1、基于SPI總線的電能計量芯片ATT7022及其在配電監(jiān)測終端的應(yīng)用摘要：介紹了高精度電能計量芯片ATT7022的主要功能、性能比較、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、接口方式及校表方法等，同時對ATT7022在電能配電監(jiān)控終端的應(yīng)用作了簡要闡述。關(guān)鍵詞：SPI總線ATT7022電能計量W77E58配電監(jiān)控終端1概述ATT7022是珠海炬力集成電路設(shè)計有限公司生產(chǎn)的一款高精度三相電能計量芯片，該芯片對有功、無功功率的測量精度分別達到0.2s和0.5s，所能測量的電參數(shù)包括有功、無功、視在功率、雙向有功和四角限無功電能；電壓和電流有效 摘要：介紹了高精度電能計量芯片ATT7022的主要功能、性能比較、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、接口方式及

2、校表方法等，同時對ATT7022在電能配電監(jiān)控終端的應(yīng)用作了簡要闡述。 關(guān)鍵詞：SPI總線 ATT7022 電能計量 W77E58 配電監(jiān)控終端1 概述ATT7022是珠海炬力集成電路設(shè)計有限公司生產(chǎn)的一款高精度三相電能計量芯片，該芯片對有功、無功功率的測量精度分別達到0.2s和0.5s，所能測量的電參數(shù)包括有功、無功、視在功率、雙向有功和四角限無功電能；電壓和電流有效值；相位、頻率等。ATT7022具有計量參數(shù)齊全、校表功率完善等優(yōu)點，簡化了軟件設(shè)計，縮短了軟件開發(fā)周期。特別是AT7022可支持全數(shù)字校表，即軟件校表。軟件校表可提高校表精度、簡化硬件設(shè)計、降低設(shè)計成本，為三相多功能計量裝置提

3、供了功能更加齊全、設(shè)計更加簡單的應(yīng)用方案。表1和表2分別給出了三大計量芯片生產(chǎn)商的三相電能計量芯片計量參數(shù)校表參數(shù)的比較。表1 三相電能計量芯片的主要電能測量參數(shù)比較電能參數(shù)珠海炬力ATT7022ADI ADE7754SAMEs SA9904B分相合相分相合相分相合相電壓有效值電流有效值×視在功率有功功率容性無功功率感性無功功率功率因素線頻率輸入有功能量輸出有功能量有功能量容性無功能量感性無功能量無功能量注：“”表示支持，“”表示不支持，“”表示無此參數(shù)表2 三相電能計量芯片的主要校表參數(shù)比較電能參數(shù)珠海炬力ATT7022ADI ADE7754SAMEs SA9904B 2分相合相分

4、相有功功率增益校正視在功率增益校正相位校正電壓有效值校正電流有效值校正脈沖輸出參數(shù)校正 1啟動電流設(shè)置注：“”表示支持，“”表示不支持，“1”表示合相時的參數(shù)，“2”表示該芯片不支持軟件校表2 引腳功能ATT7022的引腳排列如圖1所示，它采用44引腳QFP封裝，面積僅有10mm10mm，功耗僅為100200mW，各引腳功能如下：·V1P/V1N，V3P/V3N，V5P/V5N：模擬電流信號輸入；V2P/V2N，V4P/V4N，V6P/V6N：模擬電壓信號輸入；REEOUT、REFCAP：基準(zhǔn)電壓輸出；RESET：復(fù)位輸入端；SIG：寫操作成功握手信號輸出；SEL：接線方式選擇輸入端

5、；CF1/CF2：有功/無功電能脈沖輸出；CS：SPI讀/寫片選信號；SCLK：SPI串行時鐘輸入；DIN/DOUT：SPI串行數(shù)據(jù)輸入/輸出；Revp：當(dāng)系統(tǒng)檢測到任意相的有功功率為負(fù)時，該端輸出高電平；各相有功功率均為正時，該端輸出低電平；OSCI/OSCO：系統(tǒng)晶振輸入端/輸出端；Vcc/Avcc:數(shù)字電源/模擬電源；GND/AGND：數(shù)字地/模擬地。3 工作原理31 AT7022電能計量芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)AT7022內(nèi)部包括時鐘控制電路、模擬信號采樣、參考電壓、DSP、脈沖生成器、SPI通訊接口和電源管理七大部分，其內(nèi)部原理框圖如圖2所示。 32 ATT7022的工作原理ATT7022首先

6、通過6通道16位-的ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換電路來對輸入電流和電壓信號進行采樣，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量再經(jīng)過24位DSP數(shù)字信號處理以完成全部三相電能參數(shù)的運算，同時將結(jié)果保存在相應(yīng)的寄存器中并通過SPI口與MCU進行數(shù)據(jù)交換，DSP模塊同時還生成有功/無功電能脈沖輸出CF1/CF2，可用于現(xiàn)場校表。ATT7022在設(shè)計中已考慮到校表的方便性，采用全數(shù)字校表，只需適當(dāng)修改校表寄存器即可實現(xiàn)校表功能。33 串行SPI接口ATT7022提供有標(biāo)準(zhǔn)的SPI接口，可與帶SPI口的MCU直接連接，也可用適當(dāng)?shù)腎/O口線仿真SPI總線，其仿真讀寫程序很容易實現(xiàn)。ATT7022的一個數(shù)據(jù)傳輸總線從向SPI接口的DIN端送入8

7、位命令字開始的，當(dāng)命令中包括一個寫入命令時，在其后的24個SCLK周期內(nèi)，串口將持續(xù)從DIN端讀入24位串行數(shù)據(jù)。當(dāng)發(fā)出一個讀取命令時，串口將根據(jù)發(fā)出的命令來進行尋址，然后在其后的24個連續(xù)的SCLK周期從DOUT引腳上串行輸出寄存器內(nèi)容。數(shù)據(jù)的傳輸總是MSB在前，LSB在后。讀寄存器時，SCLK為高，數(shù)據(jù)在DOUT引腳上有效。而在寫寄存器時，數(shù)據(jù)則在SCLK的下降沿從DIN引腳讀入，這一點在仿真SPI讀寫操作子程序時應(yīng)引起注意，否則讀寫寄存器將出錯。ATT7022的讀寫時序見圖3所示。34 寄存器配置及校表方法ATT7022的寄存器分為計量參數(shù)和校表參數(shù)兩部分。器件中的計量參數(shù)寄存器多達82

8、個，它們的地址在01H6FH中不連續(xù)分布，未使用部分可留給以后擴展。計量參量的計算全部由硬件完成，用戶只需進行單位換算就可得到測量值。圖4校表參數(shù)寄存器包括相位補償設(shè)置、功率增益、相位校正、電壓/電流校正、比差補償設(shè)置、啟動電流、高頻脈沖輸出設(shè)置、斷相閾值電壓設(shè)置和合相能量累加模式等36個寄存器，它們的地址不連續(xù)地分布在01H2AH，也考慮了以后的擴展。應(yīng)當(dāng)說明的是，兩個寄存器的地址有重疊部分，但它們的物理位置是分開的，可以通過讀寫命令來區(qū)分。寄存器描述及讀寫操作命令字等見參考文獻。校表是電能表設(shè)計中非常重要的環(huán)節(jié)，ATT7022上電復(fù)位后，校表寄存器的初始數(shù)據(jù)為默認(rèn)值，此時讀出的計量參數(shù)值和

9、實際參數(shù)值不符，因而需要對校表寄存器進行設(shè)置，以將測量值減小到誤差范圍之內(nèi)。校表可按高頻輸出參數(shù)設(shè)置、比差補償區(qū)域設(shè)置、角差補償區(qū)域設(shè)置、功率增益校正、相位校正、啟動電流設(shè)置、功率增益校正、參量累加模式設(shè)置、電壓校正、電流校正的先后順序進行。現(xiàn)以電壓增益的校準(zhǔn)為例簡要說明AT7022的校表方法，其它參數(shù)校準(zhǔn)請參照參考文獻。電壓增益校正UgainA、UgainB、UgainC:在ATT7022初始化時，Ugain為0，標(biāo)準(zhǔn)表上讀出的電壓有效值為Ur，通過SPI口讀出的測量電壓有效值寄存器的值為Datau。此時，如實際電壓有效值Ur，測量電壓有效值為Urms=DataU2 10/2 23，由于：U

10、gain=(Ur/Urms)-1因此，如果（Ugain0）,則Ugain=INTUgain2 23否則Ugain<0,則Ugain=INT2 24+Ugain2 23,式中，INT表示取結(jié)果的整數(shù)部分。4 ATT7022在配電監(jiān)測終端的應(yīng)用ATT7022能夠提供的計量參數(shù)除瞬時有功功率、無功功率、視在功率、有功電能、無功電能、功率因數(shù)、相位、電壓有效值、電流有效值、瞬時合相電流值、線電壓頻率值、四象限無功、正向和反向有功電能外，還包括缺相、相序錯誤和反向有功指示等狀態(tài)信息，非常適用于配電終端監(jiān)測的設(shè)計。計量部分的典型電路簡圖如圖4所示。目前我國在用電量一直處于遞增趨勢，然而拖欠電纜的違章

11、用電時有存在，這不但不利于電力部門的管理，而且影響了其它部門的正常用電。針對電力管理需求，筆者設(shè)計了一種由ATT7022構(gòu)成的配電監(jiān)控終端系統(tǒng)，如圖5所示，該系統(tǒng)包括電能計量和配電監(jiān)控兩部分。其中電能計量部分利用ATT7022芯片來實現(xiàn)對大用戶電能參數(shù)的精確采樣，相當(dāng)于一塊高精度電能表；配電監(jiān)控部分則通過RS485總線對被監(jiān)控電能表（用戶標(biāo)準(zhǔn)表）電能參數(shù)進行實時采集，并通過終端內(nèi)部的軟件分析模塊分析出兩部分?jǐn)?shù)據(jù)的一致性和報警標(biāo)志，從而確定了是否存在違章用電情況。配電監(jiān)控還可通過GPRS/GSM模塊與電力部門的上位機進行實時通訊，從而實現(xiàn)用電遠程配置和在線管理。在緊急情況下還可以通過遙控拉閘/合閘來保證用安全。ATT7022的電壓輸入范圍0V1V（有效值），因此，筆者選用的電流互感器規(guī)格為1.5(6)A/5mA，精度是0.05級，負(fù)載阻抗為20，電壓互感器