1、1第二章第二章 智能电表的结构与原理智能电表的结构与原理n2.1智能电表的构成与功能智能电表的构成与功能n2.2 71M6542F SOC芯片及应用芯片及应用n2.3 ATT7O22A SOC芯片及应用芯片及应用22.1智能电表的构成与功能智能电表的构成与功能n1.智能电度表系统的结构框图如图智能电度表系统的结构框图如图 32.智能电度表系统的构成与功能：智能电度表系统的构成与功能：1/3n1、电源模块。、电源模块。n外部直流外部直流110V电源转变为系统内部三路直流电源转变为系统内部三路直流5V电源电源,为电度表其它部分提供稳定可靠的电为电度表其它部分提供稳定可靠的电源。源。n2、采样电路及
2、电能计量单元。、采样电路及电能计量单元。n电压采样电路电压采样电路采用互感器采样为主、电阻分压采用互感器采样为主、电阻分压采样备用的方式采样备用的方式,n电流采样电流采样采用互感器采样进行电量采样。采用互感器采样进行电量采样。n测量并上传数据采用电能计量专用芯片。测量并上传数据采用电能计量专用芯片。42.智能电度表系统的构成与功能智能电度表系统的构成与功能 ：2/3n3、MCU及外围电路及外围电路,实现电度表的控制。实现电度表的控制。n4、显示采用、显示采用LED和发光二极管进行显示和发光二极管进行显示,满满足使用要求足使用要求,价格便宜。价格便宜。n5、存储使用、存储使用两片串行两片串行EZ
3、PROM:93LC66B、AT45DB04lB。52.智能电度表系统的构成与功能：智能电度表系统的构成与功能：3/3n6、通讯功能、通讯功能。n通讯接口实现通讯接口实现4种通讯功能种通讯功能:n(1)使用上位机软件使用上位机软件,进行纯软件校表。进行纯软件校表。采用纯采用纯软件校表软件校表,界面清楚、操作简单界面清楚、操作简单,大大减少了校大大减少了校表工作量。表工作量。n(2)同同TAXZ装置通信装置通信,实现运行数据和电量的结实现运行数据和电量的结合。合。n(3)采用无线通讯模块采用无线通讯模块,实现了数据的自动远程实现了数据的自动远程传输。传输。n(4)外接手持终端外接手持终端,人工读取
4、、写入数据。人工读取、写入数据。62.2 71M6542F SOC芯片及应用芯片及应用n71M6542F是高集成度单相电表是高集成度单相电表 SOC芯片，芯片，主要包括：主要包括：n兼容兼容8051的的MPU、带有数字补偿的低功耗实、带有数字补偿的低功耗实时时钟时时钟(RTC)、闪存存储器和、闪存存储器和LCD驱动器。驱动器。 n内置一路内置一路 22位位 的的ADC转换器、三路或四路模转换器、三路或四路模拟输入、数字温度补偿、精密电压基准和拟输入、数字温度补偿、精密电压基准和32位位计算引擎计算引擎(CE)。n基于该芯片，可以简化电能表的软件和硬件设基于该芯片，可以简化电能表的软件和硬件设计
5、，减少电能表系统芯片数量。计，减少电能表系统芯片数量。71.71M6542F 芯片的结构芯片的结构 n芯片内部主芯片内部主要可分成的要可分成的3个模块单个模块单元：元：n模拟采样的模拟采样的前端模块、前端模块、n管理单元模管理单元模块、块、n电能计量模电能计量模块。块。 8芯片内部：芯片内部：n芯片的模拟前端是芯片的模拟前端是一个具有一个具有22位的位的ADC转换器。转换器。n芯片支持芯片支持6路模拟信号路模拟信号输入和输入和1路基准电压输入，支持路基准电压输入，支持自动数字温度补偿。自动数字温度补偿。n一个独立的一个独立的32位计算引擎（位计算引擎（CE）构成电能计量模块构成电能计量模块的核
6、心，的核心，CE的内部是一个数字信号处理器的内部是一个数字信号处理器(DSP)，通，通电后将自动载入并运行电后将自动载入并运行CE代码，对代码，对ADC转化器得来转化器得来的电压、电流等实时数据进行处理与运算。的电压、电流等实时数据进行处理与运算。n管理单元模块核心实际上就是管理单元模块核心实际上就是一个一个8051内核的微控内核的微控制器制器(MPU)，主要对，主要对CE计算得到的数据进行电能参计算得到的数据进行电能参数的后续管理。数的后续管理。92. 71M6542F的特性：的特性：1/2n（1）在）在2000:1工作电流的宽动态范围内，电能计工作电流的宽动态范围内，电能计量精度高达量精度
7、高达0.1%；n（2）优于优于IEC 62053/ANSIC 12.20标准的性能要求；标准的性能要求；n（3）两路电流传感器输入）两路电流传感器输入，可选择差分模式，主，可选择差分模式，主通道电流输入可选择通道电流输入可选择1或或8倍的增益，支持分流器；倍的增益，支持分流器；n（4）独立的）独立的32位计算引擎位计算引擎，高速脉冲输出，可编，高速脉冲输出，可编程脉冲宽度；程脉冲宽度；102. 71M6542F的特性：的特性：2/2n（5）带有数字温度补偿：）带有数字温度补偿：包括对计量补偿和包括对计量补偿和对高精度对高精度RTC的补偿，用于晶振自动温度补偿的补偿，用于晶振自动温度补偿的的TO
8、U功能，支持所有功率模式；功能，支持所有功率模式；n（6）三种备份电池供电模式，包括：掉电模三种备份电池供电模式，包括：掉电模式式(BRN)、LCD模式模式(LCD)和休眠模式和休眠模式(SLP)，休眠模式电流损耗仅为休眠模式电流损耗仅为1A；n（7）8位的位的MPU(80515)，高达，高达5MIPS的运算的运算速率；速率；113. 71M6542F 芯片的工作原理芯片的工作原理n71M6542F包含了能够实现远程费控单相智能包含了能够实现远程费控单相智能电表的所有功能组件，只需要加上一些简单的电表的所有功能组件，只需要加上一些简单的外围功能电路，即可以设计得到满足国家电网外围功能电路，即可
9、以设计得到满足国家电网规范要求的单相智能电表。规范要求的单相智能电表。 n71M6542F在上电后，同时要进行计量和管理在上电后，同时要进行计量和管理工作，这就相当于单芯片双核的工作方式。工作，这就相当于单芯片双核的工作方式。nCE独占一个工作流程，采用了累加的方式完独占一个工作流程，采用了累加的方式完成电能量的计算。成电能量的计算。12（1）计量引擎）计量引擎CE的工作原理的工作原理n电源给负载提供能量可以表示为：电源给负载提供能量可以表示为： 若相角保持不变，则下式均成立：若相角保持不变，则下式均成立：13电压、电流、瞬时功率和累积功率随电压、电流、瞬时功率和累积功率随时间变化的波形时间变
10、化的波形 ：n其中，电压和电流信其中，电压和电流信号为号为50个采样点，周个采样点，周期为期为20ms。n电压是电压是240V的交流的交流电，电流是电，电流是100A，经过计算，应用在经过计算，应用在20ms周期内的累积周期内的累积结果为结果为 480Ws（即（即0.133Wh），如图中），如图中的累积功率曲线所示。的累积功率曲线所示。 图图:电流、电压、瞬时能量和电流、电压、瞬时能量和累积能量的波形图累积能量的波形图14（2）CE与主控制器之间交互的工作与主控制器之间交互的工作原理原理n在典型应用中在典型应用中，32位的位的CE顺序处理来自顺序处理来自IA、VA、IB等引脚的采样值，并进行计
11、算，分别得到等引脚的采样值，并进行计算，分别得到有功有功功率、无功功率、电流的平方和电压的平方功率、无功功率、电流的平方和电压的平方，以，以实现四象限计量。实现四象限计量。n然后，然后，控制器通过与控制器通过与CE共享的共享的RAM区对这些测区对这些测量值进行存取，并计算处理，电表还可以通过主量值进行存取，并计算处理，电表还可以通过主控制器来控制外围器件输出脉冲，如图所示。控制器来控制外围器件输出脉冲，如图所示。 15MPU 与与 CE 之间的数据流交互图之间的数据流交互图 nCE提供提供6种中断，实时上报给种中断，实时上报给MPU当前工作状况当前工作状况，包括，包括4个个脉冲中断和脉冲中断和
12、2个工作中断：个工作中断：WPULSE（有功能量脉冲）、（有功能量脉冲）、VPULSE（无功能量脉冲）、（无功能量脉冲）、XPULSE和和YPULSE（辅助脉（辅助脉冲）、冲）、CE_BUSY、XFER_BUSY。 164. 71M6542F 芯片的优点芯片的优点n（1）高集成度，对环境的要求较低，系统高集成度，对环境的要求较低，系统的性能和可靠性得到了极大提高；的性能和可靠性得到了极大提高；n（2）芯片的内部资源非常丰富，以此芯片芯片的内部资源非常丰富，以此芯片为核心的设计省掉了许多外围器件，系统的为核心的设计省掉了许多外围器件，系统的成本大幅度的降低；成本大幅度的降低；n（3）支持多种采样
13、前端的设计，优化了支持多种采样前端的设计，优化了PCB板的设计，计量精度高。板的设计，计量精度高。 172.3 ATT7O22A SOC芯片及应用芯片及应用n1. ATT7022A的特性：的特性：1/2nATT7022A在输入动态工作范围在输入动态工作范围(1000:l)内内,非非线性测量误差小于线性测量误差小于0.1%, 可准确测量到含可准确测量到含21次次谐波的有功、无功和视在功率。谐波的有功、无功和视在功率。 n芯片内部集成了芯片内部集成了六路六路AD转换器转换器,参考电压电路参考电压电路以及所有功率、能量、有效值、功率因数以及以及所有功率、能量、有效值、功率因数以及频率测量的频率测量的
14、数字信号处理电路数字信号处理电路。n它能够测量它能够测量有功功率、无功功率、视在功率、有功功率、无功功率、视在功率、正反向有功能量正反向有功能量,正反向无功能量以及电压电正反向无功能量以及电压电流有效值、功率因数、流有效值、功率因数、相角、相角、频率等参数频率等参数,充充分满足多功能电度表的需求。分满足多功能电度表的需求。 181. ATT7022A的特性的特性:2/2nATT7022A支持全数字域的增益、相位校正支持全数字域的增益、相位校正,即即纯软件校表。纯软件校表。n有功、无功电能、脉冲输出有功、无功电能、脉冲输出CFI、CFZ提供瞬提供瞬时有功、无功功率信息。时有功、无功功率信息。可以
15、直接接到标准表可以直接接到标准表,进行误差校正。进行误差校正。nATT7022A提供一个提供一个SPI接口接口,方便与外部方便与外部MCU之间进行计量参数以及校表参数的传递。之间进行计量参数以及校表参数的传递。192. ATT7022A的内部结构的内部结构nTT7O22A的内的内部结构主要包部结构主要包括：括：n电源监控电路、电源监控电路、n模数转换电路模数转换电路n计量模块。计量模块。203.ADC的结构框图的结构框图nATT7022A片内集成了片内集成了6路路16位的位的ADC,采用双采用双端差分信号输人。其结构框图如图所示。最大端差分信号输人。其结构框图如图所示。最大输入电压是输入电压是
16、1.5v,即可以输入最大的正弦信号即可以输入最大的正弦信号有效值是有效值是1V。214.ATT7022A的工作原理的工作原理nATT7022A的数字信号处理如图所。的数字信号处理如图所。nATT7022A经采样模块后进行的电量计算经采样模块后进行的电量计算主要主要包括有功功率、有功能量、无功功率、无功能包括有功功率、有功能量、无功功率、无功能量、视在功率、视在能量、电压有效值、电流量、视在功率、视在能量、电压有效值、电流有效值、频率等。有效值、频率等。 n其中其中,各相的有功功率各相的有功功率是通过对去直流分量后是通过对去直流分量后的电流、电压信号进行乘法、加法、数字滤波的电流、电压信号进行乘
17、法、加法、数字滤波等一系列数字信号处理后得到的。等一系列数字信号处理后得到的。 22数字信号处理框图数字信号处理框图 23有功功率的测量原理图有功功率的测量原理图 n有功能量通过瞬时有功功率对时间的积分得到有功能量通过瞬时有功功率对时间的积分得到,单相有功能量的计算公式为单相有功能量的计算公式为: 245. 采样电路采样电路 n原始参数原始参数的正确采样是的正确采样是ATT7022A正确输出的基础正确输出的基础,采样采样电路的设计直接关系到系统的电路的设计直接关系到系统的测量准度及精度测量准度及精度。n电压采样电压采样电路采用电路采用互感器采样互感器采样为主、为主、电阻分压电阻分压采样备用采样
18、备用的方式的方式,电流采样采用电流采样采用互感器互感器采样进行电量采样。采样进行电量采样。n电力机车电力机车电网电压为电网电压为19000V29000V,额定额定25000V,额定额定电流为电流为90A,最大电流为最大电流为300A,通过机车互感器将电压转通过机车互感器将电压转换成换成230V,电流转换成电流转换成1.5A(6A)。n为了满足为了满足ATT7O22A电压和电流电压和电流ADC通道的输入要求通道的输入要求,采采用电阻分压、电压和电流互感器将输入电压变换为用电阻分压、电压和电流互感器将输入电压变换为0.5V左右左右,将输入电流变换为将输入电流变换为O.1V左右。左右。25（1）电压、电流互感器采样电路）电压、电流互感器采样电路 26（2）电阻采样电路）电阻采样电路 n负载电压负载电压经经RG15、RG16构成的电阻分压网构成的电阻分压网络络,在在RG16上得到取样电压上得到取样电压,经经CGI滤波后输入滤波后输入到芯片电压采集的正向管脚。到芯片电压采集的正向管脚。 27（3）ATT7O22A测量接线图原理图测量接线图原理图 28智能电表智能电表SOC芯片芯片比较比较 n来源于来源于 nTeridian、nTI公司、公司、n杭州万工、杭州万工、n炬力的四款炬力的四款SOC芯片芯片
