王保錄 宋春寧 周曉華 宋云鵬

廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院 廣西 530004

0 引言

傳統(tǒng)的路燈控制器只能實(shí)現(xiàn)簡單的人工控制或定時(shí)開關(guān)，存在人力物力耗費(fèi)大、難以集中管理、浪費(fèi)電能、故障排除效率低等缺點(diǎn)。因此使用自動(dòng)化程度高、運(yùn)行可靠、高效節(jié)能、維護(hù)方便的城市路燈控制器成為了路燈控制和管理的發(fā)展趨勢。

新型的路燈控制器是城市路燈監(jiān)控系統(tǒng)的核心部分，控制器不僅要實(shí)現(xiàn)路燈開關(guān)控制、GPRS遠(yuǎn)程通信等功能，還要實(shí)現(xiàn)路燈線路中的參數(shù)采集和故障監(jiān)測。本文采用ATT7022B電能計(jì)量芯片設(shè)計(jì)了路燈的交流電參數(shù)采集電路，完成路燈的電流、電壓、功率和總用電量等參數(shù)采集，為路燈監(jiān)控管理部門提供精確可靠的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)路燈線路運(yùn)行狀況的有效監(jiān)控，達(dá)到路燈節(jié)能和提高故障處理效率的目的。

1 硬件結(jié)構(gòu)

1.1 芯片簡介

ATT7022B是一高精度三相電能專用計(jì)量芯片，適用于三相三線和三相四線應(yīng)用。內(nèi)部集成了六路二階Sigma-delta ADC、參考電壓電流以及所有功率、能量、有效值、功率因數(shù)的數(shù)字信號處理等電路。能夠測量各相電流、電壓有效值、有功功率、功率因數(shù)、頻率等參數(shù)；支持全數(shù)字域的增益、相位校正，即可實(shí)現(xiàn)純軟件校表。

ATT7022B提供一個(gè)SPI接口，方便與外部MCU之間進(jìn)行計(jì)量參數(shù)以及校表參數(shù)的傳遞。

芯片主要特性如下：

（1）高精度，再輸入動(dòng)態(tài)工作范圍(1000:1)內(nèi)，非線性測量誤差小于0.1%；

（2）提供有功、無功、視在校表脈沖輸出；

（3）提供基波有功、基波無功校表脈沖輸出；

（4）提供電壓和電流有效值參數(shù)，有效值精度優(yōu)于0.5%；

（5）具有SPI接口，方便和外部MCU通訊。

1.2 路燈控制器原理

智能路燈控制器主要由ARM處理器、電參數(shù)采集電路、CPLD電路、GPRS通信電路、LCD顯示電路及開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路等部分組成，原理圖如圖1所示。

圖1 智能路燈控制器原理圖

1.3 ATT7022B的外圍電路

針對ATT7022B的外圍電路的設(shè)計(jì)是路燈控制器電路中十分重要的一部分；ATT7022B對模擬輸入通道送來的電壓、電流信號進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換及DSP處理后將結(jié)果保存在相應(yīng)的內(nèi)部寄存器中。這些處理結(jié)果都可以通過ATT7022B的SPI口輸出給ARM處理器；在本設(shè)計(jì)中，利用S3C44B0X的普通I/O引腳來實(shí)現(xiàn)SPI接口功能(如圖2所示)。

圖2 ATT7022B外圍電路

2 電參數(shù)采集

電參數(shù)采集主要包括兩大部分：一部分是SPI通訊，另一部分是軟件校表。

2.1 SPI通訊

ATT7022B內(nèi)部集成了SPI串行通訊接口，SPI接口采用從屬方式工作，使用兩條控制線和兩條數(shù)據(jù)線：CS、SCLK、DI和DOUT。

2.1.1 SPI讀操作工作過程

ATT7022B的計(jì)量參數(shù)以及校表參數(shù)寄存器是通過 SPI提供給外部MCU。通過SPI寫入1個(gè)8 Bits的命令之后，需要一個(gè)等待時(shí)間，然后才能通過SPI讀取24 Bits的數(shù)據(jù)，工作流程如圖3所示。

圖3 SPI讀操作流程

2.1.2 SPI寫操作

SPI寫操作和讀操作類似，區(qū)別在于S3C44B0X發(fā)送寫入一個(gè)8 Bits的命令字之后，不需等待就可以從DIN口發(fā)送24 Bits的數(shù)據(jù)。

2.2 校表方法

ATT7022B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(shí)讀出的計(jì)量參數(shù)值和實(shí)際參數(shù)值不符，因而需要對校表寄存器進(jìn)行相應(yīng)的設(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(bǔ)償區(qū)域設(shè)置、角差補(bǔ)償區(qū)域設(shè)置、功率增益校正、相位校正、電壓校正、電流校正的先后順序進(jìn)行。本文以功率增益的校正為例說明ATT7022B的校表方法。

在功率因數(shù)cos()1Φ=時(shí)進(jìn)行功率增益校正。如果設(shè)定寄存器Iregchg不為0，則必須分在I＞Irechg以及I＜Irechg處進(jìn)行校正。其中I＞Irechg校正的為Pgain0，而I＜Irechg處校正的為Pgain1，如果設(shè)定寄存器Iregchg為0，即比差補(bǔ)償部分區(qū)域進(jìn)行，則只需要在 100%Ib處進(jìn)行一次校正，然后將校正系數(shù)同時(shí)寫到Pgain0和Pgain1中。

功率增益校正的計(jì)算方法如下：

（1）誤差err：可以從標(biāo)準(zhǔn)表上直接讀出，也可以按下式計(jì)算得到；

（2）通過err計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)值相對校正前的增益值。

（3）如果Pgain≥ 0 ，則Pgain=INT(Pgain× 223);//給校表寄存器完成校表

如果Pgain＜ 0 ，則Pgain=INT[ 224+Pgain*223]

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本路燈控制器在完成硬件電路、軟件程序設(shè)計(jì)和相應(yīng)的數(shù)字化校表之后對其進(jìn)行各種參數(shù)的測試。如圖4是利用力控組態(tài)軟件設(shè)計(jì)的電參數(shù)監(jiān)控界面。從圖4中可以得到電壓、電流及功率等參數(shù)經(jīng)過校正后的結(jié)果。

圖4 組態(tài)軟件接收的校表數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用ATT7022B電能計(jì)量芯片設(shè)計(jì)了路燈的交流電參數(shù)采集電路，該電路可以采集電流、電壓有效值，有功功率和無功功率以及計(jì)算總用電量等，為路燈監(jiān)控和故障檢測提供了可靠的依據(jù)，本方案具有精確度高、擴(kuò)展方便、易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。

[1]田澤.嵌入式系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用[M].北京:北京航天航空大學(xué)出版社.2005.

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[3]馬國華.監(jiān)控組態(tài)軟件及其應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社.2001.

[4]VxWorks Programmer′s Guide.Wind River System Inc.1999.