相电能计量芯片的工作原理及电路设计应用 - 电子设计工程杂志社投稿

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相电能计量芯片的工作原理及电路设计应用

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1 、引言

新型集成芯片不仅精确度高，而且硬件软件设计简单、性价比高。着重介绍SA9904B，ATT7026A及CS5463 3种三相电能计量芯片的工作原理，比较其性能指标，为合理选择电能芯片提供了有力的帮助。

2 、电能计量芯片

SA9904B 是南非微电子系统有限公司设计开发的一种电能计量芯片，ATY7026A是珠海炬力集成电路设计有限公司开发的电能计量芯片，CS5463是美国 CRYSTAL公司推出的带有串行接口的单相双向功率/电能计量集成电路芯片。这三者都用于三相多功能电能计量，均适用于三相三线制的具有50 Hz或60 Hz标准频率的电网，支持电阻网络校表和软件校表两种方式。由于电能计量、参数测量和数据读取是电能芯片的核心部分。下面主要从有功计量、无功计量、视在功率/电能计量、有效值测量、中断和SPI接口6个方面介绍芯片原理。

2.1 SA9904B简介

SA9904B有20个引脚，PDIP封装，12个元暂存器。SA9904B包含9个代表各相的有功电能、无功电能与电源电压的24位元暂存器。第10个 24位元暂存器代表任何有效相位的市频，包含3个位址以保存与SA9604A的兼容性。3个位址的任何其一可用于存取频率暂存器。每相位的有功与无功功率被积存于24位元暂存器。被测电路的电能或功率不直接提供给用户，但是可以通过公式计算。计算每相的有功或无功电能:电能每计数= (VRATED×IRATED)/320 000;计算每相的有功或无功功率:功率=VRATED×IRATED×N/INTTIME/320 000。其中:VRATED为电表的额定电源电压，IRATED为电表的额定电源电流，N=相继读数间的暂存器数值差数(△值)，INTTIME为相继读数间的时间差值(单位为秒)。若要求合相有功电能，只能通过程序对三相有功电能求和，或通过有功功率脉冲输出F50计数。芯片内的3个电压暂存器包含各相位测得的RMS电压值.用户可以直接从暂存器中读取。SA9904B不具有中断功能。串行周边的接口汇流排(SPI)为一同步汇流排，使用于微控器与 SA9904B之间的数据传输。引脚D0(串行数据出端)，DI(串行数据入端)，CS(芯片选项)与SCK(串行时脉)用于此汇流排的应用。 SA9904B为从器件，而微控器为汇流排主器件。CS输入启始与终止数据传输。SCK信号(微控器发送的)选通微控器与SA9904B的SCK引脚间的数据。DI与DO引脚为SA9904B的串行数据输入与输出引脚。

2.2 ATT7026A简介

ATT7026A 44个引脚，QFP44封装，102个寄存器翻。有功功率通过求瞬时功率代数均值获得。分相、合相有功功率分别存入指定寄存器，供用户读取。无功功率是通过将电压采样信号作一90°相移，再求瞬时功率的代数均值获得。分相、合相无功功率同样提供给用户。芯片中有电能累加寄存器，能够提供分相、合相有功、无功电能，但不提供电网周期累加模式。芯片通过能量脉冲生成器，提供校表脉冲CFl和驱动步进电机的低频脉冲F1/F2。由于芯片提供电流和电压有效值，用户也可用公式S=VRMS×IRMS，通过MCU计量分相、合相视在功率。有效值测量通过对电压、电流的采样数据求均方值实现。能够同时计算6通道的有效值，结果存在指定的寄存器中供用户读取。此外，芯片不仅提供分相电流、电压有效值.还提供三相电流、电压矢量和的有效值，用户可在指定寄存器中读取。 ATT7026A不具有中断功能。芯片内部集成了SPI串行通信接口，使用2条控制线和2条数据线。更新校表数据寄存器的命令字为:最高两位是10，低6 位是校表寄存器的地址;写特殊命令字操作(配合软件校表)的命令字为:最高2位是11，低6位是特殊命令字的类型。芯片提供清校表数据、校表数据读出、校表数据写使能、软件复位共4种特殊命令。

2.3 CS5463简介

CS5463有24引脚，SSOP封装，32个寄存器。采样得到瞬态电压和电流的数字量，把每对瞬态电压和电流的数据相乘，得到瞬时有功功率的采样值。每个A/D采样周期后.新的瞬态功率采样值就存入功率寄存器，N个瞬时功率采样值为一组，每组的值累加和用于计算以后放在能量寄存器中的数值，它与电路在N 个A/D转换周期中的有功功率值成正比。同样原理，电压和电流有效值也利用最近的N个瞬态电压、电流采样值计算，并可从RMS电压和电流寄存器中读出。视在功率可以在视在功率寄存器中直接读取，也可以对E2输出的与视在功率成正比的脉冲进行计量得出。CS5463带有中断功能。中断处理流程为:读状态寄存器→禁止所有中断→转向相应的中断处理程序→将读出的值写回，以清除状态寄存器→重新开中断→从中断处理程序中返回。CS5463的串行口包括4条控制线:CS、SDI、SDO、SCLK，如果片选CS直接与逻辑O相连接，则只需要3条线就可以完成串行口的操作。一个数据的传输总是从向串行接口的SDI 发送8位命令开始，当命令中包括一个写入操作时，在其后的24个SCLK周期内，串口将持续从SDI引脚读入串行数据。当发出一个读取命令时，串口将根据发出的命令，在其后的8、16、24个SCLK周期从SD0引脚上串行输出寄存器内容。

文章来源：《电子设计工程》网址: http://www.dzsjgc.cn/zonghexinwen/2020/0821/567.html