量時(shí)可進(jìn)行主電流超前或滯后主電壓狀態(tài)指示;

　　標(biāo)準(zhǔn)的SPI接口能從外部非易失存儲(chǔ)器(E2PROM )中讀/寫(xiě)數(shù)據(jù);

　　存儲(chǔ)溫度范圍：-55℃～+125℃，正常工作溫度范圍：-40℃～+85℃。

　　AS8228采用64引腳LQFP封裝，各引腳功能如下：

　　VP，VN(1,2)：電壓通道的差模模擬輸入，范圍是±100 mV;

　　11P，11N(3，4)：電流通道1的差模模擬輸入，范圍是+150 mV(PGA設(shè)置為4時(shí));

　　12P,12N(5，6)：電流通道2的差模模擬輸入，范圍是±150 mV(PGA設(shè)置為4時(shí));

　　VDDA(7)：模擬電源，3.3 V±10%供電;

　　VSSA(8)：模擬地，OV供電;

　　IO0～I(xiàn)O11(9～12，15～19，26～28)：可編程多功能輸入/輸出口;

　　VDDD(13，22)：數(shù)字電源，3.3 V±10%供電;

　　VSSD(14，21)：數(shù)字地，O V供電;

　　SI(20)：外部存儲(chǔ)器接口(串行數(shù)據(jù)輸入腳);

　　S N(23)：外部存儲(chǔ)器接口(片選信號(hào)，低有效);

　　SO(24)：外部存儲(chǔ)器接口(串行數(shù)據(jù)輸出腳);

　　SO(25)：外部存儲(chǔ)器接口(串行時(shí)鐘輸出腳);

　　TXD,RXD(29，30)：通用異步收發(fā)器UART1發(fā)送、接收端;

　　VDD_BAT(31)：后備電池電壓輸入端，2.0 V～3.6 V供電;

　　XIN,XOUT(32，33)：時(shí)鐘輸入，外接3.0 MHz～4.0 MHz晶體振蕩器，典型值為3.579 545 MHz;

　　RES_N(34)：系統(tǒng)復(fù)位端，低有效;

　　LBP0～LBP3(37，38，39，40)：LCD塊驅(qū)動(dòng)輸出公共端;

　　LSDO～LSD23(41～64)：LCD段驅(qū)動(dòng)輸出端。

　　3 AS8228的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

　　圖1所示為AS8228的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖。AS8228片內(nèi)提供了單相計(jì)量所要求的全部功能模塊，包括能量測(cè)量前端、工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的8位8051兼容微控制器MCU、系統(tǒng)計(jì)時(shí)與實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊、系統(tǒng)控制模塊、96段LCDD以及12個(gè)可編程多功能輸入/輸出引腳和標(biāo)準(zhǔn)的SPI接口。

　　

　　3.1 能量測(cè)量前端

　　精確的能量測(cè)量前端是由模擬前端(AFE)和可編程DSP組成。

　　模擬前端有3路差模模擬輸人，專(zhuān)門(mén)用于主電壓、單路電流(相電流)或兩路電流(相電流和中性點(diǎn)電流)的測(cè)量。兩路輸入電流先經(jīng)可編程增益放大器(PGA)進(jìn)行增益放大，然后經(jīng)∑-△A/D轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)字信號(hào)。輸出結(jié)果和經(jīng)∑-△調(diào)制器采樣的輸入電壓分別經(jīng)過(guò)三個(gè)可選的補(bǔ)償濾波器，該濾波器補(bǔ)償通過(guò)前面濾波器所產(chǎn)生的幅值損耗，再通過(guò)三個(gè)可選的高通濾波器除去在有效值和電能計(jì)算之前電流和電壓中的直流成分，高通濾波器的轉(zhuǎn)折頻率小于10 Hz。濾波后的電壓、電流值先用于功率計(jì)算。然后再校準(zhǔn)計(jì)算有效值。

　　兩路電流可通過(guò)兩電流傳感器或一只分流電阻和一個(gè)電流傳感器獲取，這樣可確保在任何一個(gè)竊電連接裝置有所改變時(shí)，即包括接人和接出的相互轉(zhuǎn)換、相和中性點(diǎn)的相互轉(zhuǎn)換、中性點(diǎn)撤消或同時(shí)出現(xiàn)這幾種情況時(shí)，電表依然可以測(cè)量和記錄電能[3]。內(nèi)部增益放大器的增益可編程選擇4、16或20。當(dāng)選擇不同的PGA時(shí)，輸入差模電壓的范圍不同，獲取電流的途徑也不相同，如表1所示。

　　

　　電壓的獲取可通過(guò)低成本的電壓分阻網(wǎng)絡(luò)，使差模輸入在額定條件下為100 mV。

　　計(jì)算功率時(shí)，電流取任意一路或兩路中較大的一路電路，電壓取線路電壓或內(nèi)部設(shè)定的一常數(shù)電壓值(默認(rèn)為083Dh，等效主電壓311 V)。有功功率由瞬時(shí)功率通過(guò)低通濾波器獲得，低通濾波器的截止頻率為18.6 Hz。

　　如果設(shè)計(jì)成傳統(tǒng)的單相電流計(jì)算，則只接電流通道1取相電流，通道2不連接。

　　片上DSP對(duì)ADC輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理,為MCU提供適合的數(shù)據(jù)和協(xié)議。再由電表生產(chǎn)廠商對(duì)MCU自由編程實(shí)現(xiàn)電表要求的所有功能，包括有功功率、無(wú)功功率、視在功率、主電壓有效值、主電流有效值和功率因數(shù)等。計(jì)量廠商可根據(jù)要求設(shè)計(jì)產(chǎn)品，保證了靈活性。

　　DSP內(nèi)部有儀表數(shù)據(jù)寄存器(MDR)和設(shè)置寄存器(SREG)。MDR中存儲(chǔ)最新的數(shù)據(jù)供MCU處理，共有5個(gè)，如表2所示。SREG對(duì)電表的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置和指示，共13個(gè)，如表3所示。

　　

　　

　　內(nèi)部參考電壓為整個(gè)電路提供溫度穩(wěn)定性,確保AS8228的測(cè)量精度。

　　內(nèi)置的電源監(jiān)視器(PSM)確保當(dāng)電源電壓上升和下降時(shí)，系統(tǒng)能獨(dú)立產(chǎn)生復(fù)位。

　　3.2 微控制單元MCU

　　微控制單元MCU與標(biāo)準(zhǔn)的8051微控制器兼容，內(nèi)含一個(gè)微處理器核、程序存儲(chǔ)器(P_RAM)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(X_RAM)、內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(I_RAM)、方根計(jì)算單元、計(jì)數(shù)器Timer0和通用異步收發(fā)器UART2。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　

　　微控制單元MCU有如下特點(diǎn)：

　　采用了Von Neumann結(jié)構(gòu)。程序和數(shù)據(jù)單元地址部分共享：

　　比標(biāo)準(zhǔn)的8051更優(yōu)化的時(shí)鐘周期。部分指令可以在單個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成：

　　8051標(biāo)準(zhǔn)的16位計(jì)數(shù)器Timer0和RS232串口UART1：

　　特殊功能寄存器：通用異步收發(fā)器UART2，方根模塊SQRT：

　　完全兼容8051指令系統(tǒng)：

　　7個(gè)內(nèi)部中斷源：

　　每條指令占用6個(gè)時(shí)鐘周期(標(biāo)準(zhǔn)的8051則為12個(gè)時(shí)鐘周期)。

　　3.3 液晶顯示驅(qū)動(dòng)(LCDD)

　　LCDD幾乎可以直接驅(qū)動(dòng)24×4段任何類(lèi)型的液晶(LCD)。LCD的數(shù)據(jù)寄存器有兩組，用于輪流接收和存儲(chǔ)將要送去顯示的信息。LCDD的控制模塊選擇某一組寄存器，將信息譯碼，并適時(shí)地送到相應(yīng)的段顯示，使編程簡(jiǎn)單化。調(diào)節(jié)LCD對(duì)比度的電壓值為均分在2.5 V～3.0 V的8個(gè)值中的一個(gè),通過(guò)寄存器selvlcd[2：0]選取。LCD的段和公共端的驅(qū)

　　動(dòng)電壓有4個(gè)，分別選定電壓值的0、1/3、2/3和l。

　　3.4 串行外設(shè)接口(SPI)

　　串行外設(shè)接口是一個(gè)同步、位串聯(lián)的4線接口，全雙工傳輸數(shù)據(jù)，用于直接與外部E2PROM通信。通信時(shí)，SPI與E2PROM有嚴(yán)格的主從關(guān)系，系統(tǒng)啟動(dòng)后，引導(dǎo)裝入程序控制SPI自動(dòng)讀取E2PROM中的內(nèi)容,然后才可對(duì)MCU編程。其主要特點(diǎn)如下：

　　標(biāo)準(zhǔn)的4線同步串口(SI，SO，SC，s_N);

　　只運(yùn)行在主方式下;

　　8位的字長(zhǎng);

　　SC空閑時(shí)為高電平;

　　先發(fā)送最高位;

　　4個(gè)可供選擇的時(shí)鐘配置;

　　SPI時(shí)鐘分辨率可在mcu_clk/2～mcu_clk/65536之間選擇：

　　3個(gè)可屏蔽中斷：傳輸完成，溢出和傳輸碰撞。

　　當(dāng)S N=0時(shí),數(shù)據(jù)在SC的下降沿輸出，上升沿輸入。其時(shí)序如圖3所示。

　　

　　SPI由4個(gè)寄存器對(duì)其進(jìn)行管理，分別為控制寄存器(SSPCON)、時(shí)鐘配置寄存器(SSPCLKDIV)、狀態(tài)寄存器(SSPSTAT)和數(shù)據(jù)寄存器(SSPBUF)，地址空間范圍為：9400h～9403h。

　　3.5 系統(tǒng)控制模塊(SCT)

　　SCT在處理不同的運(yùn)行方式(正常方式、測(cè)試方式)，時(shí)鐘產(chǎn)生和復(fù)位控制等方面起作用。內(nèi)部異步收發(fā)模塊UART1提供AS8228與外部通信的接口，包括寫(xiě)入程序和數(shù)據(jù)。E2PROM中的程序就是直接通過(guò)UART1端口RXT寫(xiě)入的，也可通過(guò)UART2和

　　MCU寫(xiě)入,但此時(shí)需要一個(gè)專(zhuān)用的NCU程序處理此數(shù)據(jù)流和指定專(zhuān)用的I/O口作為,AS8228與外部通信的接口。當(dāng)然，要從E2PROM中讀取數(shù)據(jù)，也可以通過(guò)UART端口。傳輸協(xié)議為：

　　

　　3.6 系統(tǒng)計(jì)時(shí)和實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊

　　系統(tǒng)計(jì)時(shí)和實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊內(nèi)部包含低功率晶體振蕩器(LP_OSC)，低功率分配器(LP_DIV)和實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊(RTC)。當(dāng)外部電源VDD供電中斷時(shí)，由AS8228的VDD_BAT引腳外接3.3 V后備電池供電。

　　低功率振蕩器外接3.0 MHz～4.0 MHz的晶體振蕩器，提供系統(tǒng)時(shí)鐘。振蕩器可工作在兩種模式：正常模式和低功率模式。低功率模式時(shí)電路其他部分不工作。

　　低功率分配器先將振蕩器提供的主時(shí)鐘除以固定值5作為可編程分配器輸人，通過(guò)設(shè)置相關(guān)的寄存器對(duì)輸入時(shí)鐘進(jìn)行分割，給實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊提供1 Hz的信號(hào)。時(shí)鐘模塊與MCU之間通過(guò)專(zhuān)用的接口寄存器相連。

　　4 AS8228應(yīng)用電路設(shè)計(jì)

　　圖4是AS8228在電能計(jì)量中的典型應(yīng)用電路。3.3 V的工作電源是通過(guò)電壓調(diào)節(jié)電路直接從線路上取得。

　　通道1的電流是用一個(gè)分流電阻獲取，分流電阻的大小與PGA的選取和主電流大小均有關(guān)。若PGA=20,主電流的有效值Irms=60 A，則分流電阻Rsh=30 mV/(21/2×60 A)=354μΩ。

　　通道2的電流是電流傳感器獲取，電流傳感器的次級(jí)繞阻輸出負(fù)載阻抗大小與額定條件下其二次側(cè)電流有效值和,PGA的選取有關(guān)。若電流傳感器的型號(hào)為60 A/24 mA,PGA=4，則輸出負(fù)載阻抗，

選擇4.3 Ω。

　　若電壓通道接入的電壓有效值為230 V，則由電壓分阻網(wǎng)絡(luò)可得：

　　

　　12個(gè)輸入/輸出端可以指定為輸入或輸出。它通過(guò)相關(guān)的寄存器編程設(shè)置數(shù)據(jù)傳輸方向、上拉或下拉電阻以及驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度(4 mA或8 mA)。寄存器總共5類(lèi)，分別為：配置寄存器、輸入寄存器、輸出寄存器、脈沖計(jì)數(shù)寄存器和狀態(tài)寄存器,地址空間范圍為9500h～951Fh。本設(shè)計(jì)任意選擇三個(gè)端口分別用于校表、能量方向指示、電流通道1或通道2選擇。

　　

　　與SPI接口連接的E2PROM必須滿(mǎn)足AS8228對(duì)外部存儲(chǔ)器的最低要求：

　　典型的SPI引腳：EEP_SI、EEP_SO、EEP_SC、EEP_S_N;

　　為了滿(mǎn)足當(dāng)mcu_clk最大為4 MHz時(shí)，程序被正確的引導(dǎo)裝入,串行輸入時(shí)鐘≥1 MHz。

　　狀態(tài)寄存器如下所示：

　　

　　BP0，BP1用于指定保護(hù)數(shù)據(jù)塊的大小，如表4所示。

　　

　　從表中可以看出，所指定保護(hù)數(shù)據(jù)塊的大小依賴(lài)于具體E2PROM的大小。b0位必須是WIP，指示是否正在對(duì)E2PROM進(jìn)行寫(xiě)操作：

　　引導(dǎo)裝入程序通過(guò)配置至少要有4條指令(WREN、RDSR、READ和WRITE)下載用戶(hù)程序，系統(tǒng)控制單元通過(guò)兩條指令(READ_和WRITE_P)上載用戶(hù)程序和數(shù)據(jù)到E2PROM;

　　E2PROM運(yùn)行有兩種模式：CPOL=O,CPHA=0和CPOL=1，CPHA=1(推薦)。在CPOL=1，CPHA=1模式下，數(shù)據(jù)在SC的下降沿輸出，上升沿輸入;空閑時(shí)，SC為高電平;

　　數(shù)據(jù)循環(huán)存放，即當(dāng)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的地址達(dá)到存儲(chǔ)器的最大地址時(shí)。地址指針指向0000h;

　　程序的長(zhǎng)度放在地址內(nèi)容的最高兩位，數(shù)據(jù)讀寫(xiě)時(shí)先取指令、地址，再傳輸數(shù)據(jù)長(zhǎng)度和內(nèi)容。

　　為了滿(mǎn)足以上要求，選用Microchip公司的25AA640-I/SN。其存儲(chǔ)容量為8 KB，工作電壓范圍為1.8 V～5.5 V。最大時(shí)鐘頻率為1 MHz[4]。

　　后備電池電壓在2.0 V～3.6 V之間選取，這里選用3.3 V。

　　5 結(jié)束語(yǔ)

　　AS8228是一種低功耗、高精度和高性能的能量計(jì)量電路。它內(nèi)部集成了電力公司所要求的全部防竊電功能。確保電表在大部分逆向篡改運(yùn)行情況下能正常地計(jì)量用電量，不僅提高了計(jì)量可靠性，大大減輕了編程人員的負(fù)擔(dān)，保證了計(jì)量廠商在計(jì)量產(chǎn)品功能設(shè)計(jì)上的靈活性。而且使得計(jì)量系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)得到極大的簡(jiǎn)化，縮短了產(chǎn)品上市時(shí)間。