關(guān)鍵詞：電能測(cè)量芯片 電力參數(shù)測(cè)量 微控制器系統(tǒng)

引言

SA9904B芯片是Sames公司推出的三相功率/電量測(cè)量專(zhuān)用集成電路芯片（ASIC），可直接測(cè)量單相、雙相和三要輸電線路的有功電能、無(wú)功電能、電壓有效值和頻率值。該芯片具有SPI接口，外部微處理器可通過(guò)此接口讀取原始值，再根據(jù)相應(yīng)的計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算，最后得到各項(xiàng)電力參數(shù)的測(cè)量值。

圖1 SA9904B內(nèi)部結(jié)構(gòu)

    此芯片的功能包括：

實(shí)時(shí)測(cè)量三相有功/無(wú)功能量；

電壓有效值和頻率的測(cè)量；

片內(nèi)集成基準(zhǔn)參考電壓源；

具有SPI（串行外圍接口）總線接口；

芯片功耗低于60mW，具有靜電保護(hù)功能，工作溫度范圍寬。

1 SA9904B內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理

SA9904B為混合模擬/數(shù)字信號(hào)的CMOS集成電路，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

內(nèi)部?jī)蓚€(gè)16位二階的∑-Δ模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，分別對(duì)電壓和電流模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理，得到的瞬時(shí)電壓與瞬時(shí)電流直接相乘得到瞬時(shí)功率。瞬時(shí)功率進(jìn)行低通濾波處理得到瞬時(shí)有功功率，而瞬時(shí)無(wú)功功率通過(guò)對(duì)電流信號(hào)進(jìn)行移相90°處理后得到。瞬時(shí)有功功率和瞬時(shí)無(wú)功功率經(jīng)過(guò)數(shù)字-頻率轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成正比的脈沖信號(hào)，這個(gè)信號(hào)被有功電能和無(wú)功電能計(jì)數(shù)器隨著時(shí)間進(jìn)行累加。芯片內(nèi)部設(shè)有電壓過(guò)零檢測(cè)電路，電壓每過(guò)零點(diǎn)產(chǎn)生一個(gè)寬度是1ms的脈沖，被頻率寄存器累加起來(lái)。電壓有效值是通過(guò)累加每個(gè)瞬時(shí)電壓采樣值并進(jìn)行數(shù)字處理后得到的。

該芯片直接測(cè)量每相電路的四個(gè)參數(shù)：有功電能、無(wú)功電能、電壓有效值和頻率值。其余電力參數(shù)，如電流、功率等，需要通過(guò)微控制器根據(jù)相應(yīng)的公式計(jì)算才能得到。

為了提高輸入信號(hào)的測(cè)量精度，SA9904B的模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用了∑-Δ調(diào)制技術(shù)，以提高其在基帶內(nèi)輸入信號(hào)的信噪比。

2 SA9904B引腳及功能

SA9904B的引腳如圖2所示。

GND為模擬地。

VDD為電源的正極。當(dāng)使用分流電阻檢測(cè)電流時(shí)，接+2.5V電壓；當(dāng)使用電流互感器時(shí)，接+5V電壓。

VSS為電源負(fù)極。當(dāng)使用分流電阻檢測(cè)電流時(shí)，接-2.5V電壓；當(dāng)使用電流互感器時(shí)，接0V電壓。

IVP1、IVP2、IVP3分別是1、2、3相的模擬電壓輸入端。當(dāng)測(cè)量的電壓為額定電壓時(shí)，要保證輸入到內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器的電流有效值為14μA，需要通過(guò)一個(gè)分壓電阻網(wǎng)來(lái)滿足這一要求。

圖3和圖4

    IIP1、IIN1、IIP2、IIN2、IIP3、IIN3分別是1、2、3相的模擬電流輸入端。當(dāng)測(cè)量的電流為額定電流時(shí)，要保證輸入到芯片上的A/D轉(zhuǎn)換器的電流有效值為16μA，需要通過(guò)一個(gè)分流電阻網(wǎng)來(lái)滿足這一要求。

VREF為參考電源的外接電阻端，通常需要接47kΩ電阻到地。

F50為電壓過(guò)零脈沖輸出端，輸出的脈沖頻率為交流電壓的頻率，脈沖寬度為1ms。

CS為芯片的片選信號(hào)輸入端，高電平有效。

DI、DO為串行數(shù)據(jù)的輸入、輸出端。

SCK為串行時(shí)鐘信號(hào)輸入端。

OSC1、OSC2為外部晶振的輸入、輸出端。

3 SA9904B的SPI接口

微控制器通過(guò)SPI端口實(shí)現(xiàn)對(duì)SA9904B內(nèi)部數(shù)據(jù)的訪問(wèn)。SPI接口由四根信號(hào)線組成：串行時(shí)鐘輸出端SCK、片選信號(hào)輸入端SC、串行數(shù)據(jù)輸入端DI、串行數(shù)據(jù)輸出端DO，時(shí)序如圖3所示。

當(dāng)CS為高電平時(shí)，DI引腳在SCK時(shí)鐘的上升沿輸入9位地址信號(hào)。其中高三位為寫(xiě)入地址的標(biāo)志位；A5、A4為保留位，可選0或1；有效地址為低4位。在SCK的上升沿檢測(cè)到地址的最低有效位A0輸出后，DO引腳在SCK的下降沿輸出相應(yīng)寄存器地址里的24位數(shù)據(jù)，高位在前，低位在后。當(dāng)24位數(shù)據(jù)輸出后，如果CS信號(hào)仍然有效，則DO引腳將繼續(xù)輸出下一個(gè)地址的寄存器數(shù)據(jù)，直到所有的數(shù)據(jù)輸出為止。

4 SA9904B在電力參數(shù)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用

電力參數(shù)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件組成結(jié)構(gòu)如圖4所示。待測(cè)的三相四線線路各相電壓、電流經(jīng)過(guò)電壓分壓網(wǎng)絡(luò)和電流互感器，轉(zhuǎn)化成符合SA9904B芯片要求的輸入信號(hào)，再經(jīng)過(guò)芯片內(nèi)部對(duì)電壓和電流進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)字運(yùn)算和能量累加，從而得到各相的有功電能、無(wú)功電能、電壓有效值和頻率值的原始寄存器值。這些值通過(guò)SPI接口傳送到微控制器。

本系統(tǒng)選用高性價(jià)比的微控制器W78E58，完成各種電力參數(shù)的計(jì)算、通信命令處理和控制功能。W78E58內(nèi)部集成了32KB的ROM，程序存儲(chǔ)穴是滿足系統(tǒng)的需求，因而不需要外部擴(kuò)展ROM。片外擴(kuò)展了128KB的RAM，用以存放電壓參數(shù)值，并有掉電保護(hù)電路，以保證數(shù)據(jù)在掉電時(shí)不會(huì)丟失。

DS12B887能夠提供實(shí)時(shí)時(shí)間，以便進(jìn)行時(shí)間及時(shí)段判斷，從而執(zhí)行相應(yīng)的電能累計(jì)程序。CPLD（復(fù)雜可編程邏輯器件）EPM7032的內(nèi)部設(shè)計(jì)了讀取8路遙信量輸入、執(zhí)行4路遙控量輸出以及產(chǎn)生各芯片片選信號(hào)的邏輯選信號(hào)有：DS12B887片選信號(hào)、SA9904B片選信號(hào)、X25045片選信號(hào)、628128RAM片選信號(hào)、DI選通信號(hào)和DO選通信號(hào)等。

2片74LS164芯片驅(qū)動(dòng)16路發(fā)光二極管（LED）。這些發(fā)光二極管用于指示數(shù)字量輸入/輸出狀態(tài)、通信狀態(tài)、電源狀態(tài)、自檢/錯(cuò)誤狀態(tài)等。芯片X25045作為看門(mén)狗設(shè)置，加強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾性能。另外，該芯片還存儲(chǔ)了模擬的地址號(hào)。

系統(tǒng)的通信有兩種方式可以選擇：一種是通過(guò)RS485總線通信，芯片75LBC184實(shí)現(xiàn)TTL與RS485之間的電平轉(zhuǎn)換；另一種是通過(guò)LonWorks總線通信，LonWorks主控制模塊的Neuron芯片采用RS232半雙工異步串行通信模式，采用網(wǎng)絡(luò)變量和網(wǎng)絡(luò)消息的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

微控制器W78E58采用主從方式傳輸數(shù)據(jù)，由監(jiān)控主機(jī)或其它的智能節(jié)點(diǎn)（主）發(fā)送命令；本模塊（從）做出相應(yīng)的應(yīng)答，在協(xié)議幀中加入CRC-16校驗(yàn)碼，以保證通信數(shù)據(jù)的正確性。

5 系統(tǒng)軟件

電力參數(shù)遠(yuǎn)程測(cè)控系統(tǒng)的軟件包括系統(tǒng)初始化、時(shí)間讀取與時(shí)段判斷程序、電力參數(shù)計(jì)算、通信命令處理、產(chǎn)生各種歷史及報(bào)警記錄、顯示狀態(tài)等模塊。軟件流程如圖5所示。

其中電力參數(shù)計(jì)算模塊將完成電力參數(shù)濾波、電力參數(shù)計(jì)算以及電能累加功能。系統(tǒng)實(shí)時(shí)讀取SA9904B芯片內(nèi)部存儲(chǔ)的各相有功電能、無(wú)功電能、電壓有效值和頻率原始值。經(jīng)過(guò)濾波處理，獲得正確的電力參數(shù)，并通過(guò)計(jì)算公式完成三相電壓、電流、有功功率、無(wú)功功率、功率因數(shù)、頻率等測(cè)量。

結(jié)語(yǔ)

該系統(tǒng)中采用SA9904B芯片，大大減少了軟件中的計(jì)算工作，提高了系統(tǒng)的測(cè)量精度。同時(shí)采用LonWorks總線傳輸實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，也有效地提高了系統(tǒng)的抗干擾能力及穩(wěn)定性。