基于ADE7878的多路电量检测系统设计

田子飞

（开滦东欢坨矿业分公司 河北 唐山 064002）

随着社会用电容量的扩大，通过适时检测用电信息，实现配电自动化和管理自动化，迫切需要电量检测及配送向高精度，多功能，智能化方向发展。传统设备在进行多路电量参数监测时，往往采用多个电量监测仪器的方法，区分检测主回路和支路电量参数，系统复杂，成本高。因此，研制一种可以进行多路电量检测系统是十分必要的。为此，三相数字电表是通过使用嵌入式系统，将采样、DSP、ARM等技术集成在一起，实现复费率、多种参数的测量显示、接口丰富、易于扩展的数字电表。文中基于ADE7878芯片设计了一种数控电量检测系统，其可测量1路电压，4路电流，4路功率，1路电能，检测精度均可达1%，并给出了系统的软硬件设计，该设计已在相关产品的研制中得到了应用。同时此设计方法也为相关产品的开发奠定了基础。

1ADE7878简介

ADE7878是一款高精度、三相电能测量IC。ADE7878适合测量各种三线、四线的三相配置有功、无功和视在功率，例如Y形或三角形等。各相均具有系统校准功能，即有效值失调校正、相位校准和增益校准。CF1、CF2和CF3逻辑输出可提供许多功率信息：总/基波有功/无功功率、总视在功率或电流有效值和。

ADE7878具有波形采样寄存器，允许访问所有ADC输出。该器件还提供电能质量测量，例如：短时低压或高压检测、短时高电流变化、线路电压周期测量以及相位电压与电流之间的角度等。利用两个串行接口SPI和I2C，可以与ADE7878通信，同时专用高速接口、高速数据采集（HSDC）端口可以与I2C配合使用，以访问ADC输出和实时功率信息。该器件还有两个中断请求引脚/IRQ0和/IRQ1，用来指示一个使能的中断事件已经发生[1]。

2 电量检测系统设计

2.1 系统设计原理

整个检测系统由LPC2132控制及数据存储模块、信号调理和采集模块、多路信号切换模块和通讯模块组成。我们采用LPC2132控制芯片实现电量检测系统的各项功能。交流电压和电流信号，经过信号调理电路，经过4052多路信号切换电路，输出ADE7878采样范围内的信号，ADE7878将模拟量信号转换为数字量，LPC2132芯片通过I2C通信接口，获取ADE7878的数据，同时LPC2132适时切换4052多路开关，切换各个支路电流信号输出到ADE7878芯片。检测系统配有EEPROM掉电存储单元，可以将ADE7878的校表参数及电能数据存储。通讯模块通过RS485通信接口，可以与计算机进行数据通信，上传采集到的数据信息。电量检测系统实现原理如图1所示。

2.2 系统硬件设计

图1 电量检测系统原理图Fig.1 Diagram of power detection system

硬件系统设计主要分信号调理和采集模块、多路信号切换模块、MCU控制及数据存储模块和通信模块3部分。

2.2.1 信号调理和采集模块

电压采样采用电阻分压的方式实现，用大电阻及小电阻串联[2]，采样小电阻两端电压信号，这样输出端VA（VB，VC）输出一个范围在0～500 mV之间的模拟电压。该模拟电压信号输入到ADE7878中。信号调理和采集电路原理图，如图2所示。

图2 信号调理和采集电路原理图Fig.2 Circuit diagram of signal disposal and acquisition

电压采样电路计算公式及电压系数如式（1）、（2）所示。

电流采样的传感器采用电流互感器，一次侧直接为实际测量线路，其二次侧输出为电流信号（具体输出电流大小根据需要而定），故电流采样采用串联电阻的方式实现，采用两个电阻串联实现，这样可得到一个范围在0～500 mV之间的交流电压信号。该模拟电压信号输入到ADE7878中。电流采样电路计算及电流系数计算公式如式（3）、（4）所示。

在进行多路电量信号采集时，需要通过适时切换4052接入ADE7878芯片的模拟信号。实际电路中由于选用电阻本身的误差和输入失调、温漂等问题的存在，上述计算公式零位和线性系数会稍有偏差，可以通过标定得到准确的系数和零位。

2.2.2 MCU控制系统的设计

为了提高采集系统的可靠性，选用基于32位ARM7内核的LPC2132芯片作为主处理器及外部的复位电路实现可靠复位。这样使用一个小的、廉价的处理器核就可实现很高的指令吞吐量和实时的中断响应。MCU控制系统电路原理图，如图3所示。

图3 MCU控制系统电路原理图Fig.3 Circuit diagram of MCU control system

为了使系统能够正确复位，在此系统中，使用专用复位芯片CAT1025复位。CAT1025集成了系统电源监视电路。当系统电压高于设定电压时，延时200 ms启动系统，这使系统在上电时的复位时间大于LPC2132芯片所需要的复位时间，使系统正常复位[3]。

2.2.3 多路信号切换模块的设计

本系统，采用一个电能芯片可采集4路的电流，功率或单路电流，功率，电能数据，其实现多路电流检测的关键是通过CD4052/CC4052切换各路电流信号接入ADE7878芯片。

CD4052/CC4052是一个差分4通道数字控制模拟开关，有A、B 2个二进制控制输入端和INH输入，具有低导通阻抗和很低的截止漏电流。这些开关电路在整个电源范围内具有极低的静态功耗，与控制信号的逻辑状态无关。二位二进制输入信号选通4对通道中的一通道，可连接该输入至输出[4]。其典型应用原理如图4所示。

图4 CD4052的典型应用图Fig.4 CD4052 typical application diagram

在采集多路电流时，LPC2132通过CD4052控制端控制各支路信号接入ADE7878采样管脚，由于ADE7878芯片内部有DSP算法原理，存在数据建立时间问题，故检测各支路电流信号的接入时间不要太短，否则正确数据没有运算完成，数据误差较大。为了防止CD4052控制信号线干扰现象发生，将控制信号线接上拉电阻，这样对切换过程影响小，工作可靠。

2.2.4 通信模块的设计

LPC2132芯片串行通信接口采用的是TTL电平，它不能直接与PC机标准串行通信接口连接通信，必须设计TTL电平到RS485协议电平信号的转换电路。

MAX485是一种把TTL电平转换为RS485电平的芯片。RS485总线标准采用平衡发送和差分接收的方式进行数据通讯，利用信号线A、B间的电压差传输数据，属于两线制的信号传输方式。RS-485总线用于多点互联时非常方便，可以省掉许多信号线，应用RS-485可以互联构成分布式系统，允许最多并联32台驱动器和32台接收器，但对同一信号线上同一时刻只允许一个驱动器工作[5]。

2.3 系统软件设计

本系统中，单片机程序由3个模块组成，分别是初始化模块，串口通信模块及ADE7878通信及控制模块。

系统复位后，单片机先进行各参数（如串口通信波特率[7-8]）初始化设置，并从EEPROM芯片读取ADE7878校准参数及存储的电能参数，将校准参数写入ADE7878芯片，实现电量参数的准确检测。继而间隔固定时间，适时操作4052开关电路，切换采集各路电量数据，并读取ADE7878采集的各路电量参数，及时将电能参数存储到EEPROM芯片，并适时清看门狗。如果有正确通信事件发生，则将采集到的电量数据经RS485通信接口上传数据。程序控制流程如图5所示。

图5 程序流程图Fig.5 SCM process flow diagram

3 结 论

本系统采用的电路，用一个电能计量芯片即可实现多路电量数据的采集工作，并且在各电量数据额定采样范围内，精度均可达1%，电路简单，应用灵活、精度高、成本低廉。系统各项技术指标均达到了设计要求，工作可靠，并已投入使用，有较高的使用价值，对过程监控、数据采集等系统的开发具有借鉴意义。

[1]ADE7878.ADI Instruments DataBook[EB/OL].（2009）.http://www.analog.com/zh/analog-to-digital-converters/energy-measurement/ade7878/products/product.html.

[2]秦曾煌.电工学[M].北京:高等教育出版社，2004.

[3]刘高峰.基于ARM的电网参数综合监测仪的研制[D].西安:西安科技大学，2009.

[4]CD4052.Fairchild Instruments Data Book[EB/OL].（2000）.http://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/50866/FAIRC HILD/CD4052.html.

[5]孙洪婷.基于FFT和小波变换的电能质量实时监测仪的研制[D].西安:西安科技大学，2009.

[6]黎洪生.基于ARM技术的三相数字电表设计[J].计算机技术与发展，2007，17（10）：192-194.LI Hong-sheng.Design on three-phase digital electric instrument based on ARM technology[J].Computer Technology and Development，2007，17（10）：192-194.

[7]曹赛男，刘方.波特率连续可调的串口通信技术[J].电子科技，2011（12）：53-55.CAO Sai-nan，LIU Fang. Research on the serial communication technology for the continuously adjustable band rate[J].Electronic Science and Technology，2011（12）：53-55.

[8]蔡德胜，方寿海.一种高可靠性的计算机与FPGA串行通信的实现[J].现代电子技术，2011（19）：84-86.CAI De-sheng，FANG Shou-hai.Implementation between high reliable computer and FPGA serial communication[J].Modern Electronics Technique，2011（19）：84-86.