摘要：介紹了高精度電能計量芯片ATT7022的主要功能、性能比較、內部結構、接口方式及校表方法等，同時對ATT7022在電能配電監(jiān)控終端的應用作了簡要闡述。

    關鍵詞：SPI總線 ATT7022 電能計量 W77E58 配電監(jiān)控終端

1 概述

ATT7022是珠海炬力集成電路設計有限公司生產的一款高精度三相電能計量芯片，該芯片對有功、無功功率的測量精度分別達到0.2s和0.5s，所能測量的電參數包括有功、無功、視在功率、雙向有功和四角限無功電能；電壓和電流有效值；相位、頻率等。ATT7022具有計量參數齊全、校表功率完善等優(yōu)點，簡化了軟件設計，縮短了軟件開發(fā)周期。特別是AT7022可支持全數字校表，即軟件校表。軟件校表可提高校表精度、簡化硬件設計、降低設計成本，為三相多功能計量裝置提供了功能更加齊全、設計更加簡單的應用方案。表1和表2分別給出了三大計量芯片生產商的三相電能計量芯片計量參數校表參數的比較。

表1 三相電能計量芯片的主要電能測量參數比較

注：“√”表示支持，“×”表示不支持，“—”表示無此參數

表2 三相電能計量芯片的主要校表參數比較

　　注：“√”表示支持，“×”表示不支持，“1”表示合相時的參數，“2”表示該芯片不支持軟件校表

2 引腳功能

ATT7022的引腳排列如圖1所示，它采用44引腳QFP封裝，面積僅有10mm×10mm，功耗僅為100～200mW，各引腳功能如下：

·V1P/V1N，V3P/V3N，V5P/V5N：模擬電流信號輸入；

·V2P/V2N，V4P/V4N，V6P/V6N：模擬電壓信號輸入；

·REEOUT、REFCAP：基準電壓輸出；

·RESET：復位輸入端；

·SIG：寫操作成功握手信號輸出；

·SEL：接線方式選擇輸入端；

·CF1/CF2：有功/無功電能脈沖輸出；

·CS：SPI讀/寫片選信號；

·SCLK：SPI串行時鐘輸入；

    ·DIN/DOUT：SPI串行數據輸入/輸出；

·Revp：當系統(tǒng)檢測到任意相的有功功率為負時，該端輸出高電平；各相有功功率均為正時，該端輸出低電平；

·OSCI/OSCO：系統(tǒng)晶振輸入端/輸出端；

·Vcc/Avcc:數字電源/模擬電源；

·GND/AGND：數字地/模擬地。

3 工作原理

3．1 AT7022電能計量芯片的內部結構

AT7022內部包括時鐘控制電路、模擬信號采樣、參考電壓、DSP、脈沖生成器、SPI通訊接口和電源管理七大部分，其內部原理框圖如圖2所示。

    3．2 ATT7022的工作原理

ATT7022首先通過6通道16位∑-Δ的ADC模數轉換電路來對輸入電流和電壓信號進行采樣，轉換后的數字量再經過24位DSP數字信號處理以完成全部三相電能參數的運算，同時將結果保存在相應的寄存器中并通過SPI口與MCU進行數據交換，DSP模塊同時還生成有功/無功電能脈沖輸出CF1/CF2，可用于現(xiàn)場校表。ATT7022在設計中已考慮到校表的方便性，采用全數字校表，只需適當修改校表寄存器即可實現(xiàn)校表功能。

3．3 串行SPI接口

ATT7022提供有標準的SPI接口，可與帶SPI口的MCU直接連接，也可用適當的I/O口線仿真SPI總線，其仿真讀寫程序很容易實現(xiàn)。

ATT7022的一個數據傳輸總線從向SPI接口的DIN端送入8位命令字開始的，當命令中包括一個寫入命令時，在其后的24個SCLK周期內，串口將持續(xù)從DIN端讀入24位串行數據。當發(fā)出一個讀取命令時，串口將根據發(fā)出的命令來進行尋址，然后在其后的24個連續(xù)的SCLK周期從DOUT引腳上串行輸出寄存器內容。數據的傳輸總是MSB在前，LSB在后。讀寄存器時，SCLK為高，數據在DOUT引腳上有效。而在寫寄存器時，數據則在SCLK的下降沿從DIN引腳讀入，這一點在仿真SPI讀寫操作子程序時應引起注意，否則讀寫寄存器將出錯。

ATT7022的讀寫時序見圖3所示。

3．4 寄存器配置及校表方法

ATT7022的寄存器分為計量參數和校表參數兩部分。器件中的計量參數寄存器多達82個，它們的地址在01H～6FH中不連續(xù)分布，未使用部分可留給以后擴展。計量參量的計算全部由硬件完成，用戶只需進行單位換算就可得到測量值。

圖4

    校表參數寄存器包括相位補償設置、功率增益、相位校正、電壓/電流校正、比差補償設置、啟動電流、高頻脈沖輸出設置、斷相閾值電壓設置和合相能量累加模式等36個寄存器，它們的地址不連續(xù)地分布在01H～2AH，也考慮了以后的擴展。應當說明的是，兩個寄存器的地址有重疊部分，但它們的物理位置是分開的，可以通過讀寫命令來區(qū)分。寄存器描述及讀寫操作命令字等見參考文獻。

校表是電能表設計中非常重要的環(huán)節(jié)，ATT7022上電復位后，校表寄存器的初始數據為默認值，此時讀出的計量參數值和實際參數值不符，因而需要對校表寄存器進行設置，以將測量值減小到誤差范圍之內。校表可按高頻輸出參數設置、比差補償區(qū)域設置、角差補償區(qū)域設置、功率增益校正、相位校正、啟動電流設置、功率增益校正、參量累加模式設置、電壓校正、電流校正的先后順序進行。現(xiàn)以電壓增益的校準為例簡要說明AT7022的校表方法，其它參數校準請參照參考文獻。

電壓增益校正UgainA、UgainB、UgainC:在ATT7022初始化時，Ugain為0，標準表上讀出的電壓有效值為Ur，通過SPI口讀出的測量電壓有效值寄存器的值為Datau。此時，如實際電壓有效值Ur，測量電壓有效值為Urms=DataU×2 10/2 23，由于：

Ugain=(Ur/Urms)-1

因此，如果（Ugain≥0）,則Ugain=INT[Ugain×2 23]

否則Ugain<0,則Ugain=INT[2 24+Ugain×2 23],

式中，INT表示取結果的整數部分。

4 ATT7022在配電監(jiān)測終端的應用

ATT7022能夠提供的計量參數除瞬時有功功率、無功功率、視在功率、有功電能、無功電能、功率因數、相位、電壓有效值、電流有效值、瞬時合相電流值、線電壓頻率值、四象限無功、正向和反向有功電能外，還包括缺相、相序錯誤和反向有功指示等狀態(tài)信息，非常適用于配電終端監(jiān)測的設計。計量部分的典型電路簡圖如圖4所示。

目前我國在用電量一直處于遞增趨勢，然而拖欠電纜的違章用電時有存在，這不但不利于電力部門的管理，而且影響了其它部門的正常用電。

    針對電力管理需求，筆者設計了一種由ATT7022構成的配電監(jiān)控終端系統(tǒng)，如圖5所示，該系統(tǒng)包括電能計量和配電監(jiān)控兩部分。其中電能計量部分利用ATT7022芯片來實現(xiàn)對大用戶電能參數的精確采樣，相當于一塊高精度電能表；配電監(jiān)控部分則通過RS485總線對被監(jiān)控電能表（用戶標準表）電能參數進行實時采集，并通過終端內部的軟件分析模塊分析出兩部分數據的一致性和報警標志，從而確定了是否存在違章用電情況。配電監(jiān)控還可通過GPRS/GSM模塊與電力部門的上位機進行實時通訊，從而實現(xiàn)用電遠程配置和在線管理。在緊急情況下還可以通過遙控拉閘/合閘來保證用安全。

ATT7022的電壓輸入范圍0V～1V（有效值），因此，筆者選用的電流互感器規(guī)格為1.5(6)A/5mA，精度是0.05級，負載阻抗為20Ω，電壓互感器規(guī)格選擇100V/0.5V。這樣在額定電流、輸入額定電壓時，其電流、電壓差動輸入電壓的有效值分別為0.1V和0.5V左右，可滿足ATT7022的要求。

5 結束語

配電監(jiān)控終端可對用電大戶進行用電管理，通過對大用戶的用電情況進行綜合分析來確定電網的運行情況，從而實施功控、電控、時控和遙控等多方位控制，防止用戶違章用電，實現(xiàn)用電管理自動化，提高電網供電效率。