2018年04月05日 | 基于ADE7878和嵌入式技术设计的多路电参教采集系统的设计

    随着社会用电容量的扩大，通过适时检测用电信息，实现配电自动化和管理自动化，迫切需要电量检测及配送向高精度，多功能，智能化方向发展。传统设备存进行多路电量参数监测时，往往采用多个电量监测仪器的方法，区分检测主回路和支路电量参数，系统复杂，成本高。因此，研制一种可以进行多路电量检测系统是十分必要的。为此，三相数字电表是通过使用嵌入式系统，将采样、DSP、ARM等技术集成在一起，实现复费率、多种参数的测量显示、接口丰富、易于扩展的数字电表。文中基于ADE7878芯片设计了一种数控电量检测系统，其可测量1路电压，4路电流，4路功率，1路电能，检测精度均可达1％，并给出了系统的软硬件设计，该设计已在相关产品的研制中得到了应用。同时此设计方法也为相关产品的开发奠定了基础。

    1 ADE7878简介

    ADE7878是一款高精度、三相电能测量IC。ADE7878适合测量各种三线、四线的二三相配置有功、无功和视在功率，例如Y形或三角形等。各相均具有系统校准功能，即有效值失调校正、相位校准和增益校准。CF1、CF2和CF3逻辑输出可提供许多功率信息：总／基波有功／无功功率、总视在功率或电流有效值和。

    ADE7878具有波形采样寄存器，允许访问所有ADC输出。该器件还提供电能质量测量，例如：短时低压或高压检测、短时高电流变化、线路电压周期测量以及相位电压与电流之间的角度等。利用两个串行接口SPI和I2C，可以与ADE7878通信，同时专用高速接口、高速数据采集(HSDC)端口可以与I2C配合使用，以访问ADC输出和实时功率信息。该器件还有两个中断请求引脚／IRQ0和／IRQ1，用来指示一个使能的中断事件已经发生。

    2 电量检测系统设计

    2．1 系统设计原理

    整个检测系统由LPC2132控制及数据存储模块、信号调理和采集模块、多路信号切换模块和通讯模块组成。我们采用LPC2132控制芯片实现电量检测系统的各项功能。交流电压和电流信号，经过信号调理电路，经过4052多路信号切换电路，输出ADE7878采样范围内的信号，ADE7 878将模拟量信号转换为数字量，LPC2132芯片通过I2C通信接口，获取ADE7878的数据，同时LPC2132适时切换4052多路开关，切换各个支路电流信号输出到ADE7878芯片。检测系统配有EEPROM掉电存储单元，可以将ADE7878的校表参数及电能数据存储。通讯模块通过RS485通信接口，可以与计算机进行数据通信，上传采集到的数据信息。电量检测系统实现原理如图1所示。

    2．2 系统硬件设计

    硬件系统设计主要分信号调理和采集模块、多路信号切换模块、MCU控制及数据存储模块和通信模块3部分。

    2．2．1 信号调理和采集模块

    电压采样采用电阻分压的方式实现，用大电阻及小电阻串联，采样小电阻两端电压信号，这样输出端VA(VB，VC)输出一个范围在0～500 mV之间的模拟电压。该模拟电压信号输入到ADE7878中。信号调理和采集电路原理图，如图2所示。

    电压采样电路计算公式及电压系数如式(1)、(2)所示。
    
    电流采样的传感器采用电流互感器，一次侧直接为实际测量线路，其二次侧输出为电流信号(具体输出电流大小根据需要而定)，故电流采样采用串联电阻的方式实现，采用两个电阻串联实现，这样可得到一个范围在0～500 mV之间的交流电压信号。该模拟电压信号输入到ADE 7878中电流采样电路计算及电流系数计算公式如式(3)、(4)所示。
   
    在进行多路电量信号采集时，需要通过适时切换4052接入ADE7878芯片的模拟信号。实际电路中由于选用电阻本身的误差和输入失调、温漂等问题的存在，上述计算公式零位和线性系数会稍有偏差，可以通过标定得到准确的系数和零位。
2．2．2 MCU控制系统的设计
    为了提高采集系统的可靠性，选用基于32位ARM7内核的LPC2132芯片作为主处理器及外部的复位电路实现可靠复位。这样使用一个小的、廉价的处理器核就可实现很高的指令吞吐量和实时的中断响应。MCU控制系统电路原理图，如图3所示。

    为了使系统能够正确复位，在此系统中，使用专用复位芯片CAT1025复位。CAT1025集成了系统电源监视电路。当系统电压高于设定电压时，延时200 ms启动系统，这使系统在上电时的复位时间大于LPC2132芯片所需要的复位时间，使系统正常复位。

    2．2．3 多路信号切换模块的设计

    本系统，采用一个电能芯片可采集4路的电流，功率或单路电流，功率，电能数据，其实现多路电流检测的关键是通过CD4052／CC4052切换各路电流信号接入ADE7878芯片。

    CD4052／CC4052是一个差分4通道数字控制模拟开关，有A、B 2个二进制控制输入端和INH输入，具有低导通阻抗和很低的截止漏电流。这些开关电路在整个电源范围内具有极低的静态功耗，与控制信号的逻辑状态无关。二位二进制输入信号选通4对通道中的一通道，可连接该输入至输出。其典型应用原理如图4所示。

    在采集多路电流时，LPC2132通过CD4052控制端控制各支路信号接入ADE7878采样管脚，由于ADE7878芯片内部有DSP算法原理，存在数据建立时间问题，故检测各支路电流信号的接入时间不要太短，否则正确数据没有运算完成，数据误差较大。为了防止CD4052控制信号线干扰现象发生，将控制信号线接上拉电阻，这样对切换过程影响小，工作可靠。

    2．2．4 通信模块的设计

    LPC2132芯片串行通信接口采用的是TTL电平，它不能直接与PC机标准串行通信接口连接通信，必须设计TTL电平到RS485协议电平信号的转换电路。

    MAX485是一种把TTL电平转换为RS485电平的芯片。RS485总线标准采用平衡发送和差分接收的方式进行数据通讯，利用信号线A、B间的电压差传输数据，属于两线制的信号传输方式。RS-485总线用于多点互联时非常方便，可以省掉许多信号线，应用RS-485可以互联构成分布式系统，允许最多并联32台驱动器和32台接收器，但对同一信号线上同一时刻只允许一个驱动器工作。

    2．3 系统软件设计

    本系统中，单片机程序由3个模块组成，分别是初始化模块，串口通信模块及ADE7878通信及控制模块。

    系统复位后，单片机先进行各参数(如串口通信波特率)初始化设置．并从EEPROM芯片读取ADE7878校准参数及存储的电能参数，将校准参数写入ADE7878芯片，实现电量参数的准确检测。继而间隔固定时间，适时操作4052开关电路，切换采集各路电量数据，并渎取ADE7878采集的各路电量参数，及时将电能参数存储到EEPROM芯片，并适时清看门狗。如果有正确通信事件发生，则将采集到的电量数据经RS485通信接口上传数据。程序控制流程如图5所示。

    3 结论

    本系统采用的电路，用一个电能计量芯片即可实现多路电量数据的采集工作，并且在各电量数据额定采样范围内，精度均可达1％，电路简单，应用灵活、精度高、成本低廉。系统各项技术指标均达到了设计要求，工作可靠，并已投入使用，有较高的使用价值，对过程监控、数据采集等系统的开发具有借鉴意义。