基于ADE7878的多路电量检测系统设计

摘要：为了解决工控领域多路交流电参数检测，需要独立进行单路测量电路设计的问题，给出了一种基于ADE7878芯片和嵌入式技术设计的多路电参教采集系统的硬件电路和程序流程。系统采用LPC2132作为主控芯片，适时控制4052多路开关，切换各路信号，通过I2C通信接口，读取ADE7878电能芯片采集的电量参数，同时通过RS485通信接口，上传电参数。实验结果表明，该采集系统最多可采集4路三相电的电压，电流，功率，功率因数，电能均能实现1％的计量精度，具有应用灵活，外围电路简单，可靠性高，成本低的特点。本电路设计亦可为相关产品的测试系统研发提供参考。
关键词：ADE7878；电量检测；硬件电路设计；单片机

随着社会用电容量的扩大，通过适时检测用电信息，实现配电自动化和管理自动化，迫切需要电量检测及配送向高精度，多功能，智能化方向发展。传统设备存进行多路电量参数监测时，往往采用多个电量监测仪器的方法，区分检测主回路和支路电量参数，系统复杂，成本高。因此，研制一种可以进行多路电量检测系统是十分必要的。为此，三相数字电表是通过使用嵌入式系统，将采样、DSP、ARM等技术集成在一起，实现复费率、多种参数的测量显示、接口丰富、易于扩展的数字电表。文中基于ADE7878芯片设计了一种数控电量检测系统，其可测量1路电压，4路电流，4路功率，1路电能，检测精度均可达1％，并给出了系统的软硬件设计，该设计已在相关产品的研制中得到了应用。同时此设计方法也为相关产品的开发奠定了基础。

1 ADE7878简介
ADE7878是一款高精度、三相电能测量IC。ADE7878适合测量各种三线、四线的二三相配置有功、无功和视在功率，例如Y形或三角形等。各相均具有系统校准功能，即有效值失调校正、相位校准和增益校准。CF1、CF2和CF3逻辑输出可提供许多功率信息：总／基波有功／无功功率、总视在功率或电流有效值和。
ADE7878具有波形采样寄存器，允许访问所有ADC输出。该器件还提供电能质量测量，例如：短时低压或高压检测、短时高电流变化、线路电压周期测量以及相位电压与电流之间的角度等。利用两个串行接口SPI和I2C，可以与ADE7878通信，同时专用高速接口、高速数据采集(HSDC)端口可以与I2C配合使用，以访问ADC输出和实时功率信息。该器件还有两个中断请求引脚／IRQ0和／IRQ1，用来指示一个使能的中断事件已经发生。

2 电量检测系统设计
2．1 系统设计原理
整个检测系统由LPC2132控制及数据存储模块、信号调理和采集模块、多路信号切换模块和通讯模块组成。我们采用LPC2132控制芯片实现电量检测系统的各项功能。交流电压和电流信号，经过信号调理电路，经过4052多路信号切换电路，输出ADE7878采样范围内的信号，ADE7 878将模拟量信号转换为数字量，LPC2132芯片通过I2C通信接口，获取ADE7878的数据，同时LPC2132适时切换4052多路开关，切换各个支路电流信号输出到ADE7878芯片。检测系统配有EEPROM掉电存储单元，可以将ADE7878的校表参数及电能数据存储。通讯模块通过RS485通信接口，可以与计算机进行数据通信，上传采集到的数据信息。电量检测系统实现原理如图1所示。

2．2 系统硬件设计
硬件系统设计主要分信号调理和采集模块、多路信号切换模块、MCU控制及数据存储模块和通信模块3部分。
2．2．1 信号调理和采集模块
电压采样采用电阻分压的方式实现，用大电阻及小电阻串联，采样小电阻两端电压信号，这样输出端VA(VB，VC)输出一个范围在0～500 mV之间的模拟电压。该模拟电压信号输入到ADE7878中。信号调理和采集电路原理图，如图2所示。

电压采样电路计算公式及电压系数如式(1)、(2)所示。

电流采样的传感器采用电流互感器，一次侧直接为实际测量线路，其二次侧输出为电流信号(具体输出电流大小根据需要而定)，故电流采样采用串联电阻的方式实现，采用两个电阻串联实现，这样可得到一个范围在0～500 mV之间的交流电压信号。该模拟电压信号输入到ADE 7878中电流采样电路计算及电流系数计算公式如式(3)、(4)所示。

在进行多路电量信号采集时，需要通过适时切换4052接入ADE7878芯片的模拟信号。实际电路中由于选用电阻本身的误差和输入失调、温漂等问题的存在，上述计算公式零位和线性系数会稍有偏差，可以通过标定得到准确的系数和零位。
2．2．2 MCU控制系统的设计
为了提高采集系统的可靠性，选用基于32位ARM7内核的LPC2132芯片作为主处理器及外部的复位电路实现可靠复位。这样使用一个小的、廉价的处理器核就可实现很高的指令吞吐量和实时的中断响应。MCU控制系统电路原理图，如图3所示。

为了使系统能够正确复位，在此系统中，使用专用复位芯片CAT1025复位。CAT1025集成了系统电源监视电路。当系统电压高于设定电压时，延时200 ms启动系统，这使系统在上电时的复位时间大于LPC2132芯片所需要的复位时间，使系统正常复位。
2．2．3 多路信号切换模块的设计
本系统，采用一个电能芯片可采集4路的电流，功率或单路电流，功率，电能数据，其实现多路电流检测的关键是通过CD4052／CC4052切换各路电流信号接入ADE7878芯片。
CD4052／CC4052是一个差分4通道数字控制模拟开关，有A、B 2个二进制控制输入端和INH输入，具有低导通阻抗和很低的截止漏电流。这些开关电路在整个电源范围内具有极低的静态功耗，与控制信号的逻辑状态无关。二位二进制输入信号选通4对通道中的一通道，可连接该输入至输出。其典型应用原理如图4所示。

在采集多路电流时，LPC2132通过CD4052控制端控制各支路信号接入ADE7878采样管脚，由于ADE7878芯片内部有DSP算法原理，存在数据建立时间问题，故检测各支路电流信号的接入时间不要太短，否则正确数据没有运算完成，数据误差较大。为了防止CD4052控制信号线干扰现象发生，将控制信号线接上拉电阻，这样对切换过程影响小，工作可靠。
2．2．4 通信模块的设计
LPC2132芯片串行通信接口采用的是TTL电平，它不能直接与PC机标准串行通信接口连接通信，必须设计TTL电平到RS485协议电平信号的转换电路。
MAX485是一种把TTL电平转换为RS485电平的芯片。RS485总线标准采用平衡发送和差分接收的方式进行数据通讯，利用信号线A、B间的电压差传输数据，属于两线制的信号传输方式。RS-485总线用于多点互联时非常方便，可以省掉许多信号线，应用RS-485可以互联构成分布式系统，允许最多并联32台驱动器和32台接收器，但对同一信号线上同一时刻只允许一个驱动器工作。
2．3 系统软件设计
本系统中，单片机程序由3个模块组成，分别是初始化模块，串口通信模块及ADE7878通信及控制模块。
系统复位后，单片机先进行各参数(如串口通信波特率)初始化设置．并从EEPROM芯片读取ADE7878校准参数及存储的电能参数，将校准参数写入ADE7878芯片，实现电量参数的准确检测。继而间隔固定时间，适时操作4052开关电路，切换采集各路电量数据，并渎取ADE7878采集的各路电量参数，及时将电能参数存储到EEPROM芯片，并适时清看门狗。如果有正确通信事件发生，则将采集到的电量数据经RS485通信接口上传数据。程序控制流程如图5所示。

3 结论
本系统采用的电路，用一个电能计量芯片即可实现多路电量数据的采集工作，并且在各电量数据额定采样范围内，精度均可达1％，电路简单，应用灵活、精度高、成本低廉。系统各项技术指标均达到了设计要求，工作可靠，并已投入使用，有较高的使用价值，对过程监控、数据采集等系统的开发具有借鉴意义。