专用芯片ATT7022C的电参数测量模块设计

给出一种基于电能计量芯片ATT7022C和LPC2138的电参数测量模块的设计方案。详细描述了硬件电路接口和电能计量芯片与ARM通信接口的实现过程。通过实验对芯片进行软件校表，实现了电参数的精确测量。设计的电参数测量模块具有实时显示和与上位机通信的功能。

引言
随着国家经济的快速发展，各行业对能源的需求量越来越大。煤炭、石油等不可再生资源的大量消耗使得存储量越来越少，能源短缺必将会影响国家经济的发展。而煤炭、石油的开采又会耗掉大量的电能，特别是石油的开采，抽油机经常会出现"空抽"的现象，大量的电能被耗费。因此，提高用电的效率和质量是缓解能源危机的一种方式，这就需要对电网运行状况进行实时监测。为了获得电网的电参数信息，本文采用电能计量芯片ATT7022C结合ARM微控制器设计电参数测量模块。该模块可以使用液晶实时显示数据，也可以把采集的电参数传输到上位机来对电网的状况进行实时监测。

1 ATT7022C芯片介绍
ATT7022C芯片是钜泉光电科技(上海)有限公司推出的一款高精度三相电能专用计量芯片。它适用于三相三线和三相四线的接线方式，其内部结构框图如图1所示。该芯片集成了7路二阶sigma-delta ADC，参考电压电路以及包括功率、有效值、功率因数、能量等的数字信号处理电路。芯片内置温度测量传感器，提供基波有功、基波无功校表脉冲输出；还具有ADC采样数据缓存功能，缓存长度为240，可以实时保存原始采样数据。同时芯片还支持单通道、双通道和三通道的同步采样功能，供用户进行采样数据的分析。芯片提供一个SPI接口与外部MCU进行数据传递，外部控制器只需要通过SPI总线对各寄存器进行读写操作，就可以得到三相电参数的值。为了得到精确的电参数数值，必须进行校表操作。芯片支持纯软件校表，经过校正的仪表，有功精度可高达0．5级，无功精度可达2级。

2 电参数测量模块设计方案
电参数测量模块的总体结构框图如图2所示。模块主要由电参数实时测量、LCD显示、存储、与上位机通信等部分组成。LCD液晶主要用来显示电压、电流、耗能、功率因数、时间、温度等参数。模块采用RS485总线或无线组网传输的方式把测量的各种电参数传输到上位机，对电网的运行状况进行实时的监测。

模块设计的目标是以较低能耗实时测量、显示电参数，并能够与上位机进行通信。这就要求处理器的运行速度要快、功耗要低。LPC2138芯片可以满足这个要求。它有2个SPI、I2C接口、多达47个可承受5 V电压的通用I／O口，以及带有独立电源与时钟源的实时时钟模块。
电能计量芯片复位时内部的能量寄存器将复位为0。如果发生意外断电，芯片中能量寄存器中的值将会丢失，设计时选用AT24C02芯片保存能量寄存器的值。在软件程序设计中，当负载消耗1度电或其他数据量的时候刷新一次存储器。
实时时钟采用ARM系统与外接电池共同供电的方式，当系统意外断电时，时钟模块可由外部电池供电，保证时钟的正常运行。值得注意的是，实时时钟初始化时，第一次把准确的时间写到时钟芯片后，时钟就开始正确地运行，然后应当把程序中的时钟初始化函数去掉，把整个程序再加载一遍。否则，模块每次复位都会对时钟初始化一次，这样时钟就不能正确地运行了。

3 硬件设计
3．1 模块外围电路设计
ATT7022C外围电路如图3所示。在设计时，为使电源的纹波和噪声减小到最低，要在芯片的各个电源引脚使用10μF和0．1μF电容进行去耦。在图3中，V1P／V1N、V3P／V3N、V5P／V5N分别是A、B、C三相的电流采集通道；V2P／V2N、V4P／V4N、V6P／V6N分别是A、B、C三相的电压采集通道。电路连接时，把ATT7022C的SP1口、SIG、CS、RESET分别与LPC2138的SPI口、P0．28、P0．29、P0．30相连进行通信。SIG为握手信号，控制器通过该引脚监测芯片的运行状况。SEL为三相电接线方式选择引脚。电能芯片内部有300 kΩ上拉电阻，当该引脚悬空时为三相四线接线方式，当该引脚接地时为三相三线的接线方式。在硬件电路连接时必须要注意的是，电能计量芯片与LPC2138的电源要共地，否则控制器读写芯片将会出错。

3．2 信号采集模块
电压、电流采集采用双端差分信号输入的方式采集数据。正常工作时最大输入电压为±1．5 V．2个引脚内部都有ESD保护电路，最大承受电压为±6V。
电压信号的采集可选择分压方式或互感器方式。本系统为了能得到较稳定的信号，决定采用互感器来采集信号。这样不仅起到了电气隔离的作用。还可防止电流过大烧毁芯片。由于电能计量芯片的电压通道在互感器的次级电压为0．5 V时有较好的精确度和线性度，所以在设计时，选择LCTV3JCF-220V／0．5V规格的电压互感器作为电压信号的采集端。电压采集电路如图4(a)所示。电路中的1．2 kΩ电阻和0．01μF电容构成了抗混叠滤波器。REFO信号连接电能计量芯片输出的2．4 V参考电压，这个电压起到直流偏置的作用。