基于CSE7780設計的智能電能表" title="智能電能表">智能電能表旨在使設計方案更加合理，使之成為性價比更具優勢的產品。本文對計量芯片" title="計量芯片">計量芯片CSE7780的性能特點和結構電路進行了分析，并從軟、硬件兩個方面給出符合國網智能電能表要求的設計方法。
1.符合國網新標準電能計量方案
CSE7780是一款高精度單相電能計量芯片，在動態范圍(1500:1)內，非線性誤差小于0.1%，提供兩路電流有效值、一路電壓有效值，在動態400:1的范圍內，有效值誤差小于0.5%。
該芯片能夠提供有功功率" title="有功功率">有功功率、有功能量、電流有效值、電壓有效值、線頻率、過零中斷等功能，以及提供全數字增益、相位、失調校準，有功能量脈沖從PF管腳輸出。CSE7780通過一個SPI串行接口可以與外部的MCU進行通信；具有潛動閾值可調功能；內部具有電源監控電路，可以保障芯片的正常工作。CSE7780使用5V單工作電源，內置2.5V電壓參考源，也可以使用外置的2.5V參考源。
CSE7780的內部功能結構框圖如圖1所示。在芯片工作時，將采樣到的電流、電壓信號先經過增益放大器，將采樣信號放大，然后再通過高精度的Sigma-Delta、模數轉換器(ADC)將模擬信號轉換為數字信號，得到的數字信號通過低通濾波器、高通濾波器濾去高頻噪聲與直流增益，從而得到需要的電流、電壓采樣量化的數據。將這些數據相乘，經過低通濾波器輸出平均有功功率；電流、電壓量化后的數據通過平方電路、低通濾波器、開方電路得到電流、電壓有效值。將有功功率按時間積分，計算出有功能量。通過能量頻率轉換器將得到的能量通過PF引腳輸出，也可通過SPI總線獲得經過數字信號處理得到的數字化數值。
圖1：CSE7780結構框圖
2.軟件設計
CSE7780寄存器的配置流程如圖2所示，先設置好計量控制寄存器，能后再配置校表寄存器。
圖2：參數配置流程圖
2.1CSE7780 ADC參數設計
以設計一款額定電壓220V(Un)、10(60)A電流規格、表常數為1600imp/KWh的電表為例，由于電流輸入通道允許輸入最大信號為±700mV的峰峰值(有效值為495mVrms)，10(60)A的表考慮到通道A發熱的情況，可選擇200～250微歐的錳銅，若以250微歐的錳銅來采樣，在Imax=60A時，通道A的采樣信號為60A*250μΩ=15mV，由于電流通道A的允許最大輸入信號為495mV，因此電流通道的增益選擇可配置成16，通道B采用2500:1的互感器；負載電阻10Ω，電流通道B增益設置為1。電壓通道允許最大輸入信號為±700mV的峰峰值，考慮到電壓會有130%Un過壓，可將電壓采樣信號通過網絡電阻將220V交流電壓信號降至220mV左右，電壓通道增益選擇為1。
通過上述的論述，我們需將電流通道A的增益設置為16，電流通道B的增益設置為1，電壓通道的增益設置為1，因此SYSCON寄存器應設置為00C0H。
2.2．HFConst寄存器的設置
電表常數EC為1600imp/KWh；Vu=0.22V；Vi=10A*0.00025Ω*1*0mV；EC=1600；Un=220V；
Ib=10A。根據公式HFConst= INT[39.3143*Vu*Vi*1011/(EC*Un*Ib)]，可得HFConst=2*H，因此寫入HFConst寄存器的值應為2*H。
2.3．其他計量控制寄存器配置
啟動電流的配置：在Un、Ib的情況下，有功功率寄存器PowerA的數值為1A375D7H，按照要求在0.4%Ib的情況下能夠正常啟動，則Pstar寄存器可配置為0.2%Ib有功功率對應的數值pstar=00D6H(Pstart對應的是PowerA的高16位，計算出的PowerA是24'h00D6C3)。
能量累加模式的配置：由于需要計量正反有功能量，因此我們須將能量累加模式配置成正反向功率都參與累加，累加方式是代數和方式，負功率有REVQ符號指示，使能PF脈沖輸出及有功電能寄存器累加，即可將EMUCON配置為0001H。
2.4．校表寄存器的配置
a.有功功率校準
功率增益校正：在輸入信號為Un、Ib的情況下，從校表臺獲得通道A的誤差為err：
如果Pgain>=0，則GPQA=INT[Pgain*215]，反之若Pgain<0,則GPQA=INT[216 +Pgain*215]。
通道B的功率校準可通過配置GPQB來實現，方法與校正通道A的相同。
相位校正：在PF=0.5L，輸入信號為100%Un、100%Ib的情況下，從校表臺上獲得的誤差為err，則相位誤差補償為
對50Hz的電網而言，PHSA有0.020/LSB的關系，則：如果θ>=0，PHSA =INT(θ/0.020)；如果θ<0，PHSA =INT(28+θ/0.02)-96。
通道B的相位校正可通過配置PHSB來實現，方法與校正通道A的相同。
有功功率失調校正：在小信號1.0的情況下，如果小信號偏差較大，可通過調整有功功率失調校正寄存器來修正小信號的偏差。
在PF=1.0，Vu=Un，Vi=0的情況下，等待DPUDIF的更新，通過MCU獲取PowerA的值，讀取若干次去平均值，取平均值的補碼的后4位寫入APOSA校正寄存器。
通道B的有功功率失調校正可通過配置APOSB來實現，方法與校正通道A的相同。
圖3：功率校正流程圖
b.有效值校準
有效值的校正流程如圖4所示，先校正電流的失調，校正失調后，再進行A/B通道電流轉換系數KIA/KIB及電壓轉換系數KU的計算，在PF=1.0、Vu=100%Un、Vi=Ib的情況下讀取IARMS、IBRMS寄存器的數值，根據公式KIA=IARMS/Ib可得到電流通道A的轉換系數，按同樣的方法可得電流通道B的轉換系數KIB及電壓通道的轉換系數KU。
圖4：有效值校正
5．CSE7780校準及初始化過程
上電初始化MCU；對計量芯片的可寫寄存器依次寫入，完成計量控制寄存器及校表參數的初始化。
在初始化的過程中，要保證寫入到計量芯片的數值的正確。在正常工作的時候需要監控CSE7780的工作狀態，確保計量芯片處在正常情況下工作，一般監控校驗和是否正確以及芯片是否有被復位。
圖5：智能電能表原理框圖
3.硬件設計
目前芯海可以向客戶提供包括軟、硬件在內的完整參考設計。圖5為智能電能表原理框圖，圖6為目前推出的參考設計完整電路。
圖6：國網單相智能表實物圖
下面是針對CSE7780使用過程中其它一些應該注意的問題給出的建議：在PCB布局的時候需要注意變壓器對錳銅的影響，這會影響到計量芯片的小信號的誤差；在采樣輸入端的走線應平行對稱，減小采樣線所包圍的面積；晶體不能放在PCB板邊，防止在打ESD的時候，將芯片打死，晶體下面最好不要走其它的信號線。
本文小結
通過在深圳計量院的整表測試，CSE7780能夠準確測量單相智能電能表各個參數，計量精度完全滿足要求。基于CSE7780的整機方案經EMC檢測、認證的第三方專業認證機構信測科技驗證了EMC等方面的性能，具有極佳的性能指標，完全符合新一代國網智能電能表的要求。其簡單易懂的軟件校表方式，既便于電能表開發工程師進行程序開發，又提高了生產線的效率。