在電力監(jiān)測系統(tǒng)中對電壓、電流數(shù)據(jù)的采樣時由于電網(wǎng)的波動，電壓、電流并非嚴(yán)格的正弦波，僅按照50 Hz的1倍計算采樣率會導(dǎo)致精度下降及“跳字”(儀器測量值跳變較大)。同時電力系統(tǒng)受外界影響會存在各種瞬間的高頻干擾信號，所以也對A／D的采樣速度有較高要求。為此電力參數(shù)的采樣通常都采用較高精度和速度的A／D。如常見的國外產(chǎn)品中，應(yīng)用于電力系統(tǒng)的專用A／D芯片有12位的ADS7864、16位的AD73360、24位的CS5451等，其中ADS7864采樣速度達(dá)500 kHz／s。
在采樣系統(tǒng)中，通常的做法是將采集到的數(shù)據(jù)讀取到MCU中，由MCU對大量的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到電壓、電流、相位、功率因數(shù)等參數(shù)。上述芯片均采用這種方式工作。由于大量的采樣和數(shù)據(jù)運算給MCU帶來很大的負(fù)擔(dān)，大大影響MCU處理其他問題的速度。ATT7028是一款國產(chǎn)的電能計量專用芯片，比進(jìn)口電路價格低廉。除了A／D轉(zhuǎn)換部分，在芯片內(nèi)還集成了數(shù)據(jù)運算電路，可以大大節(jié)省測量系統(tǒng)主控MCU的工作負(fù)荷。該芯片通過軟件校正可將誤差校正到0.5級以內(nèi)，有效值測量誤差小于0.1％，數(shù)據(jù)采集及處理時間大約為1／3 s。為了保證測量精度他的采樣頻率為3.2 kHz。此芯片的接口簡單，使用方便。
1 ATT7028工作原理
ATT7028是QFP44封裝的44腳芯片，主要包括3大部分電路：A／D轉(zhuǎn)換部分、數(shù)字信號處理部分、通信及其他。
該芯片的A／D部分集成6路二階——A／D轉(zhuǎn)換器，采用過采樣技術(shù)，6個通道可同步采樣，采用雙端差分信號輸入方式分別針對三相電壓、三相電流檢測，各路的采樣是16位模／數(shù)轉(zhuǎn)換，經(jīng)過片內(nèi)運算電路的處理，得到24位的參數(shù)輸出。同步采樣對于計算功率和功率因數(shù)等同時需要某瞬時電壓、電流值的參數(shù)尤其重要，可以保證測量的準(zhǔn)確性。上述3種國外芯片中，AD73360和CS5451是同步采樣的，而ADS7864不能同步采樣。
數(shù)字信號處理部分對A／D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)先經(jīng)過數(shù)字濾波器濾波，然后分別計算各相的有效值、有功功率、相位、功率因數(shù)、電能和合相的有功功率、電能、頻率、功率因數(shù)等電力參數(shù)。同時還提供電阻網(wǎng)絡(luò)校正和軟件校正兩種方式作誤差校正用。軟件校表是通過相關(guān)的校表寄存器對增益、相位進(jìn)行補償、從而保證三相電壓、三相電流的增益、相位精度要求。校表寄存器的參數(shù)由用戶提供。其內(nèi)部單相采樣及計算框圖如圖1所示。
其在有功功率計量中由于ADC采用過采樣技術(shù)，可充分保證測量速度和精度，可包含高達(dá)21次的諧波信息。通信部分：ATT7028提供一個串行外設(shè)接口(SPI)，方便與外部MCU之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。所有計量參數(shù)都可以通過SPI接口讀出。另外，ATT7028內(nèi)部提供電壓監(jiān)測電路，用以監(jiān)測工作電壓。
2 應(yīng)用方案／硬件、軟件設(shè)計
根據(jù)以上特點，采用ATT7028設(shè)計一個電機運行的監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)由ATT7028為核心的采樣部分和以TI公司的TMS320F206為核心的DSP信號處理系統(tǒng)組成，輔以鍵盤和顯示部分。該系統(tǒng)用以監(jiān)控電機的運行狀態(tài)，即時給出供電系統(tǒng)的參數(shù)，并運行預(yù)置的故障模型算法以確保電機的安全運行。由于電機故障模型的算法比較復(fù)雜，占據(jù)大量的MCU時間，如果要求其兼做供電系統(tǒng)參數(shù)的計算，顯然會大大降低整體的運行速度，一般市售監(jiān)控系統(tǒng)的采樣刷新時間只能在0.5 s左右。而ATT7028恰恰可以彌補這方面的不足。他可以直接對采樣參數(shù)進(jìn)行運算得到供電系統(tǒng)的測量參數(shù)，MCU只需直接加以讀取并專注于故障模型的判斷即可，據(jù)估計，采用附帶參數(shù)計算電路的A／D可以節(jié)省約200 ms的MCU時間。
2.1 硬件設(shè)計
ATT7028提供一個SPI接口可方便地與MCU通信，其應(yīng)用主要有2方面：
(1)在電壓、電流測量通常采用互感器輸入方式，這時各通道不可避免地存在增益、相位方面的誤差，在高精度測量時這些誤差不容忽視，針對互感器比差的非線性，ATT7028提供校正，可對比差進(jìn)行分段補償，ATT7028也可對相位加以分段修正，還可對電壓、電流有效值進(jìn)行修正。所有這些可通過SPI接口將校正的數(shù)據(jù)寫入ATT7028中實現(xiàn)。
(2)MCU可通過SPI接口將ATT7028經(jīng)過運算得出的電壓、電流、有功、功率因數(shù)、相位等參數(shù)讀出。
ATT7028提供電阻網(wǎng)絡(luò)校正或軟件校正2種方式校正誤差，當(dāng)采用軟件校正方式時，用戶必須將7028的SIG端子與MCU的INT腳連通，當(dāng)ATT7028受干擾復(fù)位或內(nèi)部錯亂時SIG端子給MCU信號以便MCU重新寫入修正數(shù)據(jù)。MCU的I／O口與ATT7028的SPI，RESET接口相連，既可對ATT7028復(fù)位、輸入校正數(shù)據(jù)，也可讀取數(shù)據(jù)。硬件連接圖如圖2所示。
MCU通過SPI接口與ATT7028通信讀取數(shù)據(jù)時序如圖3所示。工作過程：MCU先發(fā)出片選信號CS(低電平有效)，再給出串行時鐘SCLK(在SCLK的上升沿寫數(shù)據(jù)，下降沿讀取數(shù)據(jù))，再通過SPI接口寫入1個8位的命令字，然后才能通過SPI讀取位的數(shù)據(jù)。
輸入數(shù)據(jù)說明：
Bit 7：為0，表示讀命令，用于外部MCU讀取ATT7028的計量數(shù)據(jù)；為1，表示寫命令，用于更新校正數(shù)據(jù)。
Bit6～0：表示數(shù)據(jù)地址，選擇寄存器。
2.2 軟件設(shè)計
ATT7028提供各相的有功功率、視在功率、電壓、電流、相角、電能等參數(shù)，分別采用不同的寄存器存儲，每項數(shù)據(jù)24位，采用二進(jìn)制補碼形式存儲。
軟件編程可采用中斷方式或查詢方式。采用查詢方式時，可以檢測工作寄存器的相應(yīng)狀態(tài)位，執(zhí)行讀取。因為測量中存在誤差，為了保證檢測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，首先要校正誤差，本設(shè)計采用軟件校正方式來校正測量中的誤差。讀取數(shù)據(jù)流程圖與軟件校正流程圖如圖4所示。
2.3 注意問題
在設(shè)計電路時模擬電源和數(shù)字電源、模擬地與數(shù)字地應(yīng)盡量分開接地，然后將模擬地與數(shù)字地連接。
因為ATT7028內(nèi)部有效值、功率、相角、頻率等寄存器的更新是自動進(jìn)行的，更新時間約1／3 s，所以數(shù)據(jù)讀取要保證在1／3 s以內(nèi)完成，不然數(shù)據(jù)會部分丟失。對數(shù)據(jù)刷新要求速度較高的場合不適宜應(yīng)用本芯片。同時該芯片只能讀取經(jīng)過運算過的數(shù)據(jù)，不提供直接對A／D轉(zhuǎn)換過的數(shù)據(jù)的讀取。其3.2 kHz的采樣頻率只是為了保證參數(shù)的精度，用戶不能直接得到采樣值。
低電平復(fù)位信號要保持25μs左右，芯片復(fù)位后，一般等待200μs左右才能通過SPI進(jìn)行讀寫操作。通過SH讀寫信號時傳輸信號會有抖動。可以在SPI信號線上串聯(lián)一個小電阻，此電阻與輸入端的寄生電容C結(jié)合起來可構(gòu)成一個低通濾波器來濾除抖動。
MCU發(fā)出的時鐘SCLK頻率低于200 kHz時，可直接讀取寄存器中的數(shù)據(jù)；SCLK頻率高于200 kHz時，則需要等待大約3μs才可讀取數(shù)據(jù)。通過SPI輸入校正數(shù)據(jù)時總是高位在前、低位在后，讀取數(shù)據(jù)時也是先讀出高位、再讀出低位。
3 結(jié) 語
ATT7028是一款功能較強的芯片，內(nèi)部集成數(shù)字信號處理電路，提供所有電力參數(shù)計量相關(guān)的算法實現(xiàn)，具有強大的數(shù)字信號處理能力，大大減輕了主控MCU的工作壓力，同時提供方便的SPI通信接口便于數(shù)據(jù)讀取，性價比較高，適合于專用于三相電力系統(tǒng)監(jiān)控和測量采樣的應(yīng)用場合。本文介紹的系統(tǒng)在應(yīng)用獲得較好的效果。