ADE7758在新型电能监控系统中的应用与研究

摘要：为了满足当今企业电能监控系统的需求，达到低成本、高精度、简化设计的目的，提出了一种使用三相电能计量集成电路ADE7758分时实现单相、三相电能监控功能的解决方案。通过实际开发、测试，确定芯片在该方案中的硬件电路设计、驱动开发、企业用户应用程序实现和实际使用过程中的校准方法，提供了实际电能监控过程中的数据。根据此对计量方案的继续优化进行了探讨。
关键词：ADE7758；驱动程序；应用程序；校准

0 引言
伴随我国经济的飞速发展，用电紧张的情势日益严峻。为缓解社会用电紧张的局面，现今诸多企业采用了单相市电、三相柴油发电互补使用的方法，缓解居民用电紧张情况。企业作为用电大户，电能供给状况直接影响到企业的经济效益，需要实时进行电能监控，以达到及时自身调节、节约电能和提高生产效率的目的。企业电能监控部分普遍采用美国模拟器件公司(ADI)推出的电能计量集成电路，分别计量单相电和三相电，这不仅需要2块集成电路，而且在单相电、三相电切换的环节也需要通过硬件实现，很容易产生误差。ADI公司2003年底推出的ADE7758三相电能计量集成电路，内部具有单相电、三相电切换计量功能，通过实际开发、测试，完善了使用一片ADE7758分时实现单相、三相电能监控的方案，避免了因为硬件切换所造成的误差。通过实测数据可以得出这种方案具有较高的计量精度；改变了以往使用多块芯片计量的理念，对于降低企业电能监控系统的成本和提高电能监控自动化水平具有突出意义。

1 基于ADE7758的硬件电路设计
1．1 芯片功能介绍
ADE7758是一块高精度的三相电能计量集成电路，可以完成对有功功率、无功功率、视在功率和有效值的计算，兼容三相三线和三相四线制电路，并且具备每一相的单独配置、校准的特性。它具有3对差分电压输入，分为3个电压输入通道和3个电流输入通道，最大输人电压±0．5V，有一个与SPI兼容的串行口，可以与微处理器完成通信。因此ADE7758可以很好地适应三相电能监控的多种需求。
1．2 新型电能监控系统的解决方案
由于企业供电采用三相电与单相电相结合的方式，用于企业电能监控的设备必须满足对于单相、三相电能监控的需求。以往这类设备都是使用专用的电能计量芯片，比如三相电能计量使用ADE7758，单相电能计量使用ADE7753，这种在一个监控系统中使用两种计量芯片的方案不可避免地造成了电能计量误差。为降低这种计量误差，开发者需要以提高成本为代价采取额外的隔离措施。根据ADE7758单独配置、校准各相电能的特点，完全可以只使用一片ADE7758，分时完成对于三相电和单相电的监控需求，因此提出了一个使用ADE7758分时完成单相电、三相电电能计量的方案框图如图1所示。

在该方案中，利用包含电压互感器和电流互感器的前端处理电路，将输入信号处理为符合ADE7758差分输入电压±0．5 V的要求的电压信号。用户可以通过键盘控制微处理器，使ADE7758计算得到需要的电压有效值、电流有效值、功率值等，并输出液晶显示。而单相和三相电能监控方式之间的转换则完全通过软件控制ADE7758内部有效输入通道实现。
1．3 ADE7758的核心电路设计
ADE7758的核心电路示意图如图2所示。将处理之后的信号输入ADE7758的3个电压通道和3个电流通道，注意要差分输入。DIN，DOUT，SCLK，CS，IRQ和CF连接微处理器，根据ADE7758的驱动程序对其内部寄存器进行操作，通过DOUT输出所需要的多种数据给微处理器。

2 ADE7758的驱动开发流程
如果要实现ADE7758与微处理器的通信，使芯片正常工作，还需要底层驱动程序的支持。ADE7758中驱动程序的开发，主要是实现SPI串行接口的数据读／写，首先需要从芯片的用户手册中查找串口的读／写时序，时序图如图3、图4所示。

通过时序图可以看到，ADE7758的SPI串行接口在工作过程中，CS需要置高电平，SCLK需要置低电平作为芯片开始工作的使能标志。读／写操作开始后，首先都要给ADE7758一个命令字节，然后再开始连续读／写数据。读／写操作的区别标志是写操作过程中，命令位最高位为1，读操作为0。
按照时序进行写操作，将命令位最高位强行置1后，通过SPI发送后7位给ADE7758的DIN，对SCLK置0，然后进行数据的写入操作，过程与写入命令相同，只不过不用对最高位进行操作，因此在实际编写过程中可以先写一个SPI的写操作函数，再调用这个函数，完成ADE7758的写命令和写数据的操作。
读的过程需要首先对读／写操作标志位强行置0，然后通过DIN将读的命令写入ADE7758，再通过DOUT的高低电平变化读出8位数据。
具体的驱动程序流程，如图5所示。