基于ADE7753的高精度多功能电能计量系统

高精度多功能电表的中心议题：
    * 电度计量部分及其实现过程
    * 基于RS485接口的电能计量数据采集

摘要

本文介绍了多功能电能计量芯片ADE7753的基本功能和特点，在此基础上，讲述了利用ADE7753设计的多功能电能表的实现过程，然后介绍了基于RS485接口的电能计量系统数据传输设计。

为了解决传统的机电式电能计量仪表体积大、精度差，且管理人员必须上门抄表的问题，以及为了满足配网自动化的需要，笔者研制了一款基于ADE7753的多功能电能计量系统。该计量系统是在目前迅速推广的微处理技术基础上，以SEP3203微处理器为核心的数字式智能型数据采集模块，使电度计量的准确度和自动化程度都有了很大的提高，所研制的多相多功能电度表，可以实时监测用户的电压、电流有效值，以及准确的电度值，并且可以通过串口读取数据和设置参数完成远程自动抄表。

1  电度计量部分及其实现过程

所研制的多相多功能电度表, 最大限度地利用电能计量芯片ADE7753 所能提供的功能，其电度计量精度已达到3%以下，并很好地完成了通信功能，可测量3路0～1 000 V交流电压信号和12路0～5A交流电流信号，并输出3路电压和12路电流值及6组电度值。

ADE7753是美国ADI 公司生产的系列带SPI口的单相多功能电能计量芯片之一, 它通过串行接口与微处理器通信，接受微处理器的控制，实现电度计量，并且具有测量精度高、功能多样、接口简单等优点，为电能表生产厂家设计低成本高精度电能表提供了可能。

1.1  ADE7753内部结构

ADE7753是一款功能先进的数字电能表芯片，集成了二阶、一个数字积分器∑―△ADC、一个参考电压源和一个温度传感器，可以分别计算电压、电流有效值（RMS），测量有功、无功和视在电能。同时可以对电压、电流、功率进行实时采样，以便于对电压、电流、功率的波形分析。ADE7753是一种带串行接口和脉冲输出的高精度有功与视在电能计量集成电路， 实际上它是一个电能计量的片上系统(SoC)芯片。

其内部结构与基本工作原理框图如图1所示，共有20个管脚。

ADE7753内部共有42个用于与外部进行数据交换的寄存器, 有的只能读, 有的既能读又能写; 有的数据长度只有6 位, 有的长度为24位; 用于存储测量数据, 或用于完成芯片的设定, 以及用于指示芯片的工作状态。

1.2  电度计量实现过程

在本文所设计的远程电度表中，输入的3路待测电压信号采用电阻分压的形式，与12路经过高精度微型电流互感器CT后的电流信号，经由两个8选1的模拟开关组成的16选1的模拟开关选择后，以电流的形式输入到ADE7753的V1P脚。在ADE7753内部信号经信号放大PGA1和数模变换ADC转换为对应的数字信号, 然后经数字高通滤波器HPF滤除DC分量,得到电流和电压有效值。ADE7753具有一个内置的SPI接口，它与SEP3203的串行接口由SCLK、DIN、DOUT和CS 4个信号来完成,可用于电能计算的电流和电压有效值的传输；通过微处理器SEP3203对数据进行处理；把SEP3203处理后的数据由串口经光耦组完成与RS485接口芯片75LBC184之间的传输；然后由RS485接口完成与计算机的通信，以支持现场调试和监控功能。

电能表工作原理框图如图2所示。

2  基于RS485接口的电能计量数据采集

本电能表的电压有效值、电流有效值和有功功率值，均需通过上位计算机从被测电能表的RS485口读出，以便达到实时监控的目的。SEP3203微处理器集成了串行通信接口，通过RS485接口驱动芯片就可以构成总线型通信网络，把多台单片机系统连接成一个分布式数据采集和控制系统。其通信网络结构图如图3所示。

采集终端通过每块表与采集终端之间的专用导线接收电能表电能数据，按一定规约打包后，再将数据经专线传给集中器加工储存，然后由集中器传输给主机。

2.1  RS485接口芯片75LBC184

在该设计中，使用TI公司的RS485接口芯片75LBC184, 它使用单一电源，电压在3～5.5 V范围内都能正常工作，能完成TTL与RS485之间的转换。该芯片与普通的RS485收发器相比，有一个显著的特点，那就是片内有高能量瞬变干扰保护装置，可以承受峰值为400 W(典型值)的过压瞬变，故它能显著提高防止雷电损坏器件的可靠性,并且能承受高达8 kV的静电放电冲击，对一些环境比较恶劣的现场，可直接与传输线相接而不需要任何外加保护元件。

该芯片还有一个独特的设计，当输入端开路时，其输出为高电平，这样可保证接收器输入端电缆有开路故障时，不影响系统的正常工作。另外，它的输入阻抗为RS485 标准输入阻抗的2倍(≥24 kΩ)，故可以在总线上连接64个收发器。

在该设计中， 经SEP3203处理的信号经过75LBC184与外围电路形成的RS232/RS485电平转换器电路，然后传到远方的PC 机进行实时监控。在该电路中，使用了1片光电耦合器TLP521和2片光电耦合器4N25进行隔离，使得微处理器与SN75LBC184之间完全没有了电的联系，提高了工作的可靠性。

在输出电路设计上，除了考虑到75LBC184的驱动器设计为限斜率方式输出，且能抗雷电及静电放电的冲击，具有较强的抗干扰和抗过压能力外，还设置了信号限幅二极管VD， 其稳压值取7 V，进一步提高抗过压的能力。此外，为防止系统中某一节点的RS－485芯片被击穿短路时影响其他节点的通信，在75LBC184的信号输出端串联了2 个20 Ω的电阻R1和R2；考虑到双绞线的特性阻抗为120 Ω左右，在RS485 网络传输线的始端和终端各接1个120 Ω的匹配电阻，以减少线路上传输信号的反射；在RS485 电路的A、B 两输出端加接上拉电阻R4和下拉电阻R5，使A端电位始终高于B端电位，RXD 的电平在总线不发送期间始终呈现高电平，保证SEP3203微处理器不会被误中断。

75LBC184输出电路设计如图4所示。

2.2  光电隔离 

在某些工业控制领域，由于现场情况十分复杂，各个节点之间存在很高的共模电压。虽然RS485接口采用的是差分传输方式，具有一定的抗共模干扰的能力，但当共模电压超过RS485接收器的极限接收电压，即大于+12 V或小于－7 V时，接收器就再也无法正常工作了，严重时甚至会烧毁芯片和仪器设备。 

解决此类问题的方法是通过DC-DC电源模块将系统电源与RS485收发器的电源隔离；通过光耦将信号隔离，彻底消除共模电压的影响。

本文介绍的多功能电能计量系统成本低、精度高、功能强、可靠性好, 适用于各企事业单位的用电计量与监控。本系统实现了电能计量的远程传输，速度快，大大提高了工作效率，并且维护简单、成本低，具有良好的市场前景。

参考文献

[1] ADE7753 DataSheet[Z]. http://www.analog.com.2004.

[2] AN559.PDF[Z].http://www.analog.com.1996.

[3] 潘长东,陶永法,张迎春.IC 卡式多用户电能表的现状分析与改进[J].电测与仪表, 2006(1):22-24.

[4] 韩丽红. 多功能电能表RS485通信接口常见问题分析[J].西北电力技术， 2005(5):41-43.