ADE7755在带CAN总线的工业用电度表中应用

　　引言

随着国民经济的不断发展，电力已经成为国家的重要能源。就民用电力来说，由于人民物质生活的极大丰富，生活质量迅速提高，对电力的需求也越来越大。但是，当前居民用电的管理过于落后，居民用电管理收费多年来一直采用先用电、后抄表、再付费的传统作业方式。工业用电大多使用三相电压，如三相380VAC,三相660VAC等。工业用电与居民用电的区别：工业用电大多使用三相电压，而民用电采用的是单相220VAC对居民供电，价格不同，工业用电价格高 ,在用电高峰期，往往因负荷过大而导致断电，而且工业用电的电压往往高于居民用电，也容易把家中的电器烧坏，存在极大的安全隐患。另外，如果断电后相当长的时间内难以恢复供电！据统计，仅电力部门的抄表队伍人数就数以万计，且人为方式弊端多，工作效率低，给管理部门造成了人力、物力、时间上的极大浪费。为了适应社会的需要，保证用户安全、合理、方便地用电，对传统的电表和用电的管理模式进行改造，使之符合社会发展的需要就显得很有必要。为了改进现有机车上使用的电度表，根据美国AD公司推出的电量计量专用芯片ADE7755,提出了一种新型的电量计量方案。根据本方案设计的电度表除具有高、抗干扰和电量数据能够实时传输的功能外，还具有可以修改电度表初值的优点。

　　硬件电路设计

目前广泛使用机械式、电磁型和机电型等电度表普遍存在一个不能实时传输电量数据的缺陷，且各自又有或差或抗干扰能力差等弱点。作者结合当前普遍流行的现场总线技术和AD公司的ADE7755电量计量专用芯片以及飞利普公司的P87C591单片机，提出了一种能实现数据实时传输且具有抗干扰能力的电量计量方案。

由PT和CT在电网中测得相应的电压和电流信号，送到ADE7755中进行电量计算，算出来的功率值分两种，一种是低频的平均功率值，送往机电式电度表用于显示；另一种是高频瞬时功率值，送入带CAN总线控制器的P87C591单片机，根据上位机的要求算出目前使用的电量值，并通过CAN总线，与上位机之间实现通信。

其中电压输入通道(V2N，V2P)输入电压信号是PT测得的电压信号在经过预防电磁干扰作用的铁氧体和衰减网络后进入的。

在电流和电压信号的输入端，进行了相应的滤波处理，以增强抗干扰能力。

　　ADE7755工作原理

美国模拟器件公司（ADI）的电力计量产品AD7755在中国市场上得到了一致的认可和广泛的应用，采用该芯片的电能表通过了IEC1036规范的，AD7755的高质量和高可靠性为电能形式表的质量提供了保证。ADE7755是一种高准确度电能测量集成电路，其技术指标超过了IEC1036规定的准确度要求。ADE7755只在ADC和基准源中使用模拟电路，所有其他信号处理（如相乘和滤波）都使用数字电路，这使ADE7755在恶劣的环境条件下仍能保持极高的准确度和长期稳定性。

若电压U(t)和电流I(t)均为正弦波，且：

则瞬时功率P(t)为

平均功率P为：

ADE7755 是一种采用电压和电流直接相乘的方法得到瞬时有功功率，再由瞬时有功功率求出平均有功功率。由电压传感器和电流传感器得到电压和电流信号分别经两路A/D转换器转换成数字信号送入电压通道V2N、V2P和电流通道V1N、V1P。电流通道中的高通滤波器是用来滤除电流分量中的直流电流，以便减小电流直流分量对瞬时有功功率计算的影响。经滤波后的电压和电流信号经乘法器相乘后，所得的信号经低通滤波器后滤掉交流分量后，得到的直流分量就是瞬时有功功率。此信号经过数频转换器转换成与平均有功功率成正比的低频信号经过F1、F2端口输出，同时从高频口CF输出与瞬时有功功率成正比的脉冲信号。低频端口F1和F2的输出脉冲频率freq与高频端口CF输出脉冲频率fCF可由下式确定：

其中系数Gin为输入增益，F 1-4为可由主时钟CLKIN获得的分频，Uref为基准电压，K为比例系数。

ADE7755的外围电路中，通过输出频率设置电路实现对CF口输出频率的设置，即电表常数的设置。本电表的电表常数设定为3200imp/kwh，即计录一千瓦的功率，要求ADE7755在CF口输出3200个脉冲。

图2 ADE7755的内部框图

ADE7755是一种高的电量计量芯片，在工频情况下，在500：1的动态范围内，达到0.1%。技术指标超过了IEC1036标准的要求。

的模拟电路是模数转换电路，其他电路都是采用数字电路，这保证了该芯片具有足够的抗干扰的能力。通过F1和F2实时输出功率信息，能直接驱动电度表计数器或直接和单片机连接。

　　电源电路的设计

ADE7755所用的+2.5V基准电压是用AD780实现的，其接口电路简单。5V的基准电源电路如图3所示：

图3 5V基准电源电路

经过此电路可以在电源模块MC7805的3端得到+5V的基准电源。其中R25为压敏变阻器。

　　P87C591外围电路和CAN总线部分设计

P87C591是一个单片8位高性能微控制器，具有片内CAN控制器，从80C51微控制器家族派生而来。它采用了强大的80C51指令集并成功地包含了PHILIPS半导体SJA1000 CAN控制器强大的PeliCAN功能。全静态内核提供了扩展的节电方式。振荡器可停止和恢复而不会丢失数据。改进的1:1内部时钟预分频器在12MHz外部时钟速率时实现500ns指令周期。微控制器以先进的CMOS工艺制造，并设计用于汽车和通用的工业应用。除了80C51的标准特性之外，器件还为这些应用提供许多专用的硬件功能。P87C591组合了P87C554（微控制器）和SJA1000（独立的CAN控制器）的功能，并具有下面的增强特性：增强的CAN接收中断；扩展的验收滤波器；验收滤波器可"在运行中改变".

通过P87C591电路可以实现指定时间内用电量的计算、数据存储、修改电度表数值和通过图4所示的CAN总线收发电路实现与上位机的通信。

有关P87C591外围电路设计，可以参见其他单片机的外围电路设计，这里不再赘述。

图4 CAN总线收发电路

连接P87C591和单片机之间的芯片是P82C250.图4这部分电路的原理可以参考有关CAN总线设计方面的资料，这里也不再阐述。

　　软件部分设计

本方案的软件部分主要由主程序和中断服务子程序组成。其中主程序完成的功能有芯片和CAN总线的初始化、进行电量的计算和存储。

中断服务子程序完成的功能是利用CAN总线实现和主机之间的通信和电表初值的设定。其中电表初值设置由上位机完成，这样可以节省单片机的外围电路并且可以防止现场人为恶意的更改电量值。其中CAN总线的初始化程序如下：

voidinit_can_controller（）

{

//进入CAN控制器复位模式

CANMOD=0x01; //将CAN控制器设置为复位模式以启动初始化

//TXDCPort（P1.1）配置

//管脚TXDC设置为推挽模式

P1M2=P1M2|0x02;//P1M2.1='1',P1M1.1='0'（默认）

CANADR=BTR0; //BTR0和BTR1编程为125kbit/s@12MHz

CANDAT=0x45;

CANADR=BTR1;//TSEG1=12,TSEG2=3,SJW=2

CANDAT=0x2B;//Sample=1->sample point~81%

//验收滤波器的配置-- Bank1的滤波器1配置为接收ID=010.0000.0xxx

CANADR=ACR10;//将地址设置到验收代码寄存器0（Bank1）

CANDAT=0x50;//验收代码0用于滤波

CANDAT=0xE0;

CANADR=AMR10;//将地址设置到验收屏蔽寄存器0（Bank1）

CANDAT=0x00;//bank1:验收屏蔽0

CANDAT=0x0F;//bank1:验收屏蔽1只与高四位有关

CANDAT=0xFF;//bank1:验收屏蔽2无关

CANDAT=0xFF;//bank1:验收屏蔽3无关

CANADR=ACFMOD;//将地址设置到ACF模式寄存器

CANDAT=0x55;//单验收滤波器使用11位ID（SFF）

CANADR=ACFPRIO;//将地址设置到ACF优先级寄存器

CANDAT=0xFF;//所有滤波器都为高优先级

　　结束语

综上所述，由于ADE7755是专用电量计量芯片，且具有抗干扰的优点，而P87C591及其外围电路也是当前成熟的技术，其可靠性和抗干扰性都得到了实际验证，所以本方案简单易行。

本方案虽是针对改进电力机车电度表而设计的。但由于电力机车工作于谐波污染严重工况，所以可以根据本方案针对实际情况作相应改动以适用于不同的工业场合。