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基于CSE7780的單相智能電表設(shè)計

   2013年02月19日 14:35  
  CSE7780是深圳市芯海科技有限公司繼2007年推出高精度單相有功功率計量芯片CSE7755B實現(xiàn)低成本電表方案,以及2009年推出*國內(nèi)數(shù)模混合三相電能計量芯片空缺的三相電能計量芯片CSE7752后,又成功推出的能夠測量電壓有效值、電流有效值、平均有功功率等各種電氣參數(shù),且具有防竊電功能的單相多功能計量芯片。基于該芯片的電表方案*符合國網(wǎng)新標(biāo)準(zhǔn),從而使得芯海科技成為目前符合國網(wǎng)新標(biāo)準(zhǔn)的少數(shù)幾個芯片供應(yīng)商之一。
  
  基于CSE7780設(shè)計的智能電能表旨在使設(shè)計方案更加合理,使之成為性價比更具優(yōu)勢的產(chǎn)品。本文對計量芯片CSE7780的性能特點和結(jié)構(gòu)電路進行了分析,并從軟、硬件兩個方面給出符合國網(wǎng)智能電能表要求的設(shè)計方法。
  
  符合國網(wǎng)新標(biāo)準(zhǔn)電能計量方案
  
  CSE7780是一款高精度單相電能計量芯片,在動態(tài)范圍(1500:1)內(nèi),非線性誤差小于0.1%,提供兩路電流有效值、一路電壓有效值,在動態(tài)400:1的范圍內(nèi),有效值誤差小于0.5%。
  
  該芯片能夠提供有功功率、有功能量、電流有效值、電壓有效值、線頻率、過零中斷等功能,以及提供全數(shù)字增益、相位、失調(diào)校準(zhǔn),有功能量脈沖從PF管腳輸出。CSE7780通過一個SPI串行接口可以與外部的MCU進行通信;具有潛動閾值可調(diào)功能;內(nèi)部具有電源監(jiān)控電路,可以保障芯片的正常工作。CSE7780使用5V單工作電源,內(nèi)置2.5V電壓參考源,也可以使用外置的2.5V參考源。
  
  CSE7780的內(nèi)部功能結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。在芯片工作時,將采樣到的電流、電壓信號先經(jīng)過增益放大器,將采樣信號放大,然后再通過高精度的Sigma-Delta、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號,得到的數(shù)字信號通過低通濾波器、高通濾波器濾去高頻噪聲與直流增益,從而得到需要的電流、電壓采樣量化的數(shù)據(jù)。將這些數(shù)據(jù)相乘,經(jīng)過低通濾波器輸出平均有功功率;電流、電壓量化后的數(shù)據(jù)通過平方電路、低通濾波器、開方電路得到電流、電壓有效值。將有功功率按時間積分,計算出有功能量。通過能量頻率轉(zhuǎn)換器將得到的能量通過PF引腳輸出,也可通過SPI總線獲得經(jīng)過數(shù)字信號處理得到的數(shù)字化數(shù)值。
  
  圖1:CSE7780結(jié)構(gòu)框圖
  
  軟件設(shè)計
  
  CSE7780寄存器的配置流程如圖2所示,先設(shè)置好計量控制寄存器,能后再配置校表寄存器。
  
  圖2:參數(shù)配置流程圖
  
  1.CSE7780ADC參數(shù)設(shè)計
  
  以設(shè)計一款額定電壓220V(Un)、10(60)A電流規(guī)格、表常數(shù)為1600imp/KWh的電表為例,由于電流輸入通道允許輸入zui大信號為±700mV的峰峰值(有效值為495mVrms),10(60)A的表考慮到通道A發(fā)熱的情況,可選擇200~250微歐的錳銅,若以250微歐的錳銅來采樣,在Imax=60A時,通道A的采樣信號為60A*250μΩ=15mV,由于電流通道A的允許zui大輸入信號為495mV,因此電流通道的增益選擇可配置成16,通道B采用2500:1的互感器;負(fù)載電阻10Ω,電流通道B增益設(shè)置為1。電壓通道允許zui大輸入信號為±700mV的峰峰值,考慮到電壓會有130%Un過壓,可將電壓采樣信號通過網(wǎng)絡(luò)電阻將220V交流電壓信號降至220mV左右,電壓通道增益選擇為1。
  
  通過上述的論述,我們需將電流通道A的增益設(shè)置為16,電流通道B的增益設(shè)置為1,電壓通道的增益設(shè)置為1,因此SYSCON寄存器應(yīng)設(shè)置為00C0H。
  
  2.HFConst寄存器的設(shè)置
  
  電表常數(shù)EC為1600imp/KWh;Vu=0.22V;Vi=10A*0.00025Ω*16=40mV;EC=1600;Un=220V;
  
  Ib=10A。根據(jù)公式HFConst=INT[39.3143*Vu*Vi*1011/(EC*Un*Ib)],可得HFConst=2664H,因此寫入HFConst寄存器的值應(yīng)為2664H。
  
  3.其他計量控制寄存器配置
  
  啟動電流的配置:在Un、Ib的情況下,有功功率寄存器PowerA的數(shù)值為1A375D7H,按照要求在0.4%Ib的情況下能夠正常啟動,則Pstar寄存器可配置為0.2%Ib有功功率對應(yīng)的數(shù)值pstar=00D6H(Pstart對應(yīng)的是PowerA的高24位,計算出的Pstart是16'h00D6)。
  
  能量累加模式的配置:由于需要計量正反有功能量,因此我們須將能量累加模式配置成正反向功率都參與累加,累加方式是代數(shù)和方式,負(fù)功率有REVQ符號指示,使能PF脈沖輸出及有功電能寄存器累加,即可將EMUCON配置為0001H。
  
  4.校表寄存器的配置
  
  a.有功功率校準(zhǔn)
  
  功率增益校正:在輸入信號為Un、Ib的情況下,從校表臺獲得通道A的誤差為err,。如果Pgain>=0,則GPQA=INT[Pgain*215],反之若Pgain<0,則GPQA=INT[216+Pgain*215]。
  
  通道B的功率校準(zhǔn)可通過配置GPQB來實現(xiàn),方法與校正通道A的相同。
  
  相位校正:在PF=0.5L,輸入信號為Un、Ib的情況下,從校表臺上獲得的誤差為err,則相位誤差補償為
  
  對50Hz的電網(wǎng)而言,PHSA有0.020/LSB的關(guān)系,則:如果θ>=0,PHSA=INT(θ/0.020);如果θ<0,PHSA=INT(28+θ/0.02)-96。
  
  通道B的相位校正可通過配置PHSB來實現(xiàn),方法與校正通道A的相同。
  
  有功功率失調(diào)校正:在小信號1.0的情況下,如果小信號偏差較大,可通過調(diào)整有功功率失調(diào)校正寄存器來修正小信號的偏差。
  
  在PF=1.0,Vu=Un,Vi=0的情況下,等待DPUDIF的更新,通過MCU獲取PowerA的值,讀取若干次去平均值,取平均值的補碼的后4位寫入APOSA校正寄存器。
  
  通道B的有功功率失調(diào)校正可通過配置APOSB來實現(xiàn),方法與校正通道A的相同。
  
  圖3:功率校正流程圖
  
  b.有效值校準(zhǔn)
  
  有效值的校正流程如圖4所示,先校正電流的失調(diào),校正失調(diào)后,再進行A/B通道電流轉(zhuǎn)換系數(shù)KIA/KIB及電壓轉(zhuǎn)換系數(shù)KU的計算,在PF=1.0、Vu=Un、Vi=Ib的情況下讀取IARMS、IBRMS寄存器的數(shù)值,根據(jù)公式KIA=IARMS/Ib可得到電流通道A的轉(zhuǎn)換系數(shù),按同樣的方法可得電流通道B的轉(zhuǎn)換系數(shù)KIB及電壓通道的轉(zhuǎn)換系數(shù)KU。
  
  圖4:有效值校正
  
  5.CSE7780校準(zhǔn)及初始化過程
  
  上電初始化MCU;對計量芯片的可寫寄存器依次寫入,完成計量控制寄存器及校表參數(shù)的初始化。
  
  在初始化的過程中,要保證寫入到計量芯片的數(shù)值的正確。在正常工作的時候需要監(jiān)控CSE7780的工作狀態(tài),確保計量芯片處在正常情況下工作,一般監(jiān)控校驗和是否正確以及芯片是否有被復(fù)位。
  
  圖5:智能電能表原理框圖
  
  硬件設(shè)計
  
  目前芯海可以向客戶提供包括軟、硬件在內(nèi)的完整參考設(shè)計。圖5為智能電能表原理框圖,圖6為目前推出的參考設(shè)計完整電路。
  
  下面是針對CSE7780使用過程中其它一些應(yīng)該注意的問題給出的建議:在PCB布局的時候需要注意變壓器對錳銅的影響,這會影響到計量芯片的小信號的誤差;在采樣輸入端的走線應(yīng)平行對稱,減小采樣線所包圍的面積;晶體不能放在PCB板邊,防止在打ESD的時候,將芯片打死,晶體下面不要走其它的信號線。
  
  本文小結(jié)
  
  通過在深圳計量院的整表測試,CSE7780能夠準(zhǔn)確測量單相智能電能表各個參數(shù),計量精度*要求。基于CSE7780的整機方案經(jīng)EMC檢測、認(rèn)證的第三方專業(yè)認(rèn)證機構(gòu)信測科技驗證了EMC等方面的性能,具有的性能指標(biāo),*符合新一代國網(wǎng)智能電能表的要求。其簡單易懂的軟件校表方式,既便于電能表開發(fā)工程師進行程序開發(fā),又提高了生產(chǎn)線的效率。
  
  圖6:國網(wǎng)單相智能表實物圖

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