基于ADE7858的交流电源监测模块设计

冯京京 林 洋 宋生壮

(北京航天发射技术研究所，北京 10007)

1 引 言

随着数字技术的快速发展，军用特种车辆向多系统集成、网络化通信、信息化监测、智能化控制等方向发展。其中，各系统的数据监测模块，采集处理各系统的关键状态参数，为上述目标的实现提供最基础、最原始的信息，发挥非常重要的作用。本文主要介绍交流电源参数测量的技术路线选择，基于ADE7858智能计量芯片的交流电源监测模块的系统结构，ADE7858电路的硬件、软件设计、参数校准及整机性能测试情况，采用ADE7858智能计量芯片，极大的简化了模块软硬件设计，同时提高了参数测量精度。

2 交流电源参数测量的技术路线选择

从1890年，弗拉里发明感应式电度表，开始了交流电源参数的测量，至今已有百余年的历史，随着科技的进步，交流电源参数测量技术的发展经历三个主要阶段：[1]

第一阶段：上世纪60年代以前，采用电磁感应原理，设计出来的机械指针式电压表、电流表、频率表及功率表等，其基本组成元件有驱动元件、转动元件、制动元件、轴承、计度器和误差调整装置组成，受原理制约，机械指针式电量测量仪表误差较大；

第二阶段：从上世纪80年代起，大量新型电子元器件的出现，采用模拟电路乘法器，实现了精确测量交流参量，包括电压、电流、功率、电能等，基于模拟量信号变换、传输及电能参数运算，具有工作原理简单、可靠性高、误差稳定的特点，同时初步实现了多参数测量的一体化集成；

第三阶段：本世纪初至今，数字采样及数据处理技术被应用于交流电源参数测量，实现了0.5级、0.2级，甚至0.01级精度的测量，目前数字式智能化电量参数测量仪表已经实现了在电力、工业控制等行业的大规模的商业化应用，具有测量精度高、可靠性好、维修方便、功耗低等特点，结合目前的无线网络、云计算技术，成为未来智能电网电量参数测量技术必然的技术路线选择。[2]

数字式交流电源参数测量技术路线包含两种：一种为采用霍尔元件、隔离运放元件，将电压、电流信号采样进入DSP处理器，利用DSP高速计算能力，采用快速傅里叶变换、小波算法、模糊算法、移相和牛顿算法，准确测量出交流电源的电压和电流参数的有效值和相位，进而计算有功、无功、视在功率及功率因数等，该技术方案电路复杂，软件算法代码多，测量精度难以保证。另一种技术路线采用片上系统(SoC)设计平台，将DSP内核、高精度快速A/D转换器、可编程增益控制电路、电压基准电路以及其他相关外设集成到一片芯片上，形成电量计量专用芯片，其中，比较有代表性的是美国模拟器件公司(ADI公司)开发出体积小巧、动态范围可达1000：1的新型电能测量集成电路ADE7XXX系列芯片，该芯片内嵌高精度的模数转换器和固定模式的数字处理信号处理器(DSP)，具有数字积分、数字滤波和具有众多实用电能监测、计量功能，单片机通过串口总线，即可获得电能参数，具有硬件简单、软件代码少、采样参数多、精度高等特点，正成为新一代高性能全数字电能表的理想芯片。

ADE7858是美国ADI公司针对智能电表、工业电源监控开发的高精度三相电源测量集成芯片，该芯片通过SPI串口与单片机进行通信，通过将三相交流电源的电压、电流信号经采样处理计算，可以得到有功功率、无功功率、视在功率、电压、电流、频率、功率因数、相序等参数，具有精度高、动态范围宽的特点，ADE7858的功能结构如图1所示。

3 交流电源监测模块

交流电源监测模块以Freescale公司生产的MK64系列高速处理器为核心，以ADI公司的三相高精度专用计量芯片ADE7858为计量单元，搭配显示电路、存储电路、通信电路、时钟电路等设计而成，总体结构设计框图如图2所示。目前该模块作为核心部件，应用于某型号工程供电系统发电管理组合上，该产品采用8寸真彩显示屏及轻触开关及PE防水面板设计，具有人机界面友好、操作简便、耐恶劣环境、测量参数准确的特点。

交流电源监控模块主要实现以下功能：

(1)实时显示交流电源的电压、电流、频率、有功功率、功率因数、频率、漏电流、相位角等参数，同时，还可以检测交流电源的相序；

(2)具备市电、机组电源选择功能；

(3)具备交流电源绝缘状态监视功能；

(4)具备多路电源输出控制功能；

(5)设有紧急断电按钮，用于在紧急状况下切断负载供电；

(6)具有过压、欠压、过频、欠频、过流等保护功能，设有手动保护和自动保护两种保护模式，用于在不同状态下实现不同的保护模式。

交流电源监测模块主要性能如下：

图1 ADE7858芯片功能结构图Fig.1 Functional structure diagram of ADE7858 chip

图2 总体结构设计框图Fig.2 Block diagram of overall structure design

(1)供电电源电压：额定电压(直流)24V，电压范围(18～36)V；

(2)交流电压采样：(0～500)V，测量精度：±0.5%；

(3)交流电流采样：(0～300)A，测量精度：±0.5%；

(4)频率采样：(0～60Hz)，测量精度：±0.5%；

(5)供电指示：2路，交流电压范围(220±22)V；

(6)控制接口：3路，直流电压范围(24±1)V，驱动电流小于5A。

4 ADE7858硬件电路设计

4.1 电流采样电路设计

电流采样电路如图3所示。外部采用电流互感器，再通过内部5A:2.5mA互感器，将负载电流信号变成交流电源测量模块可接受的不大于±500mV的差分电压信号，输入到计量芯片的电流采样端。

图3 电流采样电路Fig.3 Current sampling circuit

4.2 电压采样电路设计

电压采样电路如图5所示。外部直接连接交流电源电压采样点，内部采用电压互感器，将负载电压信号变成交流电源测量模块可接受的不大于±500mV的差分电压信号，输入到计量芯片的电压采样端。

图4 电压采样电路Fig.4 Voltage sampling circuit

4.3 ADE7858计量芯片外围电路设计

ADE7858计量芯片外围电路如图5所示。ADE7858芯片将采样来的电压信号和电流信号经过处理计算，得到对应的有功、无功和视在功率、电能、电压、电流、频率、功率因数、相位角等参数，并将相应的数据存储与自身的寄存器内，MCU可通过SPI串行接口对这些数据进行读取和处理。

图5 ADE7858计量芯片外围电路Fig.5 Peripheral circuit of ADE7858 measurement chip

5 ADE7858软件设计

5.1 交流电源测量模块程序设计

交流电源测量模块主要是对ADE7858芯片进行SPI设置、模块初始化、模块启动、寄存器参数读取及数据处理等。MCU从ADE7858芯片读取参数前，首先需要进行SPI通信匹配设置，在本模块中，采用SPI_mode3模式，实现单片机与ADE7858间的通信，SPI配置完成后，MCU要读取ADE7858寄存器的数据，需要向ADE7858发送一个空字节，来引发ADE7858的数据上传。上电初始化时，需要对ADE7858进行配置，配置过程：(1)将PM1引脚设置为低电平，PM0引脚设置为高电平，使ADE7858工作在正常功耗模式；(2)ADE7858复位，复位时间大于100ms；(3)SS引脚由低电平切换至高电平三次，将当前串行口由I2C模式转换为SPI串口模式；(4)初始化电压、电流等参数增益寄存器、数据存储RAM寄存器及其他寄存器(CFMODE除外)；(5)启用写保护；(6)回读所有数据存储RAM寄存器，确认其初始化为所需值。

配置完成后，重新启动芯片，对芯片进行SPI读取，交流电源测量模块的软件流程图如图6所示。

图6 交流电源测量模块软件流程图Fig.6 Software flow diagram of AC power monitoring module

5.2 ADE7858校准程序设计

完成交流电源测量模块的硬件设计后，为保证测量误差在要求的范围内，需要对模块进行校准，根据ADE7858数据手册，用软件调整IDE7858芯片的校准寄存器参数，实现测量参数的校准。校准项目包括电压、电流、功率、相位角等增益、失调校准。校准方法采用精准源法，将被校准的模块与精准源设定值进行比较，调整校准量，校准流程如图7所示。

图7 ADE7858校准程序流程图Fig.7 Flow diagram of ADE7858 calibration program

6 试验测试结果

交流电源测量模块设计完成后，为了检验模块满足性能指标要求和相关功能情况，对性能进行了试验测试，测试使用了标准三相电压、电流源，试验结果如表1所示。从表1可知，各项参数的误差满足发电管理组合产品规定的±0.5%的误差范围要求。

表1 电源参数误差表

Tab.1 Error table of power parameter

7 结束语

综上所述，基于ADE7858电量计量芯片的交流电源模块，实现了交流电源参数数字化测量，硬件电路简单，软件代码少，采样参数多并且测量误差小，可靠性高，性能稳定，可以满足航天产品的应用需求。

[1] 李静,杨以涵,于文斌.电能计量系统发展综述[J].电力系统保护与控制,2009,37(11)：130～134.

[2] 陈霞君,刘少凡,张济韬.现代电能计量系统综述[J].电工电气,2015(2):1～4.