基于ATT7022B多功能电能表的硬件设计

孙艳琴

摘 要：电能表作为计量电能大小的仪表，本设计硬件电路主要部分采用高精度计量芯片ATT7022B与微控制器MSP430F149为基础平台，此外还包括 RS485通信电路、存储电路、电源电路等，实现了硬件整体构建。

关键词：计量芯片；电能表；ATT7022B；硬件

随着国内外研究电能计量和数据通信的理论趋于成熟，传统电表已经不能满足人类的需要，短短几百年来电能表经历了巨大的改变，国内外已经把研究的重心聚焦在智能电网中多功能电能表的现代化和智能化技术。通过调研总结国内不同厂家的高压计量产品，主要有4种计量方式。（1）传统电磁式互感器和电子式电能表的计量方式。（2）使用弱输出式互感器配合电子式电能表的计量方式。（3）使用电子式互感器替代电磁式互感器，配合电子式电能表。（4）传感器式高压电能计量装置，基于专业电能计量芯片，将计量电路与信号传感部分有机结合制造的一体式高压计量装置。第一种中间环节多，功耗大，铁芯，铜材耗费多，体积重量比较大，研制难度低，配套容易。第二种和第三种一体化程度不高。第四种该型结构紧凑，一体化程度高，无配套电能表配合的问题，高压电能表具有唯一的计量整体准确度，不需传统的综合误差推导计算，能综合比对传统计量装置中互感器、二次导线和电能表的总体计量准确性，研制难度较高[1]。本方案采用电能参数专用计量芯片ATT7022B，以及单片机MSP430F149，研制数字式高精度电能表。

1 系统测量原理

ATT7022B采用QFP44封装，内部集成了多个适于电信号采集、变换，能对电能、电功率、电流有效值、电压有效值、功率因数、频率等参数进行精确计算。采样信号由电流信道和电压信道进入，经过AD转换之后送到数字信号处理模块中，数字信号处理模块对采集来的数据进行运算处理之后，可以得到全波、基波和谐波的有功、无功、视在功率，有功、无功能量，电流、电压有效值，频率、功率因数、相角等参数[2-3]。

1.1 电压有效值测量

如图1所示，通过对电压采样值进行平方、开方以及数字滤波等一系列运算得到。电压通道输入10～1 000 MV的信号时电流有效值的误差小于0.5%。

1.2 电流有效值测量

如图2所示，通过对电流采样值进行平方、开方以及数字滤波等一系列运算得到。电流通道输入2～1 000 MV的信号时电流有效值的误差小于0.5%。

1.3 有功功率测量

如图3所示，各相的有功功率是通过对去直流分量后的电流、电压信号进行乘法、加法、数字滤波等一系列数字信号处理后得到的。电流电压采样数据中包含高达21次的谐波信息，所以依据公式 计算得到的有功功率也至少包含21次谐波信息。有功功率的测量原理图如图3所示，合相有功功率Pt=Pa+Pb+Pc。

1.4 无功功率测量

如图4所示，根据真无功功率（正弦式无功功率）定义公式无功功率Q=ΣU（n）I（n）sin（θ），无功功率计量算法与有功类似，只是电压信号采用移相90度之后的。测量带宽主要受到数字移相滤波器的带宽限制，ATT7022B无功功率的测量带宽也可高达21次谐波。

2 总体设计方案

本设计方案主要由以下几部分组成：电流变换电路、电压变换电路、计量芯片、MCU、接口部分、电源部分等，如图5所示。通过电压互感器和电流互感器对三相交流电电压和电流进行采样，其作用类似于变压器，把高电压大电流转化为小电压小电流，然后输入至电能计量芯片ATT7022B。ATT7022B与MSP430F149进行SPI通信[4]。总体硬件电路设计方案如图5所示。

本次设计采用Altium Designer软件，是在国内外享有盛名的一款PCB辅助设计软件。它集成PCB设计系统、电能仿真系統、FPGA设计系统于一体，可以实现从芯片级到PCB级的全套电路设计，原理图的绘制和PCB的布板均使用此软件完成，制作的三相三线的电路硬件实物[5]，硬件实物如图6所示。

3 结语

电能表以ATT7022B芯片作为专业计量芯片用来对电压、电流采样，MSP430F149单片机主要对存储电路、通信电路、校正电路等进行处理。主要功能是实时测量电流、电压、有功功率、无功功率等电能参数。该电能表集众多传统电表优点于一身，具备高精度、多功能、长寿命、误差补偿、抗干扰、体积小等一系列特点。

[参考文献]

[1]任宝宏，徐科军.MSP30单片机原理与应用[M].北京：电子工业出版社，2014.

[2]邓阳.高精度数字式电能表的研制[D].大连：大连理工大学，2010.

[3]卢瑛.基于MSP430电能表的设计研究与应用[D].杭州：浙江大学，2010.

[4]施喜平，王桂兰.智能电表的应用现状及其展望[J].长江工程职业技术学院学报，2014（3）：17-18.

[5]张佑春，潘晓君.采用ATT7022B与PIC16F877的电能计量研究[J].兰州工业学院学报，2017（3）：67-71.