基于ADE7755的帶CAN總線的工業用電度表設計方案

引言

隨著計算機網絡技術、專用集成芯片技術和現場總線技術的不斷發展，對工業用電度表的計量精度和電量數據傳輸實時性的要求在不斷提高。我國目前電力機車上裝備的電度表基本上都是傳統的機械式電度表，雖然機械式電度表存在抗干擾和抗震動性好的優點，但是其精度差，電量數據需要人為讀數不能實時傳輸等弊端。為了改進現有機車上使用的電度表，根據美國AD公司推出的電量計量專用芯片ADE7755，提出了一種新型的電量計量方案。根據本方案設計的電度表除具有精度高、抗干擾和電量數據能夠實時傳輸的功能外，還具有可以修改電度表初值的優點。

硬件電路設計

目前廣泛使用機械式、電磁型和機電型等電度表普遍存在一個不能實時傳輸電量數據的缺陷，且各自又有或精度差或抗干擾能力差等弱點。作者結合當前普遍流行的現場總線技術和AD公司的ADE7755電量計量專用芯片以及飛利普公司的P87C591單片機，提出了一種能實現數據實時傳輸且具有抗干擾能力的電量計量方案。總體電路框圖如圖1所示：

圖1 總體電路框圖
　　
圖1中，由PT和CT在電網中測得相應的電壓和電流信號，送到ADE7755中進行電量計算，算出來的功率值分兩種，一種是低頻的平均功率值，送往機電式電度表用于顯示；另一種是高頻瞬時功率值，送入帶CAN總線控制器的P87C591單片機，根據上位機的要求算出目前使用的電量值，并通過CAN總線，與上位機之間實現通信。

其中電壓輸入通道(V2N，V2P)輸入電壓信號是PT測得的電壓信號在經過預防電磁干擾作用的鐵氧體和衰減網絡后進入的。

在電流和電壓信號的輸入端，進行了相應的濾波處理，以增強抗干擾能力。

ADE7755工作原理
若電壓U(t)和電流I(t)均為正弦波，且：

則瞬時功率P(t)為

平均功率P為：

ADE7755是一種采用電壓和電流直接相乘的方法得到瞬時有功功率，再由瞬時有功功率求出平均有功功率。如圖2所示，由電壓傳感器和電流傳感器得到電壓和電流信號分別經兩路A/D轉換器轉換成數字信號送入電壓通道V2N、V2P和電流通道V1N、V1P。電流通道中的高通濾波器是用來濾除電流分量中的直流電流，以便減小電流直流分量對瞬時有功功率計算的影響。經濾波后的電壓和電流信號經乘法器相乘后，所得的信號經低通濾波器后濾掉交流分量后，得到的直流分量就是瞬時有功功率。此信號經過數頻轉換器轉換成與平均有功功率成正比的低頻信號經過F1、F2端口輸出，同時從高頻口CF輸出與瞬時有功功率成正比的脈沖信號。低頻端口F1和F2的輸出脈沖頻率f_req與高頻端口CF輸出脈沖頻率f_CF可由下式確定：

其中系數G_in為輸入增益，F _1-4為可由主時鐘CLKIN獲得的分頻，U_ref為基準電壓，K為比例系數。

ADE7755的外圍電路中，通過輸出頻率設置電路實現對CF口輸出頻率的設置，即電表常數的設置。本電表的電表常數設定為3200imp/kwh，即計錄一千瓦的功率，要求ADE7755在CF口輸出3200個脈沖。

圖2 ADE7755的內部框圖
　　
ADE7755是一種高精度的電量計量芯片，在工頻情況下，在500：1的動態范圍內，精度達到0.1%。技術指標超過了IEC1036標準的要求。

唯一的模擬電路是模數轉換電路，其他電路都是采用數字電路，這保證了該芯片具有足夠的抗干擾的能力。通過F1和F2實時輸出功率信息，能直接驅動電度表計數器或直接和單片機連接。

電源電路的設計
ADE7755所用的+2.5V基準電壓是用AD780實現的，其接口電路簡單。5V的基準電源電路如圖3所示：