基于ADE7758+MC9S08AW32方案的多回路监控单元的设计

引言
　　在配电系统领域，智能化和网络化是一个主流的发展方向，但是在实际使用中，若每一个配电回路都安装智能化的网络监测仪表，用户的硬件投资成本是非常大的，鉴于此，集成化又将是一个发展的方向，即将多个配电回路的电参量测量由一个智能仪表来实现。因此，一种设计先进、可靠性高、测量精度高的多回路智能监控单元的出现，能够在保证实现用户测量要求的同时，大大降低用户的硬件投资成本和使用成本。
　　本文介绍一种AMC系列多回路智能监控单元（见图1）的设计方法，最多实现3个三相回路（或9个单相回路）的电参量测量；结合RS485总线技术及上位机软件，可实现数据及状态信息远传，满足低压配电智能化、网络化及集成化的发展需求。

图1　装置简图

1　 AMC多回路监控单元技术特点

　　AMC多回路监控单元主要应用于多个配出回路的电参数的监测，它将回路中的母线电压、多个配出回路的电流、功率、电能和各个回路的开关状态集中测量、显示、并具有通讯输出，实现了对监控要求较简单的配电出线回路的集中测量和监视。一个AMC多回路监控单元就能完成实现上述多个回路的监测功能，大大方便了系统的接线、安装、调试；节约了用户的投资，降低了系统成本。具体型号及产品功能见表1。

                              表1　产品型号及功能                    　　

	型号	功能	应用
单相	AMC16-1I9	9路单相I、ULN、RS485/Modbus	9个单相回路的电参数监测、开关监测、并可实现通讯
	AMC16-1E9	9路单相I、ULN、kW、kWh 、RS485/Modbus
	AMC16-1E9/K	9路单相I、ULN、kW、kWh、RS485/Modbus、18路DI、1路DO
三相	AMC16-3I3	3路三相I、U、RS485/Modbus	3个三相回路的电参数监测、开关监测、并可实现通讯
	AMC16-3E3	3路三相I、U、kW、kWh、RS485/Modbus
	AMC16-3E3/K	3路三相I、U、kW、kWh、RS485/Modbus、18路DI、1路DO

2　 系统结构
　　整体系统由中央处理单元、电源、交流采样运算、人机界面、开关量控制、通讯接口模块等构成，装置硬件结构如图2所示。

图2　装置硬件结构图

2.1  中央处理单元专用电能芯片
　　中央处理器采用Freescale公司的高性能处理器MC9S08AW32。MC9S08AW32是Freescale公司一款基于S08内核的高度节能性处理器。是第一款认可用于汽车市场的微控制器。可应用在家电、汽车、工业控制等高度集成的高性能器件。具有业内最佳的EMC性能。
　　CPU总线频率最高可达20MHz，最高运行速率可达40MHz。丰富的片内资源： 32K Flash存储器，内部时钟发生器，带有8个可编程通道的定时器，10位、16通道ADC，双SCI口、丰富的I/O口、SPI、I2C等接口，极大地方便了硬件的扩展。并且支持BDM片上调试方式。
2.2  电源
　　采用的电源模块为通用+5V开关电源模块。电路原理见图3。该电源模块输入电压为AC85V～265V或DC100V～350V，输入频率45Hz～60Hz，输出电压稳定、故障率小，输出纹波 <1％，转换效率≥75％。具有过压、过流保护。该模块经实际现场使用，具有很高的稳定性、可靠性和抗干扰能力。

图3　电源电路原理

2.3  交流采样及运算
　　交流采样运算单元包括交流采样和专用电能芯片。
　　系统的母线电压经电压互感器、采样电路、滤波电路后，电压信号进入专用电能芯片的电压通道。
　　多路负载的各路电流经电流互感器、采样电路、滤波电路后，电流信号进入高速信号切换开关的输入通道。由高速信号切换开关的通断来控制各路负载的电流信号进入电能芯片的电流通道。
　　专用电能芯片采用美国ADI公司的高精确度三相电能测量芯片ADE7758。该芯片的测量精度高，功能强大。带有一个串行口，两路脉冲输出，集成了数字积分、参考基准电压源、温度敏感元件等，有可用于有功功率、复功率、视在功率、有效值的测量以及以数字方式校正系统误差(增益、相位和失调等)所必须的信号处理电路。该芯片适用于各种三相电路（不论三线制或者四线制）中测量有功功率、复功率、视在功率。
2.4  人机界面
　　人机界面采用LED数码显示。系统采用2排四位LED数码管加1排6位数码管显示各个回路的电参量，其显示的数据含义由红色LED发光二极管指示。其默认显示方式为循环显示各个回路的电参量，用户也可根据实际需要进行设置。电参量的显示范围0～9999，并在编程状态下显示菜单及参数，见图4仪表界面。数码管显示采用动态扫描方式，其驱动电路使用一片74HC595加三极管构成。