基于ATT7022A的三相多功能电表设计

Three-phase multi-function meter based on A FT7022AWang Xianjing，Zhang Tiankai，Wei Kai，Sun Yilin(Automation Institute，Qingdao Techonologieal University，Qingdao 266033，China)Abstract： This meter adopts SUNPLUS SPCE061A board as the controller，high precision measurement chips A II7022A forthree-phase power as the core measure chip，to realize the measurement and disp]ay of AC three-phase frequency voltage，current，power phase three，three-phase reactive power，total power.total reactive power and power factor，the grid frequency，and reactivepower meritorious electric.The meter has high accuracy，and has the voltage and CuFFent detection and power in sequence，stor-age，password protection，etc.This design is realized by RS-485 communication，renlote rfleastlrelnen[to handheld PDA infi'aredcommunication of information organizing form，and through the key menu and LCD display provides the man～machine intedhce。

Key words：A r]7022A；SPCE061A；RS-485 communication；infrared comlnunication电能表是我国电工仪表行业中产量最大的产品↑几年，国家连续 出台多项与电能表相关的政策 ，加上 中国的社会用 电量迅速增 长 、全国联网 、特高压 电网建设 、智 能家居进程 、计量新技术应用等要素 ，不断推进电表应用的扩展 。

随着高新技术尤其是电子信息技术 的快速发展 ，电子式 、多功能、高精度 、多费率 、自动抄表等产品成为 电能表 发展 的主 流。本 文设 计 的电表 主要有 以下优 点 ：(1)系统采用互感器对 电压电流进行采样 。传统的电表 大多 采用 电阻分 压对 电压 和电 流量进行 采样 。这 种方法 简单 易行 ，电路 结构 简单 。但 是 电阻分 压提 取 电压值 ，对 电阻的精度要求高 ，且浪费在分压电阻上的能量太多，不符合环壁能的要求 ；同时对电流的采样也会改 变原有 电路 的参 数。 (2)串行通信采用 RS-485，通过平衡发送和差分接收方式实现通信。由于传输线通常使用双绞线 ，采用差分 传输 ，所 以有 极强 的抗 共模 干 扰能 力 ；总线 收发 器 的94灵敏度很高 ，可以检测到低至 200 mV的电压 ，其传输信号在千米以上可以恢复；传输距离远 ，传播速度快。

(3)传统 抄表 系统 的 电能计 量模 块采 用傅 里 叶算 法计算 ，算 法过 于复 杂 ，对 处理 器 的要 求较 高 ，由于大量 的采样和数据运算给单片机带来很大的负担 ，严重影响了单片机处理其他问题的速度；并且大大增加 了成本。本系统采用的 ATT7022是-款国产的电能计量专用芯片，电路价格 低廉 。除 了 A/D转换 部分 ，在 芯片 内还集 成 了数 据运 算 电路 ，可 以大大 节省 测量 系 统主 控 MCU的工作 负荷 。为 了保证 测量 精度它 的采 样频 率为 3.2 kHz。此芯 片 的接 口简 单 ，使用方 便 。

此外 ，系统还设置了密码保护功能 、掉电存储功能 、过载保 护功 能等 。

1系统整体结构设计1.1系统 的总体 基本结 构本设计主要 由主控部分 、液 晶显示拈 、电压 电流《微型机与应用》2013年 第32卷 第4期Example of Application采 样模 块 、参 数测量 拈 、电源 拈 、通 信模 块 参数 测 量部 分构 成 。系 统 以 l6位凌 阳单 片机 SPCE061A为控 制 核心121，配合高精度芯片 ATl'7022A完成 电量参数 的测量。

位 加 以分段 修 正 ，并对 电压 、电流 有效 值进 行修 正 。通过SPI接 口将 校正 的数 据写 入 A rr7022中实现 。

2.3 RS-485模 块部 分设 计红 外 通 信 模 块 单 片机 。 I --三相电压l 、 ATI702 已 彳 采样有 功 显 示模 块 I 键 盘 模 块复功率 单片机 I 电能键盘拈 显示拈三相电流l 、 计量采样 芯片 彳、RS - 485 单片机通信拈 早 饥图 1 系 统 基 本 结 构 图系统 通 过 ATY7022三 相有 功 复 功 率 电能 专 用 计量芯片对采样调理后的三相交流电信号进行处理 ，得到每相 交 流 电 电压 、电流 、有功 功 率 、无 功 功率 、频 率 和 功率因数 等参 数 ，并将 各 参数 数 据送 入 SPCE061A 进 行 数据远 程测 量及 红外 通信 。在 任意 时 刻 ，都 可通 过按 键 输入信 号 验 证 密码 后 对 当前 时 刻 三 相 电 的所 有 测 量数 据进行 观测 并进 行 密码修 改[31。

1.2 ATT7022简介本 系 统 采 用 高 精 度 的 三 相 电 能 专 用 测 量 芯 片A m 022A作 为 主控 芯 片 ，其 有 功 测量 满 足 0.5S/0.2S。

AT1'7022三相 电能 专用 计 量精 度 非常 高 ，适用 于 三 相三线 和三 相 四线 。A'IT7022能够 测 量各相 以及合相 的有功功率 、无功功率 、视在功率 、有功能量以及无功能量 ，同时 还 能测 量 各相 电流 、电压 有效 值 、功率 因数 、相 角 、频率 等参 数 ，充 分满足 三相 复 费率多 功能 电能 表 的需求 。

2 系统硬 件设计本 系 统 采 用 凌 阳系 列 单 片 机 SPCE061A 为 主 控 芯片 ，采 用 电 流型 电压 互 感器 HK 31C及 立 式穿 芯 微 型精 密交 流 电流互 感 器 HKCT21A-02对三 相 电压 、电流 进行采 样 。

2.1采样 拈 设计因为本 系统 需 要测 量 电流 电压 参 量 ，而现 有测 量 芯片无 法 直接对 大 电流 和高 电压 进行 测量 ，故需 要对 这 两个信号进行采样。本系统中电压信号采集使用 HKPT31C电流 型 电压互 感器 ，它具有 体 积小 、精度 高 、印刷线 路 板直接 焊接 安装 、使 用方 便 、机械 和 耐环境 性 能好 、电压 隔离 能 力 强 、安 全 可 靠 等 优 点 。 电 流 采 集 器 件 使 用HKCT21A-02-15A 交流 电流 互感 器 ，它 同样 具有 直 接焊接 安 装 、精 度 高 、全 封 闭 、抗 干 扰 性 好 、电 压 隔 离 能 力强 、安全 可靠 的优 点 。

2.2 A1-r7022拈 部分 设计电 压 、电流 测 量 采 用互 感 器 输 入 方 式 ，这 时 各通 道不可 避 免地 存 在增 益 、相 位方 面 的 误 差 ，在 高 精 度 测量时这 些误 差不 容忽 视 ，针对 互 感器 比差 的非 线性 ，ArI'T7022可 以提 供 校 正 ，可对 比差 进 行 分 段 补 偿 ，对 相《微型机与应用》2013年 第32卷 第4期RS-485与 MAX485联合 使用 ，通过 RS-458协议实现串口长距离通信 ，用 MAX485完成 将 TTL电平 与 RS-485电 平 之 间 的转 化 。

本 系统还 采用 光 隔 电路 ，在无 信号 传 输 时将MAX485和 单 片机 进 行 隔 离 ，减 小 了各 器 件问 可能 存 在 的 f扰 。 图 2是 系统 RS-485串口通 信 电路 ，整 个 系统 中有 两处 这种 电路 ，分别 位 于两块 单 片机 上 ，实现 双 向通信 [4-51。

3 系统 软件设 计3.1主 程序 流 程图主程 序 流程 图如 冈 3所示 。首 先进 行 系 统初 始 化 ，通 过 A'IT7022判 断 电流 电 是否 过 载 。若 过 载 ，报 警 并采 用 相 应 的保 护 措 施 ；若 正 常 ，继 续 进 行 数 据 采集 处理 ，将处 理 后 的数 据 通过 红 外 或 RS-485方 式 传 送 到 另- 块单 片机 ，通 过 LCD显 示 。在 另 块 单 片 机上 按键 ，运 行键 盘 扫 描程 序 ，选 择 相 应 功能 ，通 过 LCI)显示 观察 测量 结 果 。

、，QRXD l .R2l[ !。莲Vc R 4U 3 10 kl'-]V GND7Rcn R747 knGND图 2 RS-485通信拈 电路单 片 机 ATI'7022液 晶初 始 化GND麓0- . - --JR9 47 kn报警及相应保护措施扫描键盘按键选择功能 H 实时显示图 3 主程序流程图欢 迎 网 上 投 稿 5 8765-铝XExample of Application软件的设计主要包括数据采集 、LCD显示程序 、断电保 护程序 、键盘程序 、RS-485通 信和红外通信 等部分 。

3.2密 码保 护功 能密码保护功能的实现依靠 32 KB闪存 Flash。密码保护 拈 流程 图如 图 4所 示 。密码存 入- 个特 定 的闪存地址 ，每次 密码验 证 时 ，从 闪存 中读 出原 设密 码 ，将从 键 盘中输 入 的数 字 与原设 密码 进行 比较 ，正确 就 可 以进 入 下- 步 ，对各参量观察 ，错误则提示密码输入错误重新输入密 码 。修 改密码 时从 键盘 获取 修改 的密码 值写 入指 定闪存 地址 ，覆 盖原 来 的密码值 。

图 4 密 码保 护 模 块 流 程 图3.3 红外通 信红 外 发 射 电路 串行 码 主 要 由 TimerA 定 时 器 发 送 ，IOB8编程 为 第二 功 能 ，由 TimerA控 制输 出 占空 比可调的脉宽调制信号 PWM0，产生 38 kHz的载波信号。串行 数 据 由单 片 机 的 串行 输 出端 TXD送 出 并 驱 动 三 极管 ，利用两个红外发射管将 38 kHz的载波信号 以光脉冲 的形 式 向外 发送 。串 行码 为 1时 ，打 开 输 出 ，为 0时 ，关 闭 PWM0输 出 (输 出低 电平 )。用 TimerB控 制脉 冲宽 度 。

红外接 收电路 利用 TSOP1738红 外光敏 元件将 接收到的载波频 率为 38 kHz的脉 冲调制 红外光信号转化为电信 号，再 由前置放大器和 自动增益控制电路进行放 大 处 理 。然 后通 过 带 通 滤波 器 进行 滤 波 ，滤 波后的 信号 由解 调 电路 解 调 。最 后 由输 出级 电路 进 行 反 向放 大输 出。

3.4 RS-485数 据通 信RS-485接 口采用差分方式传输信号 ，并不需要相对 于某个 参 照点来 检测 信号 ，系统 只需 检测两 线 之 间的电位差 。

4 测试 结果与分 析4.1三 相有 功功 率测量 及 总有功功 率测得的三相有功功率与总有功功率如表 1所示 。

4.2功 率 因数4次测 量 的功 率 因数理论 值 与测量 值如表 2所示 。

4.3 测试 分析与 结论根据 上述测 试数 据 ，经分 析可 以得 出 以下 结论 ：(1)本系统能对三相工频交流电(频率波动范围为96表 1 三相有功功率和总有功功率的理论值与测量值对比理论值/W 62 122 157 206C相 测量值/W 62.4 122.8 156.0 204.5误 差/% 0.65 0.66 0.64 0.73理论值，W 183 344 439 650总有功功率 测量值/W 182.1 342.1 436.8 646.5误 差，% 0.49 0.55 0.50 0.54表 2 功率 因数45 Hz～65 Hz)的三 相 电压 、三 相 电流 、三相有 功功 率 、三相 无 功 功 率 、总 有 功 功 率 、总无 功 功 率 、功 率 因 数 、电网频 率 、有 功 电 能 和无 功 电能 在 误 差 允 许 范 围 内进 行测 量 。

(2)实 现 电压 和 电 流相 序 检 测 功能 ，有 掉 电存 储 功能 。

(3)通过密码保护 、标准 RS-485通信实现远程测量 、红外通信等 ，保证了数据传输的准确性。