??? 摘? 要： 介紹了多功能電能計(jì)量芯片ADE7753的基本功能和特點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上，講述了利用ADE7753設(shè)計(jì)的多功能電能表的實(shí)現(xiàn)過(guò)程，然后介紹了基于RS485接口的電能計(jì)量系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計(jì)。?

??? 關(guān)鍵詞： 電能表； ADE7753； RS485

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??? 為了解決傳統(tǒng)的機(jī)電式電能計(jì)量?jī)x表體積大、精度差，且管理人員必須上門抄表的問(wèn)題，以及為了滿足配網(wǎng)自動(dòng)化的需要，筆者研制了一款基于ADE7753的多功能電能計(jì)量系統(tǒng)。該計(jì)量系統(tǒng)是在目前迅速推廣的微處理技術(shù)基礎(chǔ)上，以SEP3203微處理器為核心的數(shù)字式智能型數(shù)據(jù)采集模塊，使電度計(jì)量的準(zhǔn)確度和自動(dòng)化程度都有了很大的提高，所研制的多相多功能電度表，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)用戶的電壓、電流有效值，以及準(zhǔn)確的電度值，并且可以通過(guò)串口讀取數(shù)據(jù)和設(shè)置參數(shù)完成遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表。?

1 電度計(jì)量部分及其實(shí)現(xiàn)過(guò)程?

??? 所研制的多相多功能電度表, 最大限度地利用電能計(jì)量芯片ADE7753 所能提供的功能，其電度計(jì)量精度已達(dá)到3%以下，并很好地完成了通信功能，可測(cè)量3路0～1 000 V交流電壓信號(hào)和12路0～5A交流電流信號(hào)，并輸出3路電壓和12路電流值及6組電度值。?

??? ADE7753是美國(guó)ADI 公司生產(chǎn)的系列帶SPI口的單相多功能電能計(jì)量芯片之一, 它通過(guò)串行接口與微處理器通信，接受微處理器的控制，實(shí)現(xiàn)電度計(jì)量，并且具有測(cè)量精度高、功能多樣、接口簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，為電能表生產(chǎn)廠家設(shè)計(jì)低成本高精度電能表提供了可能。?

1.1 ADE7753內(nèi)部結(jié)構(gòu)?

??? ADE7753是一款功能先進(jìn)的數(shù)字電能表芯片，集成了二階、一個(gè)數(shù)字積分器∑―△ADC、一個(gè)參考電壓源和一個(gè)溫度傳感器，可以分別計(jì)算電壓、電流有效值（RMS），測(cè)量有功、無(wú)功和視在電能。同時(shí)可以對(duì)電壓、電流、功率進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣，以便于對(duì)電壓、電流、功率的波形分析。ADE7753是一種帶串行接口和脈沖輸出的高精度有功與視在電能計(jì)量集成電路， 實(shí)際上它是一個(gè)電能計(jì)量的片上系統(tǒng)(SoC)芯片。?

??? 其內(nèi)部結(jié)構(gòu)與基本工作原理框圖如圖1所示，共有20個(gè)管腳。?

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??? ADE7753 內(nèi)部共有42 個(gè)用于與外部進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的寄存器, 有的只能讀, 有的既能讀又能寫; 有的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度只有6 位, 有的長(zhǎng)度為24 位; 用于存儲(chǔ)測(cè)量數(shù)據(jù), 或用于完成芯片的設(shè)定, 以及用于指示芯片的工作狀態(tài)。?

1.2 電度計(jì)量實(shí)現(xiàn)過(guò)程?

??? 在本文所設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程電度表中，輸入的3路待測(cè)電壓信號(hào)采用電阻分壓的形式，與12路經(jīng)過(guò)高精度微型電流互感器CT后的電流信號(hào)，經(jīng)由兩個(gè)8選1的模擬開關(guān)組成的16選1的模擬開關(guān)選擇后，以電流的形式輸入到ADE7753的V1P腳。在ADE7753內(nèi)部信號(hào)經(jīng)信號(hào)放大PGA1和數(shù)模變換ADC轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào), 然后經(jīng)數(shù)字高通濾波器HPF濾除DC分量,得到電流和電壓有效值。ADE7753具有一個(gè)內(nèi)置的SPI接口，它與SEP3203的串行接口由SCLK、DIN、DOUT和CS 4個(gè)信號(hào)來(lái)完成,可用于電能計(jì)算的電流和電壓有效值的傳輸；通過(guò)微處理器SEP3203對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；把SEP3203處理后的數(shù)據(jù)由串口經(jīng)光耦組完成與RS485接口芯片75LBC184之間的傳輸；然后由RS485接口完成與計(jì)算機(jī)的通信，以支持現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和監(jiān)控功能。?

??? 電能表工作原理框圖如圖2所示。?

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2 基于RS485接口的電能計(jì)量數(shù)據(jù)采集?

??? 本電能表的電壓有效值、電流有效值和有功功率值，均需通過(guò)上位計(jì)算機(jī)從被測(cè)電能表的RS485口讀出，以便達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)控的目的。SEP3203微處理器集成了串行通信接口，通過(guò)RS485接口驅(qū)動(dòng)芯片就可以構(gòu)成總線型通信網(wǎng)絡(luò)，把多臺(tái)單片機(jī)系統(tǒng)連接成一個(gè)分布式數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)。其通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。?

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??? 采集終端通過(guò)每塊表與采集終端之間的專用導(dǎo)線接收電能表電能數(shù)據(jù)，按一定規(guī)約打包后，再將數(shù)據(jù)經(jīng)專線傳給集中器加工儲(chǔ)存，然后由集中器傳輸給主機(jī)。?

2.1 RS485接口芯片75LBC184?

??? 在該設(shè)計(jì)中，使用ＴＩ公司的RS485接口芯片75LBC184, 它使用單一電源，電壓在3～5.5 V范圍內(nèi)都能正常工作，能完成TTL 與RS485之間的轉(zhuǎn)換。該芯片與普通的RS485收發(fā)器相比，有一個(gè)顯著的特點(diǎn)，那就是片內(nèi)有高能量瞬變干擾保護(hù)裝置，可以承受峰值為400 W(典型值)的過(guò)壓瞬變，故它能顯著提高防止雷電損壞器件的可靠性,并且能承受高達(dá)8 kV的靜電放電沖擊，對(duì)一些環(huán)境比較惡劣的現(xiàn)場(chǎng)，可直接與傳輸線相接而不需要任何外加保護(hù)元件。?

??? 該芯片還有一個(gè)獨(dú)特的設(shè)計(jì)，當(dāng)輸入端開路時(shí)，其輸出為高電平，這樣可保證接收器輸入端電纜有開路故障時(shí)，不影響系統(tǒng)的正常工作。另外，它的輸入阻抗為RS485 標(biāo)準(zhǔn)輸入阻抗的2倍(≥24 kΩ)，故可以在總線上連接64個(gè)收發(fā)器。?

??? 在該設(shè)計(jì)中， 經(jīng)SEP3203處理的信號(hào)經(jīng)過(guò)75LBC184 與外圍電路形成的RS232/RS485電平轉(zhuǎn)換器電路，然后傳到遠(yuǎn)方的PC 機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。在該電路中，使用了1片光電耦合器TLP521和2片光電耦合器4N25進(jìn)行隔離，使得微處理器與SN75LBC184之間完全沒有了電的聯(lián)系，提高了工作的可靠性。?

??? 在輸出電路設(shè)計(jì)上，除了考慮到75LBC184的驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)為限斜率方式輸出，且能抗雷電及靜電放電的沖擊，具有較強(qiáng)的抗干擾和抗過(guò)壓能力外，還設(shè)置了信號(hào)限幅二極管VD， 其穩(wěn)壓值取7 V，進(jìn)一步提高抗過(guò)壓的能力。此外，為防止系統(tǒng)中某一節(jié)點(diǎn)的RS－485芯片被擊穿短路時(shí)影響其他節(jié)點(diǎn)的通信，在75LBC184的信號(hào)輸出端串聯(lián)了2 個(gè)20 Ω的電阻R1和R2；考慮到雙絞線的特性阻抗為120 Ω左右，在RS485 網(wǎng)絡(luò)傳輸線的始端和終端各接1個(gè)120 Ω的匹配電阻，以減少線路上傳輸信號(hào)的反射；在RS485 電路的A、B 兩輸出端加接上拉電阻R4和下拉電阻R5，使A端電位始終高于B端電位，RXD 的電平在總線不發(fā)送期間始終呈現(xiàn)高電平，保證SEP3203微處理器不會(huì)被誤中斷。?

??? 75LBC184輸出電路設(shè)計(jì)如圖4所示。?

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2.2? 光電隔離 ?

??? 在某些工業(yè)控制領(lǐng)域，由于現(xiàn)場(chǎng)情況十分復(fù)雜，各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間存在很高的共模電壓。雖然RS485接口采用的是差分傳輸方式，具有一定的抗共模干擾的能力，但當(dāng)共模電壓超過(guò)RS485接收器的極限接收電壓，即大于+12 V或小于－7 V時(shí)，接收器就再也無(wú)法正常工作了，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)龤酒蛢x器設(shè)備。 ?

??? 解決此類問(wèn)題的方法是通過(guò)DC-DC電源模塊將系統(tǒng)電源與RS485收發(fā)器的電源隔離；通過(guò)光耦將信號(hào)隔離，徹底消除共模電壓的影響。?

??? 本文介紹的多功能電能計(jì)量系統(tǒng)成本低、精度高、功能強(qiáng)、可靠性好, 適用于各企事業(yè)單位的用電計(jì)量與監(jiān)控。本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了電能計(jì)量的遠(yuǎn)程傳輸，速度快，大大提高了工作效率，并且維護(hù)簡(jiǎn)單、成本低，具有良好的市場(chǎng)前景。?

參考文獻(xiàn)?

[1] ADE7753 DataSheet[Z]. http://www.analog.com.2004.?

[2] AN559.PDF[Z].http://www.analog.com.1996.?

[3] 潘長(zhǎng)東,陶永法,張迎春.IC 卡式多用戶電能表的現(xiàn)狀分析與改進(jìn)[J].電測(cè)與儀表, 2006(1):22-24.?

[4] 韓麗紅. 多功能電能表RS485通信接口常見問(wèn)題分析[J].西北電力技術(shù)， 2005(5):41-43.