基于CSE7780芯片的國網新標準單相智能電能表設計

1、基于CSE7780芯片的國網新標準單相智能電能表設計關鍵詞：CSE7780, 智能單相電表, 軟件校表, Sigma-Delta, 模數轉換器CSE7780是深圳市芯?？萍加邢薰纠^2007年推出高精度單相有功功率計量芯片CSE7755B實現(xiàn)低成本電表方案，以及2009年推出填補國內數?；旌先嚯娔苡嬃啃酒杖钡娜嚯娔苡嬃啃酒珻SE7752后，又成功推出的能夠測量電壓有效值、電流有效值、平均有功功率等各種電氣參數，且具有防竊電功能的單相多功能計量芯片?；谠撔酒碾姳矸桨竿耆蠂W新標準，從而使得芯?？萍汲蔀槟壳胺蠂W新標準的少數幾個芯片供應商之一

2、。 基于CSE7780設計的智能電能表旨在使設計方案更加合理，使之成為性價比更具優(yōu)勢的產品。本文將對計量芯片CSE7780的性能特點和結構電路進行了分析，并從軟、硬件兩個方面給出符合國網智能電能表要求的設計方法。符合國網新標準電能計量方案 CSE7780是一款高精度單相電能計量芯片，在動態(tài)范圍(1500:1)內，非線性誤差小于0.1%，提供兩路電流有效值、一路電壓有效值，在動態(tài)400:1的范圍內，有效值誤差小于0.5%。 該芯片能夠提供有功功率、有功能量、電流有效值、電壓有效值、線頻率、過零中斷等功能，以及提供全數字增益、相位、失調校準，有功能量脈沖從PF管腳輸出。CSE7780通過一個SPI

3、串行接口可以與外部的MCU進行通信；具有潛動閾值可調功能；內部具有電源監(jiān)控電路，可以保障芯片的正常工作。CSE7780使用5V單工作電源，內置2.5V電壓參考源，也可以使用外置的2.5V參考源。 圖1：CSE7780結構框圖CSE7780的內部功能結構框圖如圖1所示。在芯片工作時，將采樣到的電流、電壓信號先經過增益放大器，將采樣信號放大，然后再通過高精度的Sigma-Delta,模數轉換器（ADC）將模擬信號轉換為數字信號，得到的數字信號通過低通濾波器、高通濾波器濾去高頻噪聲與直流增益，從而得到需要的電流、電壓采樣量化的數據。將這些數據相乘，經過低通濾波器輸出平均有功功率；電流、電壓量化后的數

4、據通過平方電路、低通濾波器、開方電路得到電流、電壓有效值。將有功功率按時間積分，計算出有功能量。通過能量頻率轉換器將得到的能量通過PF引腳輸出，也可通過SPI總線獲得經過數字信號處理得到的數字化數值。完整解決方案軟硬件設計（一）軟件設計CSE7780寄存器的配置流程如圖2所示，先設置好計量控制寄存器，能后再配置校表寄存器。圖2：參數配置流程圖CSE7780 ADC參數設計以設計一塊額定電壓220V(Un)、10 (60) A電流規(guī)格、表常數為1600imp/KWh電表為例，由于電流輸入通道允許輸入最大信號為±700mV的峰峰值（有效值為495mVrms）

5、,10(60)A的表考慮到通道A發(fā)熱的情況，可選擇200250微歐的錳銅，若以250微歐的錳銅來采樣，在Imax=60A時，通道A的采樣信號為60A*250=15mV,由于電流通道A的允許最大輸入信號為495mV，因此電流通道的增益選擇可配置成16，通道B采用2500:1的互感器；負載電阻10，電流通道B增益設置為1。電壓通道允許最大輸入信號為±700mV的峰峰值，考慮到電壓會有130%Un過壓，可將電壓采樣信號通過網絡電阻將220V交流電壓信號降至220mV左右，電壓通道增益選擇為1。 通過上述的論述，我們須將電流通道A的增益設置為16，電流通道B的增益設置為1，電壓通道的增益設置

6、為1，因此SYSCON寄存器應設置為00C0H。 圖3：功率校正流程2：HFConst寄存器的設置電表常數EC為1600imp/KWh；Vu=0.22V；Vi=10A*0.00025*16=40mV；EC=1600；Un=220V；Ib=10A。根據公式HFConst= INT39.3143*Vu*Vi*1011/(EC*Un*Ib)可得HFConst=2664H,因此寫入HFConst寄存器的值應為2664H。3：其他計量控制寄存器配置1） 啟動電流的配置 在Un、Ib的情況下，有功功率寄存器PowerA的數值為1A375D7H，按照要求在0.4%Ib的情況下能夠正常啟動

7、，則Pstar寄存器可配置為0.2%Ib有功功率對應的數值pstar=00D6H(Pstart對應的是PowerA的高24位，計算出的Pstart是16'h00D6)。2） 能量累加模式的配置 由于需要計量正反有功能量，因此我們須將能量累加模式配置成正反向功率都參與累加，累加方式是代數和方式，負功率有REVQ符號指示，使能PF脈沖輸出及有功電能寄存器累加，即可將EMUCON配置為0001H。4：校表參數的配置1）有功功率校準a、功率增益校正在輸入信號為Un、Ib的情況下，從校表臺獲得通道A的誤差為err,則如果Pgain>=0,則GPQA=INTPgain*215，反之

8、若Pgain<0,則GPQA=INT216+Pgain*215通道B的功率校準可通過配置GPQB來實現(xiàn)，方法與校正通道A的相同。b、相位校正在PF=0.5L，輸入信號為100%Un、%100Ib的情況下，從校表臺上獲得的誤差為err，則相位誤差補償為，對50Hz的電網而言，PHSA有0.020=0，PHSA =INT(/0.020)；如果<0，PHSA =INT(28+/0.02 )-96。通道B的相位校正可通過配置PHSB來實現(xiàn)，方法與校正通道A的相同。c、有功功率失調校正在小信號1.0的情況下，如果小信號偏差較大，可通過調整有功功率失調校正寄存器來

9、修正小信號的偏差。在PF=1.0，Vu=Un,Vi=0的情況下，等待DPUDIF的更新，通過MCU取PowerA的值，讀取若干次去平均值，取平均值的補碼的后4位寫入APOSA校正寄存器。通道B的有功功率失調校正可通過配置APOSB來實現(xiàn)，方法與校正通道A的相同。2) 有效值校準 有效值的校正流程如圖4所示，先校正電流的失調，校正失調后，再進行A/B通道電流轉換系數KIA/KIB及電壓轉換系數KU的計算,在PF=1.0、Vu=100%Un、Vi=Ib的情況下讀取IARMS、IBRMS寄存器的數值，根據公式KIA=IARMS/Ib可得到電流通道A的轉換系數，按同樣的方法可得電流通道B的轉

10、換系數KIB及電壓通道的轉換系數KU。圖4：有效值校正5：CSE7780校準及初始化過程1） 上電初始化MCU2） 對計量芯片的可寫寄存器依次寫入，完成計量控制寄存器及校表參數的初始化。在初始化的過程中，要保證寫入到計量芯片的數值的正確。在正常工作的時候需要監(jiān)控CSE7780的工作狀態(tài)，確保計量芯片處在正常情況下工作，一般監(jiān)控校驗和是否正確及芯片是否有被復位。（二）硬件設計目前芯?？梢韵蚩蛻籼峁┌ㄜ洝⒂布趦鹊耐暾麉⒖荚O計。圖5為智能電能表原理框圖，圖6為目前推出的參考設計完整電路。圖5：智能電能表原理框圖圖6：國網單相智能表實物圖下面是針對CSE7780使用過程中其他一

11、些應該注意的問題給出的建議：在PCB布局的時候需要注意變壓器對錳銅的影響，這會影響到計量芯片的小信號的誤差；在采樣輸入端的走線應平行對稱，減小采樣線所包圍的面積；晶體不能放在PCB板邊，防止在打ESD的時候，將芯片打死，晶體下面最好不要走其他的信號線。本文總結通過在深圳計量院的整表測試，CSE7780能夠準確測量單相智能電能表各個參數，計量精度完全滿足要求?；贑SE7780的整機方案經EMC檢測、認證的第三方專業(yè)認證機構信測科技驗證了EMC等方面的性能，具有極佳的性能指標，完全符合新一代國網智能電能表的要求。其簡單易懂的軟件校表方式，既便于電能表開發(fā)工程師的程序開發(fā)，又提高了生產線的效率。(

12、end)1. Right函數的含義從字符串右邊截取n個字符。2. right函數的語法格式=Right(string, length)=right（字符串，截取個數）MOD 函數語法具有下列參數 （參數：為操作、事件、方法、屬性、函數或過程提供信息的值。）：Number  必需。被除數。Divisor  必需。除數。說明如果 divisor 為零，函數 MOD 返回錯誤值 #DIV/0!。函數 MOD 可以借用函數 INT 來表示:MO

13、D(n, d) = n - d*INT(n/d) 示例如果將示例復制到一個空白工作表中，可能會更容易理解該示例。如何復制示例？選擇本文中的示例。要點  不要選擇行或列標題。從“幫助”中選擇示例按 Ctrl+C。在 Excel 中，創(chuàng)建一個空白工作簿或工作表。在工作表中，選擇單元格 A1，然后按 Ctrl+V。要點  若要使該示例能夠正常工作，必須將其粘貼到工作表的單元格 A1 中。要在查看結果和查看返回結果的公式之間進行切換，

14、請按 Ctrl+（重音符），或在“公式”選項卡上的“公式審核”組中，單擊“顯示公式”按鈕。將示例復制到一個空白工作表中后，可以按照您的需要改編示例。1 2 3 4 5  A B 公式 說明（結果） =MOD(3, 2) 3/2 的余數 (1) =MOD(-3, 2) -3/2 的余數。符號與除數相同 (1) =MOD(3, -2) 3/-2 的余數。符號與除

15、數相同 (-1) =MOD(-3, -2) -3/-2 的余數。符號與除數相同 (-1)2016/1/16 16:04:15July 20th 2016/1/16 16:04:15第一，16進制轉10進制函數：HEX2DECHEX2DEC(number)：將十六進制數轉換為十進制數。Number：待轉換的十六進制數。參數 number 的位數不能多于 10 位（40 位二進制），最高位為符號位，其余 39 位是數字位。負數用二

16、進制數的補碼表示。第二，10進制轉16進制函數：DEC2HEXDEC2HEX(number,places)：Number：待轉換的十進制數。如果參數 number 是負數，則省略 places。函數 DEC2HEX 返回 10 位十六進制數（40 位二進制數），最高位為符號位，其余 39 位是數字位。負數用二進制數的補碼表示。下面是一個excel中16進制10進制互轉的截圖：=REPT(0,6-LEN(A2)&A2Excel內置了一個函數LEN（）可以統(tǒng)計字符串當中字符的個數首先要知道D

17、L645協(xié)議規(guī)定：電表和抄表設備之間數據交換規(guī)則，抄表設備包括掌機、集中器、采集器等。要了解645協(xié)議的幀格式，根據格式來解析協(xié)議中所含信息。如圖所示，一幀645協(xié)議的報文，就是由此組成。首先通過地址域，確認對象電表。地址域中電表地址為低位在前，高位在后。如圖舉例，則電表地址為：060504030201接下來看控制域，首先將控制16進制字節(jié)轉換成二進制，進一步分析。傳送方向：0：主到從，采集器發(fā)出的， 1：從到主，電表發(fā)出的異常標志：0：正常，1：異常后續(xù)幀標志：0：無后續(xù)幀，1：有后續(xù)幀其中功能碼則分為兩種97規(guī)約和07規(guī)約，如下表接下來，再通過數據長度來判斷數據域所在區(qū)域。再看數

18、據域，數據域所有字節(jié)需要先減33H得到數據標識再解析協(xié)議。得到數據標識后，在從數據標識編碼表找到對應含義，再與前面電表地址及控制碼解析出的內容合在一起即可解析出DL645報文了。END注意事項現(xiàn)一般使用的645都為07規(guī)約，97規(guī)約數據標識含義會不相同。本文中數據標識編碼表僅收錄部分常用標識，還請見諒。本文以實例說明DL/T645-2007水表協(xié)議的解析過程，以下數據未經特殊說明，均指十六進制。 數據發(fā)送： FE FE FE FE 68 63 04 09 39 00 00 68 11 04 33 33 33 33 5A 16 說明如下： FE FE FE FE：協(xié)議頭（1-4組）。 68：幀起始符。 63 04 09 39 00 00：倒序為0