摘 要：本文介紹了采用三相電能計(jì)量芯片SA9904B構(gòu)成的測(cè)量電路，它通過(guò)SPI和微控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。針對(duì)電能量自動(dòng)化采集過(guò)程中遇到的軟硬件問(wèn)題，提出了相應(yīng)的解決方法，保證了整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定工作。
關(guān)鍵詞：SA9904B；ADC；LM393

隨著電力工業(yè)的發(fā)展，對(duì)電能量采集系統(tǒng)的功能要求越來(lái)越多，如正反向記量、分時(shí)計(jì)費(fèi)、需量記錄、欠壓斷相記錄、電壓、電流、功率以及功率因數(shù)測(cè)量、負(fù)荷曲線(xiàn)記錄、竊電狀態(tài)記錄和電量追補(bǔ)等等。各種功能的實(shí)現(xiàn)離不開(kāi)對(duì)電壓，電能及頻率的準(zhǔn)確測(cè)量。本文介紹的電能計(jì)量電路可以提供及時(shí)、可靠的電能信息，滿(mǎn)足電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化的需要。

SA9904B簡(jiǎn)介
SA9904B 是SAMES公司推出的一款三相雙向能量/功率計(jì)量芯片。微控制器通過(guò)SPI訪(fǎng)問(wèn)SA9904B內(nèi)部的24位寄存器可以測(cè)量有功和無(wú)功能量，以及各分相有效電壓和頻率。在滿(mǎn)負(fù)荷的工作條件下，SA9904B的有功能量寄存器和無(wú)功能量寄存器至少可以存儲(chǔ)26s的數(shù)據(jù)。
SA9904B采用過(guò)采樣和電流傳感器技術(shù)，可以滿(mǎn)足電力調(diào)配系統(tǒng)、居民區(qū)和工廠電能測(cè)量和控制的需要。
電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)
電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)、信息處理以及通信技術(shù)，為變電所無(wú)人值班提供強(qiáng)有力的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控支持。
系統(tǒng)由電能量采集模塊、有線(xiàn)及無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)通信模塊、紅外數(shù)據(jù)校準(zhǔn)模塊、Flash數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊和無(wú)功補(bǔ)償模塊組成。各模塊的功能如下：電能量采集模塊主要負(fù)責(zé)有功能量和無(wú)功能量的測(cè)量、各分相的電壓有效值及頻率的測(cè)量，以及電網(wǎng)缺相狀況顯示；有線(xiàn)及無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)通信模塊主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的上傳及遠(yuǎn)程遙控；紅外數(shù)據(jù)校準(zhǔn)模塊主要負(fù)責(zé)計(jì)量模塊參數(shù)的校正及系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置；Flash數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊主要負(fù)責(zé)掉電時(shí)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的保護(hù)；無(wú)功補(bǔ)償模塊主要負(fù)責(zé)改變整個(gè)電網(wǎng)的無(wú)功分布。

電能量采集模塊
本文主要討論電能量采集模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。電路如圖1所示，該電路以SA9904B為，主要的外圍元器件包括電壓傳感器、電流傳感器等。外圍電阻的大小由模擬輸入電流的大小來(lái)決定。當(dāng)電路工作在額定工作狀態(tài)時(shí)，電流傳感器應(yīng)該輸入ADC的電流大小為16mA。R121~R124和R119的值一樣。同樣，在額定工作狀態(tài)下，由電壓傳感器輸入ADC的電流大小為14mA，這樣可以確定電阻R116~R118的大小。R116=I×R111/14。I表示流經(jīng)電阻R111電流的有效值。R117，R118和R116的值一樣，實(shí)際取值為39kW。電壓傳感器和電流傳感器分別采用WBV513S0和WB21413S0。R120取47kW，為SA9904B提供參考電壓。
由于SA9904B和微控制器C8051F020的邏輯電平不一致，所以使用LM393進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。使-2.5V~+2.5V和0V~3V互相轉(zhuǎn)換，電路如圖2所示。
LM393既可以采用單電源，也可以采用雙電源。其工作電壓范圍為2~36V。
在圖2中，左邊部分采用±2.5V雙電源。電阻R3，R4組成分壓電路，當(dāng)從同相端輸入3.3V電壓時(shí)，由于同相輸入端的電平比反相輸入端的電平高，所以比較器輸出高電平+2.5V。當(dāng)從同相端輸入0V電壓時(shí)，由R3，R4組成的偏壓電路保證反相輸入端的電平為正，所以比較器輸出為-2.5V。右邊部分采用3.3V電源,反相端接地，當(dāng)同相端輸入+2.5V電壓時(shí)，此時(shí)同相端的電壓比反相端高，比較器輸出高電平3.3V，當(dāng)同相端輸入-2.5V的電壓時(shí)，同相端的電壓比反相端低，比較器輸出電平為0V。圖中的二極管起分流作用。

硬件與軟件設(shè)計(jì)
在設(shè)計(jì)硬件電路時(shí)，必須考慮電源抑制能力。由于SA9904B采用±2.5V電源，而且輸入信號(hào)的自流偏置電壓為0V，所以PCB板上的模擬地和數(shù)字地要分開(kāi)。當(dāng)設(shè)計(jì)塊PCB板時(shí)，由于沒(méi)有把地線(xiàn)布好，電源的紋波較大，導(dǎo)致測(cè)量的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。在電壓輸入信號(hào)通道和電流輸入信號(hào)通道存在相位差，可以在電壓輸入通道中加上補(bǔ)償電容?？筛鶕?jù)以下公式來(lái)確定電容的大?。篊=1/(2*3.14*50*R*tan (0.18degrees))。測(cè)量功率值的準(zhǔn)確性可以得到明顯的提高。
在SA9904B和MCU的通信過(guò)程中，有時(shí)會(huì)發(fā)生“失步”現(xiàn)象。通過(guò)示波器觀察，發(fā)現(xiàn)SA9904B的SPI時(shí)序工作在模式2，當(dāng)SPI處于空暇時(shí)，SCK為高電平。在SA9904B被選中時(shí)，MCU送給SA9904B的指令在SCK的上升沿被采樣。等到指令被SA9904B接收到以后(即指令的位在SCK的上升沿被采樣)，開(kāi)始輸出數(shù)據(jù)，同時(shí)MCU開(kāi)始接收數(shù)據(jù)。從SA9904B接收到指令，再到送出測(cè)量值，分別對(duì)應(yīng)SCK的上升沿和下個(gè)周期的下降沿，即相差一個(gè)半周期。但在數(shù)據(jù)的通信過(guò)程中，出現(xiàn)了SA9904B輸出的測(cè)量值滯后一個(gè)周期的情況。
為了解決SPI數(shù)據(jù)傳輸存在的上述問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了印制電路板。但在測(cè)試過(guò)程仍然存在少量的誤碼，達(dá)不到系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求。用軟件則可以解決這個(gè)問(wèn)題。SA9904B的頻率寄存器一共有24位，其中的10~17為保留位。在正常工作情況下，這8位應(yīng)該為0?？梢圆捎脭?shù)據(jù)冗余的方法，不管是讀取電能值還是電壓值，每次都把所有的12個(gè)寄存器都讀出來(lái)。并判斷各相電對(duì)應(yīng)的頻率寄存器的10~17位是否為0，若3個(gè)頻率寄存器的10~17位都為0，則該次讀數(shù)有效，否則該組數(shù)據(jù)丟棄。

結(jié)語(yǔ)
MCU采用Cygnal公司的C8051F020，開(kāi)發(fā)環(huán)境為KEIL C7.0版本。采用軟件和硬件結(jié)合的方式，成功地解決了數(shù)據(jù)傳送過(guò)程中出現(xiàn)的“失步”問(wèn)題。該系統(tǒng)已成功應(yīng)用于武漢華駿科技有限公司生產(chǎn)的電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)中，取得了良好的效果。■

參考文獻(xiàn)

  

[1]. SA9904B datasheet http://m.58mhw.cn/datasheet/SA9904B_595716.html.
[2]. LM393 datasheet http://m.58mhw.cn/datasheet/LM393_1059532.html.
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