馮京京 林 洋 宋生壯

(北京航天發(fā)射技術(shù)研究所，北京 10007)

1 引 言

隨著數(shù)字技術(shù)的快速發(fā)展，軍用特種車(chē)輛向多系統(tǒng)集成、網(wǎng)絡(luò)化通信、信息化監(jiān)測(cè)、智能化控制等方向發(fā)展。其中，各系統(tǒng)的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)模塊，采集處理各系統(tǒng)的關(guān)鍵狀態(tài)參數(shù)，為上述目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供最基礎(chǔ)、最原始的信息，發(fā)揮非常重要的作用。本文主要介紹交流電源參數(shù)測(cè)量的技術(shù)路線選擇，基于ADE7858智能計(jì)量芯片的交流電源監(jiān)測(cè)模塊的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，ADE7858電路的硬件、軟件設(shè)計(jì)、參數(shù)校準(zhǔn)及整機(jī)性能測(cè)試情況，采用ADE7858智能計(jì)量芯片，極大的簡(jiǎn)化了模塊軟硬件設(shè)計(jì)，同時(shí)提高了參數(shù)測(cè)量精度。

2 交流電源參數(shù)測(cè)量的技術(shù)路線選擇

從1890年，弗拉里發(fā)明感應(yīng)式電度表，開(kāi)始了交流電源參數(shù)的測(cè)量，至今已有百余年的歷史，隨著科技的進(jìn)步，交流電源參數(shù)測(cè)量技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷三個(gè)主要階段：[1]

第一階段：上世紀(jì)60年代以前，采用電磁感應(yīng)原理，設(shè)計(jì)出來(lái)的機(jī)械指針式電壓表、電流表、頻率表及功率表等，其基本組成元件有驅(qū)動(dòng)元件、轉(zhuǎn)動(dòng)元件、制動(dòng)元件、軸承、計(jì)度器和誤差調(diào)整裝置組成，受原理制約，機(jī)械指針式電量測(cè)量?jī)x表誤差較大；

第二階段：從上世紀(jì)80年代起，大量新型電子元器件的出現(xiàn)，采用模擬電路乘法器，實(shí)現(xiàn)了精確測(cè)量交流參量，包括電壓、電流、功率、電能等，基于模擬量信號(hào)變換、傳輸及電能參數(shù)運(yùn)算，具有工作原理簡(jiǎn)單、可靠性高、誤差穩(wěn)定的特點(diǎn)，同時(shí)初步實(shí)現(xiàn)了多參數(shù)測(cè)量的一體化集成；

第三階段：本世紀(jì)初至今，數(shù)字采樣及數(shù)據(jù)處理技術(shù)被應(yīng)用于交流電源參數(shù)測(cè)量，實(shí)現(xiàn)了0.5級(jí)、0.2級(jí)，甚至0.01級(jí)精度的測(cè)量，目前數(shù)字式智能化電量參數(shù)測(cè)量?jī)x表已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了在電力、工業(yè)控制等行業(yè)的大規(guī)模的商業(yè)化應(yīng)用，具有測(cè)量精度高、可靠性好、維修方便、功耗低等特點(diǎn)，結(jié)合目前的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、云計(jì)算技術(shù)，成為未來(lái)智能電網(wǎng)電量參數(shù)測(cè)量技術(shù)必然的技術(shù)路線選擇。[2]

數(shù)字式交流電源參數(shù)測(cè)量技術(shù)路線包含兩種：一種為采用霍爾元件、隔離運(yùn)放元件，將電壓、電流信號(hào)采樣進(jìn)入DSP處理器，利用DSP高速計(jì)算能力，采用快速傅里葉變換、小波算法、模糊算法、移相和牛頓算法，準(zhǔn)確測(cè)量出交流電源的電壓和電流參數(shù)的有效值和相位，進(jìn)而計(jì)算有功、無(wú)功、視在功率及功率因數(shù)等，該技術(shù)方案電路復(fù)雜，軟件算法代碼多，測(cè)量精度難以保證。另一種技術(shù)路線采用片上系統(tǒng)(SoC)設(shè)計(jì)平臺(tái)，將DSP內(nèi)核、高精度快速A/D轉(zhuǎn)換器、可編程增益控制電路、電壓基準(zhǔn)電路以及其他相關(guān)外設(shè)集成到一片芯片上，形成電量計(jì)量專(zhuān)用芯片，其中，比較有代表性的是美國(guó)模擬器件公司(ADI公司)開(kāi)發(fā)出體積小巧、動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)1000：1的新型電能測(cè)量集成電路ADE7XXX系列芯片，該芯片內(nèi)嵌高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換器和固定模式的數(shù)字處理信號(hào)處理器(DSP)，具有數(shù)字積分、數(shù)字濾波和具有眾多實(shí)用電能監(jiān)測(cè)、計(jì)量功能，單片機(jī)通過(guò)串口總線，即可獲得電能參數(shù)，具有硬件簡(jiǎn)單、軟件代碼少、采樣參數(shù)多、精度高等特點(diǎn)，正成為新一代高性能全數(shù)字電能表的理想芯片。

ADE7858是美國(guó)ADI公司針對(duì)智能電表、工業(yè)電源監(jiān)控開(kāi)發(fā)的高精度三相電源測(cè)量集成芯片，該芯片通過(guò)SPI串口與單片機(jī)進(jìn)行通信，通過(guò)將三相交流電源的電壓、電流信號(hào)經(jīng)采樣處理計(jì)算，可以得到有功功率、無(wú)功功率、視在功率、電壓、電流、頻率、功率因數(shù)、相序等參數(shù)，具有精度高、動(dòng)態(tài)范圍寬的特點(diǎn)，ADE7858的功能結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3 交流電源監(jiān)測(cè)模塊

交流電源監(jiān)測(cè)模塊以Freescale公司生產(chǎn)的MK64系列高速處理器為核心，以ADI公司的三相高精度專(zhuān)用計(jì)量芯片ADE7858為計(jì)量單元，搭配顯示電路、存儲(chǔ)電路、通信電路、時(shí)鐘電路等設(shè)計(jì)而成，總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。目前該模塊作為核心部件，應(yīng)用于某型號(hào)工程供電系統(tǒng)發(fā)電管理組合上，該產(chǎn)品采用8寸真彩顯示屏及輕觸開(kāi)關(guān)及PE防水面板設(shè)計(jì)，具有人機(jī)界面友好、操作簡(jiǎn)便、耐惡劣環(huán)境、測(cè)量參數(shù)準(zhǔn)確的特點(diǎn)。

交流電源監(jiān)控模塊主要實(shí)現(xiàn)以下功能：

(1)實(shí)時(shí)顯示交流電源的電壓、電流、頻率、有功功率、功率因數(shù)、頻率、漏電流、相位角等參數(shù)，同時(shí)，還可以檢測(cè)交流電源的相序；

(2)具備市電、機(jī)組電源選擇功能；

(3)具備交流電源絕緣狀態(tài)監(jiān)視功能；

(4)具備多路電源輸出控制功能；

(5)設(shè)有緊急斷電按鈕，用于在緊急狀況下切斷負(fù)載供電；

(6)具有過(guò)壓、欠壓、過(guò)頻、欠頻、過(guò)流等保護(hù)功能，設(shè)有手動(dòng)保護(hù)和自動(dòng)保護(hù)兩種保護(hù)模式，用于在不同狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)不同的保護(hù)模式。

交流電源監(jiān)測(cè)模塊主要性能如下：

圖1 ADE7858芯片功能結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Functional structure diagram of ADE7858 chip

圖2 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)框圖Fig.2 Block diagram of overall structure design

(1)供電電源電壓：額定電壓(直流)24V，電壓范圍(18～36)V；

(2)交流電壓采樣：(0～500)V，測(cè)量精度：±0.5%；

(3)交流電流采樣：(0～300)A，測(cè)量精度：±0.5%；

(4)頻率采樣：(0～60Hz)，測(cè)量精度：±0.5%；

(5)供電指示：2路，交流電壓范圍(220±22)V；

(6)控制接口：3路，直流電壓范圍(24±1)V，驅(qū)動(dòng)電流小于5A。

4 ADE7858硬件電路設(shè)計(jì)

4.1 電流采樣電路設(shè)計(jì)

電流采樣電路如圖3所示。外部采用電流互感器，再通過(guò)內(nèi)部5A:2.5mA互感器，將負(fù)載電流信號(hào)變成交流電源測(cè)量模塊可接受的不大于±500mV的差分電壓信號(hào)，輸入到計(jì)量芯片的電流采樣端。

圖3 電流采樣電路Fig.3 Current sampling circuit

4.2 電壓采樣電路設(shè)計(jì)

電壓采樣電路如圖5所示。外部直接連接交流電源電壓采樣點(diǎn)，內(nèi)部采用電壓互感器，將負(fù)載電壓信號(hào)變成交流電源測(cè)量模塊可接受的不大于±500mV的差分電壓信號(hào)，輸入到計(jì)量芯片的電壓采樣端。

圖4 電壓采樣電路Fig.4 Voltage sampling circuit

4.3 ADE7858計(jì)量芯片外圍電路設(shè)計(jì)

ADE7858計(jì)量芯片外圍電路如圖5所示。ADE7858芯片將采樣來(lái)的電壓信號(hào)和電流信號(hào)經(jīng)過(guò)處理計(jì)算，得到對(duì)應(yīng)的有功、無(wú)功和視在功率、電能、電壓、電流、頻率、功率因數(shù)、相位角等參數(shù)，并將相應(yīng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與自身的寄存器內(nèi)，MCU可通過(guò)SPI串行接口對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取和處理。

圖5 ADE7858計(jì)量芯片外圍電路Fig.5 Peripheral circuit of ADE7858 measurement chip

5 ADE7858軟件設(shè)計(jì)

5.1 交流電源測(cè)量模塊程序設(shè)計(jì)

交流電源測(cè)量模塊主要是對(duì)ADE7858芯片進(jìn)行SPI設(shè)置、模塊初始化、模塊啟動(dòng)、寄存器參數(shù)讀取及數(shù)據(jù)處理等。MCU從ADE7858芯片讀取參數(shù)前，首先需要進(jìn)行SPI通信匹配設(shè)置，在本模塊中，采用SPI_mode3模式，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與ADE7858間的通信，SPI配置完成后，MCU要讀取ADE7858寄存器的數(shù)據(jù)，需要向ADE7858發(fā)送一個(gè)空字節(jié)，來(lái)引發(fā)ADE7858的數(shù)據(jù)上傳。上電初始化時(shí)，需要對(duì)ADE7858進(jìn)行配置，配置過(guò)程：(1)將PM1引腳設(shè)置為低電平，PM0引腳設(shè)置為高電平，使ADE7858工作在正常功耗模式；(2)ADE7858復(fù)位，復(fù)位時(shí)間大于100ms；(3)SS引腳由低電平切換至高電平三次，將當(dāng)前串行口由I2C模式轉(zhuǎn)換為SPI串口模式；(4)初始化電壓、電流等參數(shù)增益寄存器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)RAM寄存器及其他寄存器(CFMODE除外)；(5)啟用寫(xiě)保護(hù)；(6)回讀所有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)RAM寄存器，確認(rèn)其初始化為所需值。

配置完成后，重新啟動(dòng)芯片，對(duì)芯片進(jìn)行SPI讀取，交流電源測(cè)量模塊的軟件流程圖如圖6所示。

圖6 交流電源測(cè)量模塊軟件流程圖Fig.6 Software flow diagram of AC power monitoring module

5.2 ADE7858校準(zhǔn)程序設(shè)計(jì)

完成交流電源測(cè)量模塊的硬件設(shè)計(jì)后，為保證測(cè)量誤差在要求的范圍內(nèi)，需要對(duì)模塊進(jìn)行校準(zhǔn)，根據(jù)ADE7858數(shù)據(jù)手冊(cè)，用軟件調(diào)整IDE7858芯片的校準(zhǔn)寄存器參數(shù)，實(shí)現(xiàn)測(cè)量參數(shù)的校準(zhǔn)。校準(zhǔn)項(xiàng)目包括電壓、電流、功率、相位角等增益、失調(diào)校準(zhǔn)。校準(zhǔn)方法采用精準(zhǔn)源法，將被校準(zhǔn)的模塊與精準(zhǔn)源設(shè)定值進(jìn)行比較，調(diào)整校準(zhǔn)量，校準(zhǔn)流程如圖7所示。

圖7 ADE7858校準(zhǔn)程序流程圖Fig.7 Flow diagram of ADE7858 calibration program

6 試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

交流電源測(cè)量模塊設(shè)計(jì)完成后，為了檢驗(yàn)?zāi)K滿(mǎn)足性能指標(biāo)要求和相關(guān)功能情況，對(duì)性能進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試，測(cè)試使用了標(biāo)準(zhǔn)三相電壓、電流源，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。從表1可知，各項(xiàng)參數(shù)的誤差滿(mǎn)足發(fā)電管理組合產(chǎn)品規(guī)定的±0.5%的誤差范圍要求。

表1 電源參數(shù)誤差表

Tab.1 Error table of power parameter

7 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，基于ADE7858電量計(jì)量芯片的交流電源模塊，實(shí)現(xiàn)了交流電源參數(shù)數(shù)字化測(cè)量，硬件電路簡(jiǎn)單，軟件代碼少，采樣參數(shù)多并且測(cè)量誤差小，可靠性高，性能穩(wěn)定，可以滿(mǎn)足航天產(chǎn)品的應(yīng)用需求。

[1] 李靜,楊以涵,于文斌.電能計(jì)量系統(tǒng)發(fā)展綜述[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2009,37(11)：130～134.

[2] 陳霞君,劉少凡,張濟(jì)韜.現(xiàn)代電能計(jì)量系統(tǒng)綜述[J].電工電氣,2015(2):1～4.