華 金， 馮 寧(上海船舶運輸科學(xué)研究所 艦船自動化分所， 上海 200135)

基于ADE7978/ADE7933芯片組電量變送裝置的設(shè)計與實現(xiàn)

華 金， 馮 寧
(上海船舶運輸科學(xué)研究所 艦船自動化分所， 上海 200135)

基于ADE7978/ADE7933芯片組電量變送裝置設(shè)計思路，詳細(xì)闡述該裝置硬件設(shè)計和軟件設(shè)計的實現(xiàn)過程。結(jié)合船用三相三線制電量采集試驗進(jìn)行測試驗證。數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明，該裝置運行穩(wěn)定、可靠,可滿足高精度測量要求。

ADE7978芯片； ADE7933芯片； 電量采集

0 引 言

電量變送裝置是一種遠(yuǎn)端采集、存儲及傳輸裝置，主要功能為采集三相交流電壓、電流及相位角等數(shù)據(jù)，通過算法計算獲取有功功率、視在功率及功率因素等相關(guān)電量參數(shù)，并以串行通信的形式傳輸數(shù)據(jù)信息。

近年來，電能計量領(lǐng)域中的新技術(shù)、新工藝不斷涌現(xiàn)，新型電能計量芯片不僅精度高，而且其硬件和軟件設(shè)計簡單、性價比高。上海船舶運輸科學(xué)研究所研制的電量變送裝置采用Analog Devices公司的ADE7978/ADE7933專用芯片組的設(shè)計思路采集船舶電站的三相交流電壓、電流和功率因素等信息，同時獲取配電板內(nèi)斷路器和接觸器的分合狀態(tài)，并通過控制器局域網(wǎng)絡(luò)(Controller Area Network, CAN)現(xiàn)場總線的形式對外傳輸電量信息。

1 電量變送裝置的設(shè)計

電量變送裝置對外接口主要由交流電壓輸入接口、交流電流輸入接口、開關(guān)量輸入接口和CAN現(xiàn)場總線通信接口組成。選用NXP公司的Cortex-M3內(nèi)核LPC1778控制器為核心處理單元，結(jié)合Analog Devices公司推出的全隔離計量芯片組ADE7978/ADE7933，通過對外接口采集三相交流電壓信號、電流信號和開關(guān)量信號，經(jīng)過內(nèi)部邏輯運算，最終以CAN現(xiàn)場總線的形式對外傳輸有功功率、視在功率及功率因數(shù)等相關(guān)電量信息。

2 硬件設(shè)計

電量變送裝置選用帶DC-DC隔離功能(最大電介質(zhì)隔離電壓為5 kV)的ADC芯片ADE7933，內(nèi)部具有三通道的∑-Δ數(shù)模轉(zhuǎn)換器，可同步采集交流電壓和電流。此外,芯片內(nèi)集成與ADE7978對接而設(shè)計的數(shù)字串行通信接口。使用該接口，芯片ADE7978可同步獲取芯片ADE7933電壓、電流采樣結(jié)果。ADE7978芯片是一款高精度的三相電能計量芯片，具有串行外設(shè)接口(Serial Peripheral Interface, SPI)、集成電路總線(Inter-Intergrated Circuit, IIC)和高速數(shù)據(jù)捕獲(High Speed Data Copture, HSDC)靈活的串行接口與CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，最多可管理4個ADE7933器件接口，實現(xiàn)有功、無功及視在電量測量和有效值計算。CPU將采集來的電量數(shù)據(jù)通過CAN現(xiàn)場總線上傳至上位機顯示。電量變送裝置原理見圖1。

圖1 電量變送裝置原理框圖

2.1 CPU

嵌入式微控制器芯片選用NXP公司Cortex-M3內(nèi)核的LPC1778控制器，其功能強大、功耗低、成本低廉和效率高，最高速率可達(dá)120 MHz。片內(nèi)集成有Flash存儲器、RAM存儲器、CAN控制器、SPI控制器、以太網(wǎng)控制器、USB控制器和定時器等豐富的外設(shè)組件，無需外接專用芯片即可滿足裝置的各項功能、性能指標(biāo)。

2.2 CAN接口

LPC1778控制器芯片內(nèi)部集成二路CAN控制器，在電路設(shè)計上采用新一代高速、帶有DC-DC隔離功能(最大電介質(zhì)隔離電壓為2.5 kV)的收發(fā)芯片ADM3053即可實現(xiàn)CAN現(xiàn)場總線通信功能，同時芯片隔離系統(tǒng)內(nèi)外部電源和信號，可有效抑制外部干擾。

中共中央紀(jì)律檢查委員會和國家監(jiān)察委員會之所以對高等院校腐敗現(xiàn)象進(jìn)行專項調(diào)查處置，就是因為高等院校許多人員不是國家公職人員，但是，他們有非常大的社會和學(xué)術(shù)影響力，可以利用自己的影響力從事腐敗交易活動。中央紀(jì)委和國家監(jiān)察委員會對高等院校的腐敗問題進(jìn)行深入調(diào)查，就是要透過高等院校這個特殊的切口，讓人們了解影響力腐敗的社會危害性。

2.3 數(shù)據(jù)采集接口

數(shù)據(jù)采集電路為裝置硬件設(shè)計的核心部分，主要功能為采集配電板內(nèi)負(fù)載斷路器與接觸器的模擬量電量信息和開關(guān)分合狀態(tài)。配電板內(nèi)交流信號屬于中壓范圍，需要互感器進(jìn)行變比后再接入到裝置中，最終模擬量輸入?yún)?shù)為交流電壓0～100 V，交流電流0～5 A。

ADE7933芯片模擬端輸入規(guī)定：

1)電壓輸入端范圍|VP-VM|≤500 mV,VP與VM為電壓輸入引腳電壓。

2)電流輸入端范圍|VP-IM|≤31.25 mV，IP與IM為電流輸入引腳電壓。

在電壓采集硬件設(shè)計上采用串聯(lián)3個100 kΩ和1 kΩ的電阻的分壓方式，計算可得電壓輸入端最大值|VP-VM|=332 mV≤500 mV，滿足芯片設(shè)計要求。

在電流采集硬件設(shè)計上采用電流互感器隔離方式，變比參數(shù)為1∶1 000，最終轉(zhuǎn)化為5 mA交流信號，通過串聯(lián)一個采樣電阻，選擇4 Ω精密電阻，計算得到電流輸入端最大值|IP-IM|=20 mV≤31.25 mV，滿足芯片設(shè)計要求。

3 軟件設(shè)計

電量變送裝置采用基于時間觸發(fā)設(shè)計模式的軟件架構(gòu)編寫，通過核心調(diào)度器實現(xiàn)一個最簡單的協(xié)作式多任務(wù)操作系統(tǒng)。系統(tǒng)時鐘響應(yīng)函數(shù)(ISR)提供間隔為10 ms的“事件”，核心調(diào)度器被“事件”觸發(fā)后遍歷任務(wù)塊鏈表，檢索到需被調(diào)度執(zhí)行的任務(wù)，并根據(jù)任務(wù)優(yōu)先級先后執(zhí)行。

3.1 主程序

主程序的詳細(xì)軟件流程見圖2。根據(jù)本機撥碼開關(guān)狀態(tài)區(qū)分是三相三線制、三相四線制還是校準(zhǔn)工作模式，并對ADE7978芯片組進(jìn)行相應(yīng)配置。初始化系統(tǒng)時鐘和核心調(diào)度器后，分別創(chuàng)建電量信息采集任務(wù)、報文發(fā)送任務(wù)和報文標(biāo)定任務(wù)等。

圖2 主程序詳細(xì)軟件流程圖

3.2 電量信息采集任務(wù)

電量信息采集任務(wù)的主要功能為定時讀取ADE7978芯片內(nèi)部寄存器，如三相電壓電流有效值、有功功率值和視在功率值。詳細(xì)軟件流程圖見圖。

3.3 報文發(fā)送任務(wù)

報文發(fā)送任務(wù)的主要功能為根據(jù)已知的分壓、分流電路設(shè)計參數(shù)，將讀取結(jié)果模擬轉(zhuǎn)換器(Analog to Digital Converter, ADC)數(shù)據(jù)類型換算為實際的三相電壓、電流和功率。并結(jié)合標(biāo)定數(shù)據(jù)有效保證轉(zhuǎn)換精度，最后組裝報文發(fā)送。詳細(xì)軟件流程見圖4。

圖3 電量信息采集詳細(xì)軟件流程圖

圖4 報文發(fā)送詳細(xì)軟件流程圖

3.4 報文標(biāo)定任務(wù)

報文標(biāo)定任務(wù)的主要功能為從CAN現(xiàn)場總線接口接收上位機軟件發(fā)送的標(biāo)定報文，根據(jù)Analog Devices公司提供的ADE7978芯片標(biāo)定技術(shù)文檔要求進(jìn)行電壓電流增益匹配、電壓電流常數(shù)確定、電壓電流相位校準(zhǔn)和有功功率增益校準(zhǔn)等步驟。詳細(xì)軟件流程見圖5。

圖5 報文標(biāo)定詳細(xì)軟件流程圖

4 裝置的實現(xiàn)與試驗

試驗的模擬量信號源選用繼電保護測試儀，上位機安裝調(diào)試軟件通過周立功USBCAN-II模塊接收電量變送裝置上傳的采集信息，其界面見圖6。

圖6 上位機調(diào)試軟件界面

以船用三相三線制接法為例，裝置與繼電保護測試儀連線如下。

(1) 電流連接方法：裝置外部電流輸入接口IA+，IB+，IC+分別連接至繼電保護測試儀電流端口A，B，C；IA-，IB-，IC-連接至繼電保護測試儀電流端口N。

(2) 電壓連接方法：裝置外部電壓輸入接口VA+和VC+分別連接至繼電保護測試儀電壓端口A及C；VA-和VC-連接至繼電保護測試儀電壓端口B。

選擇繼電保護測試儀默認(rèn)參數(shù)，設(shè)置相電壓均為57.74 V，相位角間隔，轉(zhuǎn)換成線電壓均為100.00 V；設(shè)置相電流均為5 A，相位角間隔120°，相電流滯后相電壓相位角30°。試驗數(shù)據(jù)見表1。

表1 試驗數(shù)據(jù)

當(dāng)三相對稱且φ=30°時，有功功率計算式為

P=U1I1[cos(30°+φ)+U1I1][cos(30°-φ)]=0.75U1I1

(1)

裝置測試的功率因數(shù)結(jié)果與繼電保護測試儀轉(zhuǎn)換值基本一致。同時,交流電壓、電流和有功功率的測試結(jié)果顯示采集精度控制在0.5%以內(nèi)。此外,裝置還開展了可靠性考核，在三綜合試驗箱和常規(guī)環(huán)境中連續(xù)運行1 320 h，無故障報告，功能、性能滿足指標(biāo)要求。

5 結(jié) 語

基于ADE7978/ADE7933芯片組的電量變送裝置，實現(xiàn)采集交流電壓、電流和功率因素等電量參數(shù)，并以CAN現(xiàn)場總線通信形式傳輸數(shù)據(jù)信息。經(jīng)過試驗測試驗證，該裝置運行穩(wěn)定可靠、誤差較小，滿足高精度測量要求。

[1] Analog Devices. Date Sheet of ADE7978/ADE7933/ADE7932[EB/OL]. (2013-03-15).http://www.analog.com.

[2] Analog Devices. Calibrating the ADE7978 and ADE7933/ADE7932 Isolated Metering Chipset[EB/OL].[2013-11-13].http://www.analog.com/media/cn/technical-document-ation/user-guides/UG572.pdf.

[3] Michael J Pont. Patterns of Time-Triggered Embedded Systems[M].USA: Addison-Wesley Professional,2001.

Design and Implementation of Electric Transdusor with ADE7978/ADE7933 Chip Set

HUAJin,FENGNing
(Ship Automation Branch, Shanghai Ship & Shipping Research Institute， Shanghai 200135， China)

This paper focuses on the design of the electric transducer based on ADE7978/ADE7933 chip set, describing the implementation process of hardware and software design in detail. The tests of the transducer installed in a three-phase three-wire ship system show that the device is stable, accurate and reliable.

ADE7978 IC; ADE7933 IC; electric measure

2016-08-31

華 金(1982—)，男，浙江寧波人，副研究員，碩士，主要從事船舶機艙自動化產(chǎn)品的開發(fā)。

1674-5949(2016)04-0040-05

TP212

A