1、 畢業設計（論文） 基于ADE7758的電力監測儀表設計 學生姓名： 王鵬 學生學號： 院（系）： 電氣信息工程學院 年級專業：級電氣工程與自動化指導教師：陳欣波講師二一二年三月 第一章 緒論1.1課題的背景和意義 電力是人們日常生活和工業生產中的主要能源，在現代社會中起著非常重要的作用。隨著我國電力市場的逐步建立和完善，電力系統越來越復雜，在電力系統中，特別是中低壓配電系統中，大量非線性、沖擊性負荷的使用，給電力系統的電能計量帶來了前所未有的挑戰。工業的發展、科技的進步，電力工業向大容量方向發展，企業生產技術管理對工業電能準確計量不斷提出新的要求，節能降耗是現代工業進步的主要標志之一，提高電

2、能有效利用率，對電能質量進行綜合監測與治理，已成為迫切需要解決的問題1。要實現對電能質量的綜合治理，就必須實現有功功率的在線分析與實時監測，以了解電能的有效利用水平。這有利于及時發現電網上的電能質量問題，便于“早發現、早治理”，為電網創造一個良好的環境。作為電力管理系統組成部分的電力監控儀表就起著越來越重要的作用。有功功率是反映電網安全穩定運行狀況的一個基本狀態變量, 許多電網的控制裝置都要求快速而準確地測量有功功率, 特別是當電網受到擾動時. 有功功率的大小直接反映了了發電機轉子上的不平衡轉矩, 也反映了系統中各個發電機轉子之間的相對運動. 盡快測出擾動過程中的有功功率, 可以判斷發電機在電

3、網受到擾動時能否繼續保持同步運行, 以便采取相應的安全穩定控制措施, 提高系統抗干擾的能力.傳統的測量有功功率的方法是使用各種原理的功率變送器, 基本原理是作電壓與電流的乘積經過濾波來測量有功功率, 其濾波電路復雜, 且時間常數較大, 往往難于滿足在故障過程中對測量快速性的要求.ADE7758的應用使得用數字信號進行有功功率的實時計算成為可能, 實時計算不僅可以測量有功功率而且加快了響應速度.因此，針對不同領域的電力系統，研制一種高精度的電力監測裝置就具有非常重大的意義。1.2 國內外發展狀況 在過去的一個世紀里，源于科研、工農業生產的需求，電測量理論以及儀表技術不斷發展，電力儀表和普通儀表一

4、樣，發展經歷了三個階段2： 第一代是指針式儀表，如模擬萬用表、電壓表、電流表，這些儀表的基本結構是電磁式、電動式、感應式、靜電式等，它的原理簡單、堅固耐用、容易生產、成本低，但由于這類儀表本身機械結構和電磁結構的不穩定性和復雜性，一般精度較低，反應慢，應用場合有一定的局限性。 第二代是數字式儀表，這類儀表的基本原理是將被測量模擬信號通過轉變為數字信號，進行計算并以數字形式顯示出來。如數字式萬用表、數字式頻率計等。這類儀器同指針式儀器相比較精度有了很大的提高、測量結果直觀。而且數字信號便于遠距離傳輸，所以數字式儀表也適于遙測、遙控。第三代是智能儀器。所謂智能儀器，一般指含有微處理器的儀器，通過微

5、處理器來控制數據的采集，并對數據進行處理。因此能夠用軟件的方法實現信息的采集、處理和存儲，大大簡化了儀器的整體結構。這類儀表不僅精度高，功能強大，而且能適應各種復雜的環境。電子技術和計算機技術的高速發展是電力儀表迅速進步、日益成熟的主要技術支撐。1.3 課題研究的目標及任務在設計時，主要完成了下列工作：1確定設計指標與設計方法 查閱了大量的國內外有關電參數測量儀器方面的文獻資料，并結合有功功率測量和ADE7758電能芯片的原理，對所要做的工作有理論上的知識積累和系統的掌握。根據目前電參數測量儀表的發展趨勢和現有的設計條件，提出有功功率電參數測量模塊的整體方案和技術要求。2電參數測量模塊的系統硬

6、、軟件設計 根據技術需求。使用Nios軟核處理器系統實現要求的設計功能，編寫ADE7758的數據讀寫模塊及初始化模塊軟件。3軟、硬件的聯合調試 對C程序進行編譯，檢查錯誤，然后下載設計文件到Nios軟核處理器系統中，根據設計文件Nios內部將形成對應的硬件電路，然后進行軟硬件聯合調試。4模擬調試 在完成軟、硬件的聯合調試后，利用高精度信號發生源作為輸入信號進行本模塊的系統調試及校準，并得到相關數據。 第二章 有功功率計算算法 本章將對本課題中要計算的電力參量的計算算法做詳細介紹。包括相電壓、相電流、線電壓、線電流，三相三線制網絡和三相四線制網絡的有功功率和功率因數。2.1三相電路的介紹3在電力

7、系統中，供電方式都采用三相制。三相電力系統是由三相電源、三相輸電線路和三相負載組成的，對稱三相電源是由三個等幅、同頻、初相相差的正弦電源組成，其表達式如下： （2-1）相應的，可以得到三相的電流信號： （2-2）式中： 為電壓有效值、為電流有效值 為角頻率 為電壓、電流相位差對稱三相電路有星形(Y形)和三角形（形）兩種接法。如下： 圖2-1 三相四線制 圖2-2 三相三線制 2.1.1. 線電壓（電流）以及相電壓（電流）的關系對于對稱星形電源、依次設其線電壓為、，相電壓為、，（或、），如圖2-1所示，根據KVL，有 =-=（1-）= =-=（1-）= =-=（1-）=另有+=0。對稱的星形三相

8、電源的線電壓與相電壓之間的關系，相電壓對稱，線電壓也一定依次對稱，他是相電壓的倍，依次超前、相位。對于三角形電源如圖2-2所示，有 =，=，=所以線電壓等于相電壓，相電壓對稱時，線電壓也一定對稱。對稱三相電源和三相負載中的線電流和相電流之間的關系敘述如下。對于星形連接，線電流顯然等于相電流，對三角形連接則不是如此。在三角形負載中，設每相負載中的對稱相電流分別為、，3個線電流依次分別為、，根據KCL，有 -=(1-a)= -=(1-a)= -=(1-a)= 另有。線電流與對稱相電流之間的關系，相電流對稱時，線電流也一定對稱，它是相電流的倍，依次滯后、的相位。2.2 有功功率的計算2.2.1.單相

9、平均功率的計算 設有電壓信號,電流信號,為負載的阻抗角，隨著負載的特性不同，可大可小，可正可負。那么負載上的瞬時功率為： 瞬時功率的實用意義不大，通常所說的功率指的是一個周期內的平均功率。平均功率P的定義為 , 為功率因數。2.2.2. 三相四線制電路的瞬時功率的計算 對于三相四線制網絡，我們一般都采用三表法來測量網絡的電能。圖2-3是三表法的接線原理圖。下面將對三表法計算三相四線制網絡電能的正確性進行論證。 圖2-3 三相四線制有功功率的測量 根據公式（2-1）和公式（2-2）所示的電壓、電流信號，三相四線制電路的瞬時功率為各相負載瞬時功率之和。 可以看出對稱三相電路的瞬時功率是一個常量，其

10、值等于平均功率 ，其中U、I為線電壓線電流。 不對稱三相電路，總的有功功率為 由此可見不論電路是否對稱，都可以用三表法測量三線四相制電路的有功功率。2.2.3. 三相三線制電路的有功功率的計算 對于三相三線制網絡，我們一般都采用二表法來測量網絡的電能。圖2-4是三表法的接線原理圖。下面將對二表法計算三相三線制網絡電能的正確性進行論證。 圖2-4 三相三線制有功功率的測量 對于三線三線制電路，如圖2-4所示用兩表法測得的總的有功功率為 具體計算過程如下：根據公式(2-1)和公式(2-2)所示的電壓、電流信號，相應可以分別算出三相的瞬時有功功率： 平均功率P為： 其中為相電壓相電流由此可見無論三相

11、電路是否對稱，都可以采用兩表法來測量三相三線制網絡有功功率。 第三章 電參數測量模塊硬件平臺開發3.1系統硬件整體結構 系統硬件結構是系統運行的基礎,所以硬件設計的首要目標是穩定可靠，在滿足可靠性要求的前提下給系統軟件和應用軟件的運行提供一個良好的支撐。硬件系統不但在功能上要完全滿足系統運行的要求，而且還要考慮為以后技術的發展留有余地。硬件部分總體結構框圖如圖3-1所示 圖3-1 硬件整體框架3.1.1 傳感器模塊電路45傳感電路及前端濾波采樣電路包括互感器部分、濾波電路部分。圖3-2為傳感器電壓信號處理電路，由于ADE7758的電壓通道輸入信號VAP、VAN最大范圍為士0.5V。因此選擇LC

12、TA51CF-220V/0.1V電壓互感器6 ，若電阻R3選擇1K，這樣輸出端的電壓就為0.1V<0.5V，滿足要求。加載濾波器是為了濾除高次諧波。 此電壓互感器的具體參數為： 應用范圍 測量 種類 電壓互感器 品牌 LC 型號 LCTV51CF220V/0.1V 封裝形式 圓柱體 繞線形式 小型固定式 額定電流 小于1mA (1)額定輸入：電壓互感器01000V可選 (2)額定輸出：電壓互感器010V或0200V可選 (3)非線性度:比差±0.1%;角差±5分 (4)頻率特性: 45-800赫茲 (5)精度等級: 0.1 (6)輸入電壓220V,輸出100mV 圖3

13、-2 電壓信號處理電路 圖3-3為電流信號處理電路。由于ADE7758的電流通道輸入信號lAP、IAN最大范圍為士0.5V，選用的電流互感器為LCTA51CF-220V/0.1V 6，選用R3為10，在輸出電流為20mA時，輸出端電壓為0.2V<0.5V，滿足要求。加載濾波器是為了濾除高次諧波,穩壓管是為了起限幅保護作用。 電流互感器的具體參數為： 品牌 LC 型號LCTA21CE-20A/20mA 應用范圍測量 種類電流互感器 封裝形式環氧樹脂電感繞線形式多層亂繞式 導磁體性質磁芯磁芯形狀環形 工作頻率低頻 額定電流20（mA）1、額定輸入：電流互感器1mA1000A可選；2、額定輸出

14、：電流互感器1mA5A或010V可選；3、非線性度: 比差±0.1%;角差±5分4、頻率特性: 45-800赫茲5、精度等級: 0.16、輸入為20A,輸出20mA。 圖3-3 電流信號處理電路3.2 ADE7758電能計量芯片的介紹73.2.1 ADE7758概述 ADE7758是一款高精確度的三相電能計量芯片，帶有兩路脈沖輸出功能和一個串行接口，集成了6路16位二階ADC模數轉換器，數字積分器，高性能DSP，基準電路及溫度傳感器等電路，以及所有進行有功，無功和視在電能計量以及有效值計量所需的信號處理元件，在1000：1動態范圍內誤差小于0.1，提供有功、無功及視在電能、

15、電壓、電流有效值及波形采樣等數據：三相三線、三相四線兼容。ADE7758為各相提供系統校準功能，包括有效值偏移校準、相位校準、功率校準，DSP內部對無功電能進行了補償；提供獨立的有功電能及無功電能脈沖輸出。這些功能特點大大減少了處理器的軟件開發工作量，簡化了電力測量新應用模塊的設計難度，可做到全電子或真正固體化、靜止化，以有利于提高性能，降低成本，使電能計量具有高精度、高可靠性、免維護和雙向通訊功能。 ADE7758中具有波形采樣寄存器，它可以對模數轉換器的輸出進行訪問。該器件集成了一個用于短時低電平和高電平變化的檢測電路，變化的閾值電壓和持續時間由用戶編程決定。三相中的任一相的線電壓過零檢測

16、與電壓過零點是同步的，過零檢測的結果可用于測量三個電壓輸入中任意一個的周期，也可用于內部芯片的線循環電能累加模式。該模式使電能累加與半周期的整數倍同步，以此實現更快更準確的校準。3.2.2 ADE7758外部引腳功能分布。 （1）APCF：有功功率校正頻率邏輯輸出引腳。 該引腳的輸出主要用于校準和操作的目的。滿刻度輸出頻率可以寫入APCFNUM和APEFDEN寄存器中。（2） DGND：ADE7758數字電路部分參考地端，例如乘法器、濾波器、數頻轉換器的地端。 由于ADE7758中的回路電流很小，可以直接跟整個系統的模擬地端（AGND）相連，但是DOUT端的大總線電容產生的數字噪聲電流可能會影

17、響其性能。（3）DVDD：數字電源。該引腳為ADE7758數字部分提供電壓源。 電壓維持在5V±5%。該引腳可用一個10F的電容和一個100nF的瓷片電容并聯后進行去耦合。（4）AVDD：模擬電源端。 該引腳為ADE7758模擬部分提供電壓源。電壓維持在5V±5%。 該引腳應該采用正確的去耦方法，盡量減小電源波動和噪聲。該引腳用一個10F的電容和一個100nF的瓷片電容并聯后，再連接到AGAND引腳來去耦合。（5）（10）IAP，IAN；IBP，IBN；ICP，ICN：電流通道模擬輸入。 這些輸入是全差動電壓輸入，最大的差動輸入信號為±0.5V，±0.2

18、5V，±0.125V。根據內部放大器的增益選擇，來設定輸入電壓的最大值，增益選擇放大器的增益由PGA寄存器來設定。所有的輸入引腳均能承受±6V的過電壓而不會造成永久損壞，并具有靜電釋放保護電路。（11）AGND：模擬電路部分的參考地端。 該引腳為內部的ADCS、溫度敏感元件、參考電壓端等部分的參考地端。該引腳應該連接到系統的標準模擬地或者干擾最小的接地參考點。干擾最小的接地參考點應該跟所有的模擬線路相連。為了減小ADE7758的地端噪聲，模擬地端應該和數字地端只用一個點來連接。也可以把整個器件都安放在模擬接地面上。（12） REFIN/OUT：該引腳是片上基準電壓。 片上基

19、準電壓標稱值為2.5V±8% 。外部參考端也可以與該腳相連。無論是否連接外部參考電壓端，該引腳都應該用一個1F的瓷片電容跟AGND端連接以去偶合。(13) (16)VN，VCP，CBP，VAP：電壓通道的模擬輸入。 這些輸入是單端電壓輸入，最大信號電壓為±0.5V，（相對于VN端）。可以通過內部寄存器PGA選擇輸入信號的最大值為±0.5V，±0.25V或者±0.125V。所有的輸入引腳均能承受±6V的過電壓而不會造成永久損壞，并具有靜電釋放保護電路。（17） VARCF：復功率校準頻率邏輯輸出。 通過設置WAVMODE寄存器的VACF

20、位來選擇輸出復功率或者視在功率。該輸出常用于電能表的校準。滿刻度輸出可以通過寫入VARCFNUM和VARCFDEN寄存器的數值來調節。（18） IRQ：中斷請求輸出。 低電平有效的開漏極邏輯輸出端。可屏蔽的中斷包括：有功能量寄存器和視在功率寄存器半滿和波形采樣速率達到26kSPS。（19） CLKIN：數字信號處理ADCS的主時鐘。 最高為15MHZ。可以用一個外部時鐘信號來提供時鐘輸入，也可以在CLKIN和 CLKOUT端并聯一個AT晶體來提供時鐘信號。應該根據晶體的參數確定所需要的負載電容值，接一個幾十PF的瓷片電容到振蕩門電。（20）CLKOUT：當外部時鐘提供或者連接一個晶體時，該引腳

21、能驅動一個CMOS負載。（21）CS：片選信號，低電平有效。這時ADE7758與數據總線接通。（22）DIN：串行接口的數據輸入端。在串行口的時鐘信號SCLK的下降沿輸入數據。（23）SCLK：串行時鐘信號輸入端。所有串行數據被該信號同步。 該引腳具有施密特觸發輸入，以適應速度較慢的邊沿變化時間。（24）DOUT：串行口的數據輸出端。在SCLK信號的上升沿數據從該引腳傳輸出去。在沒有數據的時候該引腳為高阻抗狀態。3.2.3 ADE7758的內部框圖 ADE7758是一種高精確度三相電能測量芯片，帶有一個串行口，兩路脈沖輸出。ADE7758集成了數字積分、參考基準電壓源等，有可用于有功功率、復功

22、率、視在功率、有效值的測量以及以數字方式校正系統誤差(增益、相位和失調等)所必須的信號處理電路。該芯片適用于各種三相電路（不論三線制或者四線制）中測量有功功率、復功率、視在功率。 來自電流傳感器和電壓傳感器的電壓信號經信號放大PGA1,PGA2和模數變換ADC轉換為對應的數字信號，然后，電流信號經電流通道內的高通濾波器HPF濾除DC分量并數字積分后，與經相位校正的電壓信號相乘，產生瞬時功率；此信號經低通濾波器產生瞬時有功功率信號；各相功率相加得到總的三相瞬時有功功率，經DOUT引腳輸出。 ADE7758有六路模擬量輸入，分成電流和電壓兩個通道。 電流通道由三對差分電壓輸入，分別是IAP，IAN

23、；IBP，IBN；ICP，ICN。這三個電流通道最大的信號電壓變化范圍為±0.5V。電流通道有一個可編程增益放大器（PGA1），放大器增益為1，2或4。除了PGA功能外，用于A/D轉換時，通道1還具有輸入信號滿刻度選擇的功能。前面提到了，最大輸入電壓變化范圍為±0.5V，利用增益寄存器的3和4位，ADC的輸入電壓可以設置為±0.5V，±0.25V，±0.125V。這是利用ADC的基準參考端來實現的。 電壓通道具有三路單端電壓輸入通道，分別為VAP，VBP和VCP。這些單電壓輸入端的最大輸入電壓變化范圍為±0.5V。相對于VN來說，電流

24、和電壓通道都有一個PGA（可編程放大器），增益為1，2或4，由用戶編程來決定，所有的輸入通道的增益相同。 ADE7758提供系統的校正功能如：有效值偏移的校正、相位和功率的校正等等。引腳APCF的邏輯輸出給出了有功功率的信息，引腳VARCF的輸出提供了瞬時復功率和視在功率的信息。ADE7758具有一個波形取樣寄存器，其值來自于ADC的輸出。波形采樣部分集成有一個用于短時持續低電平或高電平的監測電路，門檻電平和持續時間是由用戶編程來決定的。三相中的任一相過零監測是同步進行的，過零監測的結果可用于測量三路電壓輸入中任一路的周期。 ADE7758的所有功能都是通過讀、寫片上寄存器來實現的，即ADE7

25、758的各種設定和操作主要是對其眾多寄存器的讀和寫。每個寄存器在讀、寫時，首先要執行一個寫通信寄存器的操作，然后開始傳輸數據。 電能表的測控命令和測量信息可以多種方式與MCU通訊。MCU輸入的命令字控制著ADE7758的工作模式、測量模式、波形采樣模式、有效值偏差補償量和中斷模式等。例如：每相的電流通道在信號通路中都有一個乘法器。電流波形可以改變±50%，這主要是由寫入12位有符號電流波形增益寄存器（AIGAIN，BIGAIN ，CIGAIN）中的2進制數決定的：如果7FFH寫入這三個寄存器，則ADC的輸出標定值將增加50%；如果800H被寫入，則輸出減小50%。具體內部框圖見下圖所

26、示： ADE7758內部框圖 3.3 ADE7758電能表校準8 ADE7758電能表的校準需要一個標準表或高精度源。當使用標準表時，通過調整ADE7758APCF（有功功率校正頻率）和VARCF（無功功率校準頻率）的輸出頻率，使之在同樣負載條件下與標準表的輸出頻率相匹配，謂之校準。在這種情況下，各相位必須單獨校準。當使用高精度源進行校準時，可以運用周期循環模式的優點同時校準三個相位。 電表校準的目的有兩個，即建立脈沖輸出的正確脈沖以及獲得與電能和有效值寄存器中LSB相關的常量，如瓦特，安培或伏。此外，校準還要補償電表設計中的各種變化，相差以及電流傳感器造成的偏移。 3.3.1.ADE7758

27、校準工作原理 ADE7758 的電流通道和電壓通道都有一個可編程增益放大器，分別是PGA1，PGA2，放大器的增益為1，2 和4，通過設置增益寄存器的0和1位來選擇PGA1的增益系數，設置增益寄存器的5和6位來選擇PAG2的增益系數，設置增益寄存器的3和4位來選擇ADC的最大輸入電壓，增益放大器的第7 位是電流通道中積分器的使能位。由電壓互感器和電流互感器的模擬信號通過電壓通道和電流通道，經過信號放大器PGA1，PGA2和ADC轉換成相應的數字信號，電流信號由電流通道中的高通濾波器，濾除直流分量（輸入量的理想狀態是正弦的），經過積分器，再將此電流信號平方，經過高通濾波器和電流有效值偏移量的校準

28、，再開方即可得電流的有效值，各相的電流有效值寫入各自的有效值寄存器中。電壓有效值的得到基本跟電流有效值相同。 有功功率的得到過程是：電流通道中通過積分器的電流信號與電壓通道中經過相位校正的電壓信號相乘，即可得瞬時功率，此時的瞬時功率再通過低通濾波器得出的就是瞬時有功功率了。三相瞬時有功功率相加就得到了三相瞬時有功功率。 由此，ADE7758計量三相有功功率時必須要進行校準。ADE7758 提供了系統的校準功能：有效值偏移量的校準、相位校準和功率的校準。當校準ADE7758 電能表時需要使用一個參考電表或者是一個精確的電流（電壓）源，這里使用參考電表來校準。APCF是有功功率校準頻率邏輯輸出引腳

29、，這個引腳輸出的是有功功率的信息。APCF的輸出脈沖必須調整到匹配參考電表的脈沖輸出（在相同的負荷條件下），每一相必須分開獨自校準。APCF輸出的脈沖是正比于三相有功功率之和的。圖3-6顯示了使用脈沖輸出校準ADE7758 的過程。 圖3-6 利用脈沖輸出進行校準3.3.2.電流有效值和電壓有效值的校準 IRMSOS（電流有效值偏移量）和VRMSOS（電壓有效值偏移量）用于消除輸出造成的噪聲和偏移。無論校準使用脈沖輸出還是周期累加，校準方法都一樣。由于沒有有效值脈沖輸出，所以必須讀取寄存器。有效值偏移校準應在VAGAIN校準(視在功率增益校準）之前進行。有效值偏移校準可消除視在功率計算中的偏移

30、。所以，ADE7758中沒有視在功率偏移寄存器。用于獲取有效值測量的低通濾波器不夠理想。因此，建議在讀取有效值寄存器時采用電壓波形過零點的時刻讀RMS（有效值）寄存器數據，并根據具體要求讀出一組數據求平均值使各種讀取同步進行，并取幾次測量的平均值。ADE7758電流有效值（IRMS）測量的線形范圍為500：1，電壓有效值為20：1。為了測量電壓有效值偏移（xVRMSOS），需在兩個不同非零電流電平下測量有效值數值。比如，額定電壓（VNOM）和滿刻度電壓的1/20（VFULLSCALE）。為了測量電流有效值偏移(xIRMSOS)，需在兩個不同非零電流電平下測量有效值數值，比如，測試電流（ITES

31、T）和電流滿刻度(IFULLSCALE)的1/500。這可以轉換成兩種測試條件：測試電流額定電壓，滿刻度電流的1/500和滿刻度電壓的1/20。 圖3-7為有效值測量校準的流程圖。 其中IRMSOS和VRMSOS的計算過程如下： 其中：最低電流（IMIN)為滿刻度電流的1/500，ITEST測試電流。 其中：最低電壓為額定電壓的1/20，額定電壓為額定線電壓。 圖3-7 有效值測量校準的流程圖 3.3.3 使用脈沖輸出進行相位的校準ADE7758 中每一相都有一個相角校準寄存器，用來補償較小的相差，大的相角誤差則是由抗混疊濾波器（低通濾波器）來補償【32】。ADE7758的相位校準是對正負方向

32、的不同加權量進行時間延遲。由于電流互感器是一個相位誤差源，所以，在加電時應決定向xPHCAL寄存器加載一個固定基準值。在校準時，這個數值可根據電流互感器間的誤差進行調整。圖3-8顯示了使用脈沖輸出校準相位的步驟。其中APCF的脈沖輸出誤差為： 。相角誤差為： 計算XPHCAL的公式為： XPHCAL=周期 Period是由頻率寄存器得到的。 圖3-8 使用脈沖輸出校準相位3.3.4 使用脈沖輸出進行增益校準 增益校準用于表表校準調整，APCF或VARCF輸出速率校準，并確定Wh/LSB，VARh/LSB和VAh/LSB值。用于有功增益校準的寄存器包括APCFNUM， APCFDEN 和xWG

33、。公式1公式3顯示了這些寄存器如何影響Wh/LSB數值和APCF 脈沖。為了校準VAR增益，公式1公式3中的寄存器應用VARCFNUM，VARCFDEN和xVARG 代替。對于VAGAIN，他們應被VARCFNUM ，VARCFDEN 和xVAG代替。圖3-9顯示了運用脈沖輸出對瓦、VA和VAR進行增益校準的步驟。 計算APCFNUM/APCFDEN和VARCFNUM/VARCFDEN的值為： （1） （2） （3） 其中ITEST為測試電流。VNOM為電表進行測試時的額定電壓。和為輸入的滿刻度電壓和電流值，為電流和電壓通道間的夾角。為測試條件下等同于標準電表輸出的值。APCFNUM寫為0或1

34、.計算VARCFNUM和VARCFDEN的值的公式與此相似。APCF和VARCF的百分數誤差計算方法為： 。計算XWG和Wh/LSB的值為： 其中WDIN表示有功電能寄存器除法器，MC為電表常數。 的計算和相似。 圖3-9 運用脈沖輸出對瓦、VA和VAR進行增益校準 3.3.5 功率的校準功率偏移量的校準必須在電流最小或者是接近最小電流時進行的。ADE7758 內部有功功率和無功功率偏移量寄存器（XWATTOS 和XVAROS），而視在功率的偏移量的補償只要調節電壓、電流有效值寄存器就可以完成了。圖3-10顯示了使用脈沖輸出校準功率偏移量的過程。其中XWATTOS和XVAROS分別為： 其中：

35、Q的定義如下。對于XWATTOS： 對于XVROS： 其中，FREQ寄存器設置為測量線周期。 APCFDEN 是有功功率校準頻率的分母寄存器，APCFNUM 是有功功率校準頻率的分子寄存器，這2 個寄存器是用來控制有功功率脈沖輸出縮放比例的。 圖 3-10 利用脈沖輸出的功率偏移量校準框圖 第四章 數據處理系統的硬件設計94.1 創建Quartus 工程 打開Quartus 軟件，創建新的工程，命名為ADE7758. 由菜單“Assignment Device”選擇相應的FPGA芯片，單擊“Device and pin OptionsUnused Pins”菜單命令，并將其設置為三態（As i

36、nput tri-stated)。4.2 創建SOPC系統 選擇“Tools SOPC Builder”菜單命令，打開SOPC開發工具SOPC Builder，命名本例的SOPC系統為7758。 添加Nios CPU：單擊“Interface Protocols Serial JTAG-UART ”菜單命令。添加JTAG-UART的目的是為了Nios 軟件中C程序的調試方便，保持默認設置。 添加SDRAM controller：使用SDRAM作為程序運行空間。單擊“Memories and memory Controllers SDRAM SDRAM Controller” 菜單命令，由于電路

37、板上的SDRAM型號為A2V64S40CTP，其容量為1MB×16bits×4Bank=64MB，因此在“Presets”選項中選擇“Cus-tom”，在“Data widths”選項中選擇“16bits”,在“Addressess widths”選擇中選擇12Rom、8Column。 添加EPCS Serial Flash Controller：使用電路板上串行Flash存儲器EPCS4芯片存儲程序代碼并配置FPGA。單擊“Memories and memory ControllerFlash EPCS Serial Flash controller”菜單命令，再單擊“F

38、inish”按鈕即可。 添加SPI：單擊“Interface Protocols Serial SPI”菜單命令，選擇“Master”模式（將SPI配置為主設備），將“number of select (SS-n) Signals”設置為1（從設備的數目設置為1）,“SPI clock （SCLK) rate”設置為“400khz”；不選擇“Specify Delay”；在“Data Register ”設置中,將“Width”設置“8”，在“shift direction”中選擇“MSB first”（發送ADE7758的CMD命令和讀寫ADE7758，數據可以按照字節傳輸）;在“Timin

39、g”設置中，將“clock polarity（時鐘極性）”設置為1，“Clock phase”（時鐘相位）設置為1，SCLK的空閑狀態為高電平，在SCLK的上升沿發送/接收數據（該時序符合ADE7758的控制時序）。 添加PIO：單擊“Peripherals Microcontroller Peripherals PIO”菜單命令，“widths”選項設置為1，在“Directio”選項中選擇“Output ports only”，單擊“Finsh”按鈕，將pio控制時序重名為cs-en。同樣添加1位輸出信號di-en的PIO內核。ADE7758提供了SPI 模式，但是其控制時序與SOPC的S

40、PI內核的時序存在差別，需要對SPI內核輸出的、進行處理，這里增加cs-en和di-en兩個內核的作用就在于此。 添加sysid：單擊“peripherals Debug and Performance System ID Peripheral”菜單命令，再單擊“Finish”按鈕即可。 設置系統異常矢量和復位矢量：雙擊cpu，在“Reset Vector”選項中選擇“epcs controller”，在“Exception”選項中選擇“sdram”，再單擊“Finish”按鈕完成設置。 生成SOPC系統：在菜單項“system”中單擊“Auto Assign Base Addressesse

41、s”和“Auto-Assign IRQs”菜單命令，自動分配各部分的地址和中斷。各模塊添加完畢，系統配置如圖4-1所示。最后單擊按鈕“Generate”，生成系統。 圖4-1 SOPC內核系統配置 4.3 建立系統頂層模塊 創建系統頂層文件：單擊“File New”菜單命令，選擇“Block Diagram/ Schematic file”，添加ADE7758核。頂層設計原理圖如下： 圖4-2 頂層原理圖 第五章 軟件模塊設計 軟件和硬件一樣是系統的重要組成部分，軟件架構的合理性和可靠性直接影響著整個系統的穩定性。本章主要介紹核心板ADE7758的軟件設計。核心板的軟件設計的開發環境為Alte

42、ra公司的Quartus，開發語言為C語言。代碼編譯之后通過Nios下載到芯片中，才可以進行軟件運行。5.1.ADE7758串行口讀寫操作 ADE7758有一個內置SPI接口。ADE7758的串行接口包含四個信號：SCLK,DIN,DOUT和CS.數據傳輸的串行時鐘由SCLK邏輯輸入。所有數據傳輸操作與串行時鐘同步。數據在SCLK的下降沿從DIN邏輯輸入端移入ADE7758。數據在SCLK上升沿從DOUT邏輯輸出端移出ADE7758。CS邏輯輸入端為片內選擇輸入端。輸入端在多個器件同時使用串行總線時使用。CS的下降沿也能使串行接口復位，并將ADE7758置于通訊模式。 CS 輸入在整個數據傳輸

43、操作時必須保持低電平。在數據傳輸時將它置為高電平能中止傳輸，并將串行總線置于高阻抗狀態。在CS保持低電平，所有已開始的數據傳輸操作必須完全完成。由于除整個期間復位之外，沒有其他方式使ADE7758返回通訊狀態，所以必須傳輸各寄存器的LSB，復位的方法是運用OPMODE寄存器的6位進行軟件復位。ADE7758的功能通過多個片內寄存器實現。運用片內串行接口可更新和讀取這些寄存器的內存值。在CS的下降沿之后，ADE7758被置于通訊模式。在通訊模式下，ADE7758應將之前的通訊內容寫入內部通訊寄存器中。寫入通訊寄存器中的數字包含即將讀取或寫入指令的下一數據傳輸的地址和特征。因此，無論讀還是寫，AD

44、E7758的所有數據傳輸操作必須以向通訊寄存器中寫入指令開始。通訊寄存器為一個8位只寫寄存器。MSB確定下一數據傳輸為讀取還是寫入。七個LSB包含有將訪問的寄存器的地址。圖5-1和5-2分別顯示了讀寫操作的數據傳輸順序10： 圖5-1 通過串行接口從ADE7758讀取數據 圖5-2 通過串行接口從ADE7758寫入數據 串行寫入操作時序圖見圖5-3。在ADE7758處于通訊模式且CS輸出為低電平時，先向通訊寄存器中寫入。該字節傳輸的MSB必須為1，表示下一數據傳輸操作為向寄存器中寫入。該字節的七個LSB包含有將寫入的寄存器的地址。ADE7758在SCLK的下一個下降沿時開始轉移寄存器數據。寄存

45、器的剩余位在隨后的SCLK脈沖的下降沿傳輸。在ADE7758的數據寫入過程中，數據以每次一字節的方式傳輸到所有片內寄存器。在一個字節傳入串口時，在串口緩沖器上的數字傳入ADE7758的一個寄存器之前有一個限定的時間。盡管在一個字節正在向目標寄存器傳輸時，可以同時開始另外一個字節的傳輸，第二個字節的傳輸在第一個字節傳輸完成前至少900ns內不應該結束。如果一個寫入操作在一個字節傳輸過程中中斷，那么該字節將不寫入目標寄存器。 圖5-3 串口寫入時序圖 串行讀取操作時序如圖5-4。再從ADE7758中進行讀取操作時，在SCLK的上升沿，數據在DOUT邏輯端移出。對于ADE7758在通訊模式且為CS低

46、電平時，必須先向通訊寄存器寫入一個8位的命令字節。該字節的MSB必須為0，表示下一個數據傳輸操作位讀取數據。這個字節的七個LSB包括將要讀取的寄存器的地址。ADE7758在SCLK的下一個上升沿移出寄存器數據。在這一點上，DOUT邏輯輸出從高阻抗狀態切換到開始驅動數據總線。寄存器數據的所有剩余位在下一個SCLK脈沖的下降沿進入高阻抗狀態。在數據傳輸完成前，將CS邏輯輸出變為高電平可以中斷讀取操作。DOUT輸出在CS上升沿進入高阻抗狀態。 圖5-4串口讀取時序圖 5.2 中斷 ADE7758中斷通過中斷狀態寄存器（STATUS)和中斷屏蔽寄存器（MASK)進行控制。當ADE7758中發生中斷時，

47、中斷狀態寄存器中響應的標志置于1。如果此次中斷在中斷屏蔽寄存器中的屏蔽位為1,IRQ邏輯輸出變為低電平。中斷狀態寄存器的標志位設置為與屏蔽位狀態無關。為確定中斷源，處理器應通過讀取操作復位中斷狀態寄存器來實現。這是通過從RSTATUS（IRQ復位中斷寄存器）中讀數實現的。在完成中斷狀態寄存器的讀取指令后，IRQ輸出變為高電平。在進行“讀后復位”時，ADE7758設計為確保不丟失任何中斷事件。如果中斷事件發生在中斷寄存器正在讀取時，中斷事件也不會丟失，在再次變為表示中斷未完成的低電平之前，IRQ邏輯輸出將在中斷狀態寄存器數據傳輸期內保證邏輯高電平。注意，狀態寄存器中的復位中斷位只在一個時鐘循環中

48、為高電平，然后回零。中斷管理時序見圖5-5。 圖5-5 ADE7758中斷管理 ADE7758中斷時序見圖5-6。當輸出變為低電平時，處理器的ISR必須讀取中斷狀態寄存器，以確定中斷源。當讀取中斷狀態寄存器內存數字時，輸出在第一位傳輸的SCLK下降沿置為高電平。輸出在第二個8位傳輸的最后一位移出之前始終保持高電平，如圖3-5所示。如果此時中斷未完成，輸出將再次變為低電平。如果沒有未完成的中斷，則輸出保持高電平。 圖5-6 ADE7758中斷時序圖5.3 初始化ADE7758的具體實現方法11只需訪問ADE7758相應的寄存器即可完成對ADE7758的初始化。初始化ADE7758，需先置位操作模

49、式寄存器(0x13)的SWRST，進行軟件復位，然后再置位中斷屏蔽寄存器(0x18)，打開相應的中斷，根據校準時存入鐵電存儲器的校準值，依次寫入圖5-7所示的各校準寄存器中。 圖5-7 將校準值寫入寄存器中的流程圖 5.3.電流、電壓有效值測量的軟件開發 ADE7758內部電流通道可以直接實現電流有效值的測量，其具體測量流程如圖5-5所示: 圖5-5 電流有效值測量流程圖 在本設計中，通過讀取AIRMS、BIRMS、CIRMS實現各相有效值的讀取。因為需要進行波形采樣處理，所以需要進行對WAVMODE寄存器的寫操作，測量時的設置方法如下圖所示。電壓有效值的測量與電流有效值測量方法相似，故不再贅

50、述。 5.3.1 有功電能測量的軟件設置 由有功功率的計算知道，有功功率等于瞬時功率P(t)的直流分量，在ADE7758中的各相都依此計算有功功率。ADE7758芯片內部計算有功電能的數據處理進程如下：電流信號首先濾除直流分量，經過數字積分器后，與電壓信號相乘得到瞬時功率 P(t)，各相(A，B和C相)瞬時有功功率信號的直流分量隨后通過低通濾波器，從相應的有功功率寄存器(AWATTHR，BWATTHR，CWATTHR)再經過累加器獲得各相的平均有功功率，通過設置功率放大和功率觸發寄存器可調校平均功率值，最后由累加器累計有功電能，存入電能寄存器。各有功功率寄存器的輸入可以在累加模式設置中改變。有功電能也有補償寄存器進行調整AWATTOS,BWATTOS和CWATTOS。有功電能測量設置方式如下12： 圖5-6 有功電能測量設置方式 第六章 系統運行和調試6.1 使用NiosIDE建立用戶程序 將啟動Nios 集成開發環境來建立和編譯一個簡單的電能計量C語言程序。在創建用戶程序時，必須用到第四章節生成的ADE7758.ptf文件。6.1.1 創建一個新的C應用工程13 啟動一個新的C應用工程時，NiosIDE需要使用SOPC Builder系統文件（.Ptf）。在目標硬件上運行和調試應用