基于ADE7878的多功能电能表的设计

摘 要： 介绍了基于ADE7878测量芯片和LPC2212嵌入式ARM7平台的电子式多功能电能表的设计思路，实现了对各种电力参数的高精度测量、显示和存储，同时还设置了对各种异常情况进行报警和事件存储的功能。
关键词： ADE7878； ARM7； 电子式多功能电能表； 电力参数采集

近年来，随着国家电网大规模的改造与建设，电子式多功能电能表技术正在快速发展。电子式多功能电能表采用电子计量原理，具有高精度、高速率、多参数、长寿命计量、性能稳定、操作方便等优势。美国ADI公司最新推出ADE78xx系列高精度三相电子式电能测量IC,超越了工业上对电能计量0.2S级表的精度和动态的要求，可用于提高商业、工业及住宅智能电表的精度和性能，其中ADE7878功能最全,性能最好。因此，本文采用ADE7878作为核心计量芯片。
LPC2212是恩智浦公司推出的一款基于16/32位ARM7TDMI-S核、支持实时仿真和跟踪的微控制器芯片，并带有16 KB片内SRAM和128 KB嵌入的高速Flash存储器,具有独特的加密功能。128 bit宽度的存储器接口和独特的加速结构使32 bit代码能够在最大时钟速率下运行。LPC2212采用144脚封装、极低的功耗、多个32 bit定时器、多个串行接口、8路10 bit ADC、PWM输出以及多达9个外部中断,其单片可用GPIO为112脚,这些特性使其非常适用于工业控制,对本文所设计的电子式多功能电能表也是非常适合的。
基于本文所设计的电子式多功能电能表的样机已经在逐步完善设计之中,在不久之后即可顺利投入使用。
1 电能计量原理
1.1 ADE7878的性能特点
ADE7878是一款高精度电能测量IC，其电压和电流通道均为24 bit Σ-Δ型ADC，提供I2C、SPI、HSDC多种串行数据接口和3个灵活的脉冲输出，可以同时提供基波有功和无功功率、总（基波+谐波）有功和无功功率、视在电能、基波有功和无功电能计量和有效值计算。
ADE7878适合测量多种接法下的有功、无功和视在电能，同时支持微分式电流互感器（CT），支持所有通道的波形数据输出。芯片也集成了功率质量测量，如短时欠电压或过电压检测、中性线电流失配检测。对于ADE7878，三种特殊设计的低功耗电源模式能保证当发生窃电状态时电能累积的连续性。ADE7878还支持灵活的校表方式，通过调节电压电流的增益或功率的增益都能使误差达到要求[1]。
1.2 ADE7878计量算法[1-2]
　 ADE7878有7个模拟输入构成电流和电压通道。来自信号预处理电路的小电压信号通过可配置的PGA放大，经ADC变换转换为数字信号，然后进入内部DSP进行数字信号处理，在经过相位校正和HPF滤波后，分别对各路电压或电流进行均方根值计算、对各相电压和电流进行总有功/无功功率计算、基波有功/无功功率计算。
对于含有谐波的交流系统，其瞬时电压、电流的数学表达式分别为：

　

为保护电能表内部主要电路的安全运行，提高系统的抗干扰性、可靠性，电源部分设计成3个独立电源：MCU及相关部分电源、计量模拟部分电源以及RS485通信部分电源,各部分电源之间采用有效的隔离技术。MCU通过SPI总线对ADE7878的各个寄存器进行访问，得到计量所需的各项数据，经过处理之后通过SPI总线将数据存储到Flash中长期保存。RTC、LCD、铁电存储部分通过I2C总线与MCU进行数据交换。根据多功能电能表通信规约的要求,系统设计采用了2种通信方式：红外通信和RS485通信。除此之外，系统还设计了开盖检测、电池欠压检测和系统掉电检测，以实现实时监视外部的异常情况，对检测到的异常进行相关记录，同时进行声光报警[4]。
2.2 ADE7878模拟信号输入电路
电压取样可采用传统的电压互感器或电阻分压网络。电压互感器虽然具有非常良好的隔离性能，但是同时会带来相位误差，影响测量精度，而且体积大、成本高[2]。因此，本设计采用无相位误差且成本较低的电阻分压的方法。ADE7878的最大模拟输入信号电平峰峰值为±0.5 V，此次设计的电表额定电压为100 V，为留有一定裕量并提高安全性，取样电阻选择1 kΩ，分压电阻采用5个270 kΩ和1个51 kΩ的电阻，因此，加额定电压时得到的输入取样信号电平峰峰值为100 mV。为了保证精度，采样电阻全部采用误差为25 ppm的高稳定度的精密电阻。A相电压采样电路如图2所示。

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