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基于MCP3906电能芯片和AT-Mega16单片机的单相电表计量设计

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电能表作为电能计量的专用仪表,在电能管理仪器仪表中占有很大比例,其性能直接影响着电能管理的效率和科技水平。从产品的功能、性能及经济效益等多方面来看,全电子电能表与传统的感应式电能表相比,存在着明显的优势。而且电能表作为计量管理和用电管理的终端,它所提供的各种功能是实现电力系统自动化管理必不可少的。传统的测量都是采用A／D转换电路,但这种方法使部分电参量测量精度欠佳,性价比不理想,且软件编程相对复杂,微控制器必须对采样电路进行数据处理(如电压、电流的平均值、有效值,有功、无功计算等)。而随着现代电子产业的高速发展,测量电路的集成化、模块化成为未来发展的趋势,各大器件公司也纷纷推出自己的电能计量芯片。这种集成芯片不仅精确度高,而且硬件、软件设计简单,价格便宜,性价比高,极具市场潜力。本文给出了基于Microchip公司的MCP3906单相电能计量芯片,并以AVR公司的ATMega16为MCU设计开发的一款新型单相电能表实现方案。与以往电能表相比,该方案具有设计接口简单、结构紧凑、可靠性高等特点。

1 MCP3906单相电能计量芯片

MCP3906是Microchip公司推出的单相电能计量芯片,它支持国际电能计量标准技术规范IEC62053,可提供与平均有功功率成比例的频率输出,以及与瞬时功率成比例的高频输出用于电表校准。MCP3906内部包含两个16位△-∑ADC,可用于各种IB和IMAX电流和小分流器(<200μΩ )的电表设计。该芯片还包含一个超低温漂(<15ppm／℃)参考电压,通过特殊设计的带隙温度曲线,可在整个工业级温度范围内使温度梯度达到最小。固定功能的片上DSP模块可用于计算有功功率,此外,片上还有驱动机械计数器的高输出驱动器,可以减少现场故障和机械计数器咬合。芯片的空载门限模块可防止任何电流潜变(Creep)测量,而上电复位(Power on Reset,POR)模块则可在低电压时限制电表测量。因此,MCP3906是具备高现场可靠性的精密电能计量IC,并采用业界标准的引脚配置。

1.1 MCP3906的内部结构及工作原理

MCP3906是混合模拟／数字信号的CMOS集成电路,其内部结构框图如图1所示。

MCP3906可提供与有功功率成比例的频率输出和与瞬时功率成比例的高频输出来用于校准。它的两个通道均使用16位二阶△-∑ADC,能以MCLK／4的频率对输入进行采样,同时允许对动态范围很宽的输入信号进行采样。可编程增益放大器(Programmable Gain Amplifier,PGA)扩大了电流输入通道(通道0)的可用范围。其有功功率的计算以及与计算有关的滤波均可在数字域中完成,从而提高了其稳定性和温漂性能。

MCP3906的两个数字高通滤波器(HPF1和HPF2)可以滤除两个通道的系统偏移量,因此,有功功率的计算不含任何电路或系统偏移量。经过高通滤波后,电压和电流信号相乘,即可得出瞬时功率信号。此信号不含直流偏移分量,因此可有效利用求平均法(Averaging Technique)计算出所需的有功功率输出。

瞬时功率信号包含的有功功率信息就是瞬时功率的直流分量。求平均法可用于计算正弦和非正弦波形,以及所有功率因数。瞬时功率经过低通滤波器(LPF)就可以产生瞬时有功功率信号。

通过MCP3906的DTF转换器可对瞬时有功功率信息进行累加,以产生输出脉冲,此脉冲的频率与平均有功功率成比例。FOUT0和FOUT1输出的低频脉冲可用于设计驱动机电式计数器和双相步进电机,以便显示实际消耗的有功功率。每个脉冲对应于一个固定的有功电量值,其功能可由F2、F1和F0的逻辑进行选择。HFOUT输出具有较高的频率设定和较低的积分周期,可用于表征瞬时有功功率信号。由于累加时间较短,该输出可使用户在稳定的负载条件下进行快速的校准。

1.2 MCP3906的引脚功能

MCP3906采用24引脚SSOP封装,其引脚排列如图2所示。各引脚的功能说明如表1所列。

2 MCP3906在单相电能表中的应用

2.1 单相电能表的系统组成

利用MCP3906和AVR Mega16设计的单相电能表系统框图如图3所示。图中,MCP3906芯片用于对输入的电压和电流进行计算。将经过高通滤波后的电压和电流信号相乘,得出瞬时功率信号,此瞬时功率经过低通滤波器即可产生瞬时有功功率信号。此信号不含直流偏移分量,但可利用求平均法计算出所需的有功功率输出：然后通过器件的DTF转换器对瞬时有功功率信息进行累加,以产生输出脉冲,此脉冲的频率与平均有功功率成比例,每个脉冲对应于一个固定的有功电量值;再通过AVR单片机对该脉冲信号进行计数,即可得出有功功率的数值;最后通过LCD显示模块显示出来。系统的电能累计分为第一次上电后的连续累计和时段累计两种。时段累计需要对时间进行判断,即如果当前的时间处在某个时段内,则对该时段进行电能累计;否则,不进行电能累计。

2.2 系统功能模块

(1) RTC实时时钟模块

时钟是电能分时计量的基础,实时时钟分硬时钟和软时钟两种,本设计选用硬时钟。当前应用较为广泛的时钟芯片有PCF8583、DS1302等。本设计选用DS1302实时时钟芯片来为系统提供时钟,可精确到年月日时分秒。该芯片内置可编程日历时钟和31字节的RAM,工作电压范围为2.5～5.5V,且功耗低。掉电后可由电池供电,其工作寿命达10年以上。

(2) LCD显示模块

电能表的显示一般可采用段式LCD显示器,这种显示器具有功耗低、寿命长、显示方式灵活等优点。
(3) 通信接口模块

通讯处理模块是电能表系统与外界通讯的模块,这是依据国标规程编写的一个软件模块。该模块包括通讯接收处理、通讯命令处理及通讯发送处理等部分。由于通讯信道有红外信道和RS485信道两个信道,故在通讯时,要由MCU来判断道底使用哪个信道。

(4) 数据存储模块

该功能模块主要由支持I2C总线的可擦写EEP-ROM (AT25C256)和掉电保护电路组成,主要用于存储计算出来的电压、电流、有功等实时值以及每个时段的有功电能值,还有掉电时间记录、电压电流越上下限报警记录和历史记录等等。如果模块掉电,系统中的掉电保护电路会自动切换到后备电池给外部RAM供电,以保证RAM里所有的数据不丢失。

(5) 电源

为确保电能表稳定可靠的运行,电源是电能表设计的一个关键。本设计采用一路9V电源和一路5V电源来分别给AVR Mega16和RS485通信单元供电。通信单元、计量单元和MCU之间的通信采用光耦进行隔离,可提升整个系统的抗干扰能力。众所周知,电能表的干扰源主要有电网的电压波动、闪电冲击和变压器产生的电磁感应等。本设计采用压敏电阻来吸收瞬问高压冲击。电源进线处则使用磁环来防止高频电磁脉冲对电路的干扰和破坏。

2.3 软件设计

整个电能表的软件程序由主程序、系统初始化、电量处理模块、数据存储、键盘中断、LCD显示模块、通信模块等组成。通过主程序或通过中断方式可以调用子程序,以实现系统的整体功能。

其中主程序可用于完成启动和系统初始化(包括FLASH、RAM、LCD的设置、SCI及RTC等的初始化),以及判定时段,在LCD上显示电量和时间等。主程序的流程图如图4所示。