基于ADE7978/ADE7933芯片组电量变送装置的设计与实现

华 金， 冯 宁(上海船舶运输科学研究所 舰船自动化分所， 上海 200135)

基于ADE7978/ADE7933芯片组电量变送装置的设计与实现

华 金， 冯 宁
(上海船舶运输科学研究所 舰船自动化分所， 上海 200135)

基于ADE7978/ADE7933芯片组电量变送装置设计思路，详细阐述该装置硬件设计和软件设计的实现过程。结合船用三相三线制电量采集试验进行测试验证。数据分析结果表明，该装置运行稳定、可靠,可满足高精度测量要求。

ADE7978芯片； ADE7933芯片； 电量采集

0 引 言

电量变送装置是一种远端采集、存储及传输装置，主要功能为采集三相交流电压、电流及相位角等数据，通过算法计算获取有功功率、视在功率及功率因素等相关电量参数，并以串行通信的形式传输数据信息。

近年来，电能计量领域中的新技术、新工艺不断涌现，新型电能计量芯片不仅精度高，而且其硬件和软件设计简单、性价比高。上海船舶运输科学研究所研制的电量变送装置采用Analog Devices公司的ADE7978/ADE7933专用芯片组的设计思路采集船舶电站的三相交流电压、电流和功率因素等信息，同时获取配电板内断路器和接触器的分合状态，并通过控制器局域网络(Controller Area Network, CAN)现场总线的形式对外传输电量信息。

1 电量变送装置的设计

电量变送装置对外接口主要由交流电压输入接口、交流电流输入接口、开关量输入接口和CAN现场总线通信接口组成。选用NXP公司的Cortex-M3内核LPC1778控制器为核心处理单元，结合Analog Devices公司推出的全隔离计量芯片组ADE7978/ADE7933，通过对外接口采集三相交流电压信号、电流信号和开关量信号，经过内部逻辑运算，最终以CAN现场总线的形式对外传输有功功率、视在功率及功率因数等相关电量信息。

2 硬件设计

电量变送装置选用带DC-DC隔离功能(最大电介质隔离电压为5 kV)的ADC芯片ADE7933，内部具有三通道的∑-Δ数模转换器，可同步采集交流电压和电流。此外,芯片内集成与ADE7978对接而设计的数字串行通信接口。使用该接口，芯片ADE7978可同步获取芯片ADE7933电压、电流采样结果。ADE7978芯片是一款高精度的三相电能计量芯片，具有串行外设接口(Serial Peripheral Interface, SPI)、集成电路总线(Inter-Intergrated Circuit, IIC)和高速数据捕获(High Speed Data Copture, HSDC)灵活的串行接口与CPU进行数据交互，最多可管理4个ADE7933器件接口，实现有功、无功及视在电量测量和有效值计算。CPU将采集来的电量数据通过CAN现场总线上传至上位机显示。电量变送装置原理见图1。

图1 电量变送装置原理框图

2.1 CPU

嵌入式微控制器芯片选用NXP公司Cortex-M3内核的LPC1778控制器，其功能强大、功耗低、成本低廉和效率高，最高速率可达120 MHz。片内集成有Flash存储器、RAM存储器、CAN控制器、SPI控制器、以太网控制器、USB控制器和定时器等丰富的外设组件，无需外接专用芯片即可满足装置的各项功能、性能指标。

2.2 CAN接口

LPC1778控制器芯片内部集成二路CAN控制器，在电路设计上采用新一代高速、带有DC-DC隔离功能(最大电介质隔离电压为2.5 kV)的收发芯片ADM3053即可实现CAN现场总线通信功能，同时芯片隔离系统内外部电源和信号，可有效抑制外部干扰。

中共中央纪律检查委员会和国家监察委员会之所以对高等院校腐败现象进行专项调查处置，就是因为高等院校许多人员不是国家公职人员，但是，他们有非常大的社会和学术影响力，可以利用自己的影响力从事腐败交易活动。中央纪委和国家监察委员会对高等院校的腐败问题进行深入调查，就是要透过高等院校这个特殊的切口，让人们了解影响力腐败的社会危害性。

2.3 数据采集接口

数据采集电路为装置硬件设计的核心部分，主要功能为采集配电板内负载断路器与接触器的模拟量电量信息和开关分合状态。配电板内交流信号属于中压范围，需要互感器进行变比后再接入到装置中，最终模拟量输入参数为交流电压0～100 V，交流电流0～5 A。

ADE7933芯片模拟端输入规定：

1)电压输入端范围|VP-VM|≤500 mV,VP与VM为电压输入引脚电压。

2)电流输入端范围|VP-IM|≤31.25 mV，IP与IM为电流输入引脚电压。

在电压采集硬件设计上采用串联3个100 kΩ和1 kΩ的电阻的分压方式，计算可得电压输入端最大值|VP-VM|=332 mV≤500 mV，满足芯片设计要求。

在电流采集硬件设计上采用电流互感器隔离方式，变比参数为1∶1 000，最终转化为5 mA交流信号，通过串联一个采样电阻，选择4 Ω精密电阻，计算得到电流输入端最大值|IP-IM|=20 mV≤31.25 mV，满足芯片设计要求。

3 软件设计

电量变送装置采用基于时间触发设计模式的软件架构编写，通过核心调度器实现一个最简单的协作式多任务操作系统。系统时钟响应函数(ISR)提供间隔为10 ms的“事件”，核心调度器被“事件”触发后遍历任务块链表，检索到需被调度执行的任务，并根据任务优先级先后执行。

3.1 主程序

主程序的详细软件流程见图2。根据本机拨码开关状态区分是三相三线制、三相四线制还是校准工作模式，并对ADE7978芯片组进行相应配置。初始化系统时钟和核心调度器后，分别创建电量信息采集任务、报文发送任务和报文标定任务等。

图2 主程序详细软件流程图

3.2 电量信息采集任务

电量信息采集任务的主要功能为定时读取ADE7978芯片内部寄存器，如三相电压电流有效值、有功功率值和视在功率值。详细软件流程图见图。

3.3 报文发送任务

报文发送任务的主要功能为根据已知的分压、分流电路设计参数，将读取结果模拟转换器(Analog to Digital Converter, ADC)数据类型换算为实际的三相电压、电流和功率。并结合标定数据有效保证转换精度，最后组装报文发送。详细软件流程见图4。

图3 电量信息采集详细软件流程图

图4 报文发送详细软件流程图

3.4 报文标定任务

报文标定任务的主要功能为从CAN现场总线接口接收上位机软件发送的标定报文，根据Analog Devices公司提供的ADE7978芯片标定技术文档要求进行电压电流增益匹配、电压电流常数确定、电压电流相位校准和有功功率增益校准等步骤。详细软件流程见图5。

图5 报文标定详细软件流程图

4 装置的实现与试验

试验的模拟量信号源选用继电保护测试仪，上位机安装调试软件通过周立功USBCAN-II模块接收电量变送装置上传的采集信息，其界面见图6。

图6 上位机调试软件界面

以船用三相三线制接法为例，装置与继电保护测试仪连线如下。

(1) 电流连接方法：装置外部电流输入接口IA+，IB+，IC+分别连接至继电保护测试仪电流端口A，B，C；IA-，IB-，IC-连接至继电保护测试仪电流端口N。

(2) 电压连接方法：装置外部电压输入接口VA+和VC+分别连接至继电保护测试仪电压端口A及C；VA-和VC-连接至继电保护测试仪电压端口B。

选择继电保护测试仪默认参数，设置相电压均为57.74 V，相位角间隔，转换成线电压均为100.00 V；设置相电流均为5 A，相位角间隔120°，相电流滞后相电压相位角30°。试验数据见表1。

表1 试验数据

当三相对称且φ=30°时，有功功率计算式为

P=U1I1[cos(30°+φ)+U1I1][cos(30°-φ)]=0.75U1I1

(1)

装置测试的功率因数结果与继电保护测试仪转换值基本一致。同时,交流电压、电流和有功功率的测试结果显示采集精度控制在0.5%以内。此外,装置还开展了可靠性考核，在三综合试验箱和常规环境中连续运行1 320 h，无故障报告，功能、性能满足指标要求。

5 结 语

基于ADE7978/ADE7933芯片组的电量变送装置，实现采集交流电压、电流和功率因素等电量参数，并以CAN现场总线通信形式传输数据信息。经过试验测试验证，该装置运行稳定可靠、误差较小，满足高精度测量要求。

[1] Analog Devices. Date Sheet of ADE7978/ADE7933/ADE7932[EB/OL]. (2013-03-15).http://www.analog.com.

[2] Analog Devices. Calibrating the ADE7978 and ADE7933/ADE7932 Isolated Metering Chipset[EB/OL].[2013-11-13].http://www.analog.com/media/cn/technical-document-ation/user-guides/UG572.pdf.

[3] Michael J Pont. Patterns of Time-Triggered Embedded Systems[M].USA: Addison-Wesley Professional,2001.

Design and Implementation of Electric Transdusor with ADE7978/ADE7933 Chip Set

HUAJin,FENGNing
(Ship Automation Branch, Shanghai Ship & Shipping Research Institute， Shanghai 200135， China)

This paper focuses on the design of the electric transducer based on ADE7978/ADE7933 chip set, describing the implementation process of hardware and software design in detail. The tests of the transducer installed in a three-phase three-wire ship system show that the device is stable, accurate and reliable.

ADE7978 IC; ADE7933 IC; electric measure

2016-08-31

华 金(1982—)，男，浙江宁波人，副研究员，硕士，主要从事船舶机舱自动化产品的开发。

1674-5949(2016)04-0040-05

TP212

A