基于AS8228的單相電子式電能表設(shè)計(jì)
| 1 概述 電子式電能表在未來(lái)幾年內(nèi)將成為電能表市場(chǎng)的主流產(chǎn)品，而電能表內(nèi)部的計(jì)量IC是體現(xiàn)整表性能、功能和價(jià)格的核心。美國(guó)和歐洲電子式電能表器件的主要供應(yīng)商奧地利微電子公司（Austria Microsystems）推出了功率計(jì)量集成電路AS8228。該器件內(nèi)部集成有精確的單/雙路電流輸入能量測(cè)量前端、8位8051兼容微控制單元MCU、96段液晶顯示驅(qū)動(dòng)（LCDD）、12個(gè)可編程多功能輸入/輸出腳（I/Os）、4線串行外設(shè)接口（SPI）、系統(tǒng)控制模塊（SCT）以及由外部備用電池供電的實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）,基于AS8228的單相電子式電能表完全滿(mǎn)足國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)TEC62052和ANSI中的指標(biāo)。不僅提高了能量計(jì)量可靠性，保證了計(jì)量產(chǎn)品在功能設(shè)計(jì)上的靈活性,而且極大簡(jiǎn)化了計(jì)量系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。 2 主要特點(diǎn)和引腳功能[1] AS8228的主要特點(diǎn)如下： 精確的能量測(cè)量前端為單相，單/雙路電流輸入，包括∑-△A/D轉(zhuǎn)換器和數(shù)字信號(hào)處理器，測(cè)量誤差小于±0.1%。動(dòng)態(tài)范圍達(dá)到1000：1[2]; 兩電流通道可進(jìn)行數(shù)字相位校準(zhǔn)和增益放大倍數(shù)選擇： 內(nèi)置的電源監(jiān)視器用于上電復(fù)位和掉電監(jiān)測(cè)： 可編程的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)8位8051兼容微控制器,配置了24 KB的程序RAM和1KB的數(shù)據(jù)RAM： 兩個(gè)專(zhuān)為訪問(wèn)和調(diào)試目的配置的通用異步收發(fā)器（UART）： 可編程看門(mén)狗定時(shí)器： 可進(jìn)行片上數(shù)字校準(zhǔn),外部備用電池供電的實(shí)時(shí)時(shí)鐘/日歷，能直接向微控制器提供日期、時(shí)間及警報(bào)數(shù)據(jù)，數(shù)字刻度優(yōu)于6×10-6; 外部單獨(dú)的電池電源引腳和系統(tǒng)復(fù)位引腳; 小溫度系數(shù)的參考電壓，典型值為30x10-6/k; 低功率3.0 MHz～4.0 MHz的晶體振蕩器; 96段標(biāo)準(zhǔn)的片上LCDD接口： 12個(gè)可編程多功能輸入/輸出引腳。用于數(shù)據(jù)傳輸方向、上拉/下拉電阻器和驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度選擇; 功率測(cè)量時(shí)可進(jìn)行主電流超前或滯后主電壓狀態(tài)指示; 標(biāo)準(zhǔn)的SPI接口能從外部非易失存儲(chǔ)器（E2PROM ）中讀/寫(xiě)數(shù)據(jù); 存儲(chǔ)溫度范圍：-55℃～+125℃，正常工作溫度范圍：-40℃～+85℃。 AS8228采用64引腳LQFP封裝，各引腳功能如下： VP，VN（1,2）：電壓通道的差模模擬輸入，范圍是±100 mV; 11P，11N（3，4）：電流通道1的差模模擬輸入，范圍是+150 mV（PGA設(shè)置為4時(shí)）; 12P,12N（5，6）：電流通道2的差模模擬輸入，范圍是±150 mV（PGA設(shè)置為4時(shí)）; VDDA（7）：模擬電源，3.3 V±10%供電; VSSA（8）：模擬地，OV供電; IO0～I(xiàn)O11（9～12，15～19，26～28）：可編程多功能輸入/輸出口; VDDD（13，22）：數(shù)字電源，3.3 V±10%供電; VSSD（14，21）：數(shù)字地，O V供電; SI（20）：外部存儲(chǔ)器接口（串行數(shù)據(jù)輸入腳）; S N（23）：外部存儲(chǔ)器接口（片選信號(hào)，低有效）; SO（24）：外部存儲(chǔ)器接口（串行數(shù)據(jù)輸出腳）; SO（25）：外部存儲(chǔ)器接口（串行時(shí)鐘輸出腳）; TXD,RXD（29，30）：通用異步收發(fā)器UART1發(fā)送、接收端; VDD_BAT（31）：后備電池電壓輸入端，2.0 V～3.6 V供電; XIN,XOUT（32，33）：時(shí)鐘輸入，外接3.0 MHz～4.0 MHz晶體振蕩器，典型值為3.579 545 MHz; RES_N（34）：系統(tǒng)復(fù)位端，低有效; LBP0～LBP3（37，38，39，40）：LCD塊驅(qū)動(dòng)輸出公共端; LSDO～LSD23（41～64）：LCD段驅(qū)動(dòng)輸出端。 3 AS8228的內(nèi)部結(jié)構(gòu) AS8228片內(nèi)提供了單相計(jì)量所要求的全部功能模塊，包括能量測(cè)量前端、工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的8位8051兼容微控制器MCU、系統(tǒng)計(jì)時(shí)與實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊、系統(tǒng)控制模塊、96段LCDD以及12個(gè)可編程多功能輸入/輸出引腳和標(biāo)準(zhǔn)的SPI接口。 3.1 能量測(cè)量前端 精確的能量測(cè)量前端是由模擬前端（AFE）和可編程DSP組成。 模擬前端有3路差模模擬輸人，專(zhuān)門(mén)用于主電壓、單路電流（相電流）或兩路電流（相電流和中性點(diǎn)電流）的測(cè)量。兩路輸入電流先經(jīng)可編程增益放大器（PGA）進(jìn)行增益放大，然后經(jīng)∑-△A/D轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)字信號(hào)。輸出結(jié)果和經(jīng)∑-△調(diào)制器采樣的輸入電壓分別經(jīng)過(guò)三個(gè)可選的補(bǔ)償濾波器，該濾波器補(bǔ)償通過(guò)前面濾波器所產(chǎn)生的幅值損耗，再通過(guò)三個(gè)可選的高通濾波器除去在有效值和電能計(jì)算之前電流和電壓中的直流成分，高通濾波器的轉(zhuǎn)折頻率小于10 Hz。濾波后的電壓、電流值先用于功率計(jì)算。然后再校準(zhǔn)計(jì)算有效值。 兩路電流可通過(guò)兩電流傳感器或一只分流電阻和一個(gè)電流傳感器獲取，這樣可確保在任何一個(gè)竊電連接裝置有所改變時(shí)，即包括接人和接出的相互轉(zhuǎn)換、相和中性點(diǎn)的相互轉(zhuǎn)換、中性點(diǎn)撤消或同時(shí)出現(xiàn)這幾種情況時(shí)，電表依然可以測(cè)量和記錄電能[3]。內(nèi)部增益放大器的增益可編程選擇4、16或20。當(dāng)選擇不同的PGA時(shí)，輸入差模電壓的范圍不同，獲取電流的途徑也不相同。 電壓的獲取可通過(guò)低成本的電壓分阻網(wǎng)絡(luò)，使差模輸入在額定條件下為100 mV。 計(jì)算功率時(shí)，電流取任意一路或兩路中較大的一路電路，電壓取線路電壓或內(nèi)部設(shè)定的一常數(shù)電壓值（默認(rèn)為083Dh，等效主電壓311 V）。有功功率由瞬時(shí)功率通過(guò)低通濾波器獲得，低通濾波器的截止頻率為18.6 Hz。 如果設(shè)計(jì)成傳統(tǒng)的單相電流計(jì)算，則只接電流通道1取相電流，通道2不連接。 片上DSP對(duì)ADC輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理,為MCU提供適合的數(shù)據(jù)和協(xié)議。再由電表生產(chǎn)廠商對(duì)MCU自由編程實(shí)現(xiàn)電表要求的所有功能，包括有功功率、無(wú)功功率、視在功率、主電壓有效值、主電流有效值和功率因數(shù)等。計(jì)量廠商可根據(jù)要求設(shè)計(jì)產(chǎn)品，保證了靈活性。 DSP內(nèi)部有儀表數(shù)據(jù)寄存器（MDR）和設(shè)置寄存器（SREG）。MDR中存儲(chǔ)最新的數(shù)據(jù)供MCU處理，共有5個(gè)。SREG對(duì)電表的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置和指示，共13個(gè)。 內(nèi)部參考電壓為整個(gè)電路提供溫度穩(wěn)定性,確保AS8228的測(cè)量精度。 內(nèi)置的電源監(jiān)視器（PSM）確保當(dāng)電源電壓上升和下降時(shí)，系統(tǒng)能獨(dú)立產(chǎn)生復(fù)位。 3.2 微控制單元MCU 微控制單元MCU與標(biāo)準(zhǔn)的8051微控制器兼容，內(nèi)含一個(gè)微處理器核、程序存儲(chǔ)器（P_RAM）、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（X_RAM）、內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（I_RAM）、方根計(jì)算單元、計(jì)數(shù)器Timer0和通用異步收發(fā)器UART2。 微控制單元MCU有如下特點(diǎn)： 采用了Von Neumann結(jié)構(gòu)。程序和數(shù)據(jù)單元地址部分共享： 比標(biāo)準(zhǔn)的8051更優(yōu)化的時(shí)鐘周期。部分指令可以在單個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成： 8051標(biāo)準(zhǔn)的16位計(jì)數(shù)器Timer0和RS232串口UART1： 特殊功能寄存器：通用異步收發(fā)器UART2，方根模塊SQRT： 完全兼容8051指令系統(tǒng)： 7個(gè)內(nèi)部中斷源： 每條指令占用6個(gè)時(shí)鐘周期（標(biāo)準(zhǔn)的8051則為12個(gè)時(shí)鐘周期）。 3.3 液晶顯示驅(qū)動(dòng)（LCDD） LCDD幾乎可以直接驅(qū)動(dòng)24×4段任何類(lèi)型的液晶（LCD）。LCD的數(shù)據(jù)寄存器有兩組，用于輪流接收和存儲(chǔ)將要送去顯示的信息。LCDD的控制模塊選擇某一組寄存器，將信息譯碼，并適時(shí)地送到相應(yīng)的段顯示，使編程簡(jiǎn)單化。調(diào)節(jié)LCD對(duì)比度的電壓值為均分在2.5 V～3.0 V的8個(gè)值中的一個(gè),通過(guò)寄存器selvlcd[2：0]選取。LCD的段和公共端的驅(qū) 動(dòng)電壓有4個(gè)，分別選定電壓值的0、1/3、2/3和l。 3.4 串行外設(shè)接口（SPI） 串行外設(shè)接口是一個(gè)同步、位串聯(lián)的4線接口，全雙工傳輸數(shù)據(jù)，用于直接與外部E2PROM通信。通信時(shí)，SPI與E2PROM有嚴(yán)格的主從關(guān)系，系統(tǒng)啟動(dòng)后，引導(dǎo)裝入程序控制SPI自動(dòng)讀取E2PROM中的內(nèi)容,然后才可 |
