使用AD7755进行基于微控制器的能量计量

随着电能计量行业从机电仪表转向更精确的固态仪表，电源系统设计人员有机会整合以前无法实现的新功能。现在需要的是固态电表，它们比机电电表更准确地测量能量，包含多费率计费，并且能够由公用事业公司远程读取。本文介绍AD7755电能表集成电路如何用于具有断电检测和测量备份功能的三相电能计量，以及远程、自动、多速率计量。

AD7755是一款精密（至0.1%）单相电能测量IC。它接受一对表示电源线电压和电流的电压输入。在内部，这些信号通过过采样A/D转换器转换为数字域。固定功能的数字信号处理器连续将两个信号相乘;它们的乘积与瞬时功率成正比。经过低通滤波后，数字信号被转换为频率（根据可选设置进行缩放），以在端子F1、F2和CF产生频率输出。 F1和F2的信号可用于驱动机电计数器（通常以0.5至5 Hz的满量程速率），而更高频率的CF信号适用于校准。脉冲输出的频率（或速率）与仪表监控的瞬时有功功率成正比。因此，在给定的时间间隔内，在这些输出端产生的脉冲总数与传输到负载的能量成正比。反极性逻辑信号指示测量的瞬时功率何时变为负（即负载将净功率返回到线路）。

图1.AD7755的原理框图

CF 频率输出是与 F1、F2 输出成比例的脉冲序列，交流输入的满量程输出速率为 21.76 Hz、43.52 Hz 和 5.57 kHz。它非常适合与执行计算和决策的微控制器接口。图2显示了三个AD7755（每相一个）如何与微控制器配合使用来制作三相电表。

图2.基于三相微控制器的电能表功能框图

微控制器充当系统的“大脑”，执行所有必需的内务管理任务，并与其他组件（电能表IC、电源、EEPROM、显示器和操作仪表的按钮）进行交互，以查看能量或功率、校准相位或清除读数。除了低成本之外，微控制器的基本要求是：

*足够的 I/O 来驱动显示器。

如果使用LCD显示屏，则需要驱动程序。如果未将
LED 显示屏集成到 MCU 中，则可以通过 3 到 8 解码器轻松控制 LED 显示屏。

*中断。

为避免错过任何能量指示脉冲，可以将系统配置为
触发MCU中的中断。电源监视器在检测到掉电情况时可以生成
MCU中断，并启动
紧急电能测量备份。

*EEPROM串行接口。

只需使用两条或三条I/O线即可创建简单的串行接口。
内置串行接口的MCU使设计更加容易。

*定时器。

需要保持两个主要的时间间隔。首先，必须
将显示更新速率设置为大约 2 秒。此外，如果使用LED显示屏，
计时器必须以足够的速率循环显示数字，以尽量减少闪烁。
此外，校准程序必须仔细定时，但可以使用
中断后分频器来实现。

作为一项附加功能，可以使用第二个串行接口与主机系统通信，以进行远程/自动计量。此外，可以使用外部或内部时钟来实现多速率计量。

参考设计

我们采用三相电能表参考设计（图2）演示如何将多个AD7755连接至微控制器。它使用Microchip PIC16C67微控制器、串行EEPROM、8位LED显示屏、用于电流检测的电流互感器和用于电压检测的电阻分压器。电源由基于变压器的电源提供，具有功率损耗检测功能。

AD7755s的模拟接口配有用于电压通道的分压器电阻和用于电流通道的电流互感器。电流互感器提供一定程度的电气隔离，无需在仪表内安装电流检测分流器。微控制器代码以 C 编程语言编写，并已编程到 PIC16C67 中。所使用的特定编译器还包括一组连接到Microchip串行EEPROM的指令，该EEPROM存储能量测量数字和在校准模式下获得的计算限值。显示屏由 8 个 LED 数字组成，由 3 至 8 解码器多路复用。电源使用三个变压器、一个整流器和一个稳压器将 220V 三相交流电转换为直流电压，即使一相熄灭也能为电表供电。提供参考设计数据手册/应用笔记。

由于电表决定了用户的能源成本，因此电能表最重要的要求是随着时间的推移可靠性和准确性。能量以相当简单的方式测量 - 通过脉冲极限比较。在这种方法中，微控制器计算相位上的脉冲数，直到总数达到校准限值。此时，能量读数按显示器范围内的最小单位递增（在本例中为 0.01 kWh）。这种技术意味着显示寄存器只需要在必要时更新，并且还避免了可能导致仪表运行效率低下的复杂数字操作。

慢速模式下CF的最大输出频率为43.52 Hz，或156，672脉冲/小时。考虑到裕量，可以校准 220 伏、60 安培的系统，以便 0.01 kWh 的测量能量在 CF 上产生大约 100 个脉冲。 校准在高频模式下完成，其中 CF 上的最大频率快 128 倍，即 5.57 kHz。在校准期间，线路上的固定功率设置为在校准间隔内产生 1/128 kWh 的值。由于比例因子为128，当AD1返回到低频模式时，校准期间计数的脉冲数相当于7755 kWh。

假设在此间隔内计数了 10287 个脉冲。然后，显示器必须每 0.01 个脉冲增加 102.87 kWh，而不是每 100 个脉冲增加一次。这种小数N分计数可以通过多种方式完成。例如，在以 100 个增量推进显示器所需的时间内（即，以 1.00 kWH 的步长累积 0.01 kWh），其中 13 个步骤可以通过 102 个脉冲计数产生，其他 87 个步骤需要计数 103 个脉冲。已经使用的替代方案是，从每步 102 个脉冲开始，每 8 个脉冲增加 10 个脉冲千步进，每 7 个脉冲增加 100 个脉冲千步。

AD7755s上的高频设置可在更短的校准时间（约30秒）内产生更好的结果。由于系统可能的变化和历史惯例，三相电表的每个相位都是独立校准的。

结论

像上面描述的基本固态仪表设计很可能比机电仪表更准确、更可靠、更便宜，并且将允许增加有利于客户和公用事业公司的功能。在不久的将来，公用事业公司将远程监控您的能源消耗，并根据高峰和非周期使用向您收费，甚至（在摩托罗拉系统中）允许您跟踪使用情况。不仅测量将更加准确，而且在整个电网中实施的固态计量可实现更高效的能源管理。

审核编辑：郭婷