基于SA9904B新型電能采集系統(tǒng)設(shè)計之我見

1、基于SA9904B新型電能采集系統(tǒng)的設(shè)計之我見摘要：文章采用sa9904b高集成度的采樣芯片，取代傳統(tǒng)的數(shù)模采樣電路。并基于廉價的at89c51微控制器，設(shè)計新型電能采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以提供及時、可靠的電能信息，滿足電網(wǎng)調(diào)度自動化的需要。關(guān)鍵詞：電能采集系統(tǒng)；sa9904b；spi1引言電能采集系統(tǒng)是電網(wǎng)調(diào)度自動化不可或缺的部分，它所采集的信息，是調(diào)度中心了解和掌握電力系統(tǒng)實時運行狀態(tài)及設(shè)備情況，并對其控制做出決策的基礎(chǔ)。電力工業(yè)的發(fā)展，對電能采集系統(tǒng)的功能要求越來越多，如正反向記量、分時計費、最大需量記錄、欠壓斷相記錄、電壓、電流、功率以及功率因數(shù)測量、負荷曲線記錄、竊電狀態(tài)記錄和電量追補等

2、等。各種功能的實現(xiàn)離不開對電壓、電流及頻率的準確測量。隨著技術(shù)的發(fā)展，電子式電能采集系統(tǒng)逐漸取代傳統(tǒng)的機械電能表。由于模數(shù)轉(zhuǎn)換電路采樣精度，及微處理器的價格，軟件的開發(fā)難度，電能采集系統(tǒng)的開發(fā)存在不少問題和難度。而且電力參量的采樣是一個十分重要的問題，其實現(xiàn)方式?jīng)Q定了系統(tǒng)的測量精度及相應(yīng)軟件開發(fā)的難易程度，產(chǎn)品的整體開發(fā)成本的高低。sames的sa9904b一種雙向電表集成電路芯片，可三相獨立測量有功、無功功率以及電壓和頻率。其數(shù)據(jù)通信采用spi接口總線，具有速度快、占用口線少等優(yōu)點。因而特別適合用于電能采集系統(tǒng)。本文采用sa9904b高集成度的采樣芯片，取代傳統(tǒng)的數(shù)模采樣電路。并基于廉價的a

3、t89c51微控制器，設(shè)計新型電能采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以提供及時、可靠的電能信息，滿足電網(wǎng)調(diào)度自動化的需要。2sa9904b簡介2.1 sa9904b的工作原理sa9904b采用dip20與soic20兩種封裝形式，其外部引腳與內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，表1為其引腳描述。它含有兩個16位二階的-模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，分別對電壓和電流模擬信號進行數(shù)字化處理。其所采用的-調(diào)制技術(shù)，可提高基帶內(nèi)輸入信號的信噪比，以提高輸入信號的測量精度。模/數(shù)轉(zhuǎn)換器得到的瞬時電壓與瞬時電流直接相乘即得到瞬時功率。瞬時功率低通濾波處理后得到瞬時有功功率，而瞬時無功功率通過對電流信號進行移相90處理后得到。瞬時有功功率和瞬時無功功

4、率經(jīng)過數(shù)字-頻率轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成正比的脈沖信號，這個信號被有功電能和無功電能計數(shù)器隨著時間進行累加。芯片內(nèi)部設(shè)有電壓過零檢測電路，電壓每過零點產(chǎn)生一個寬度是1ms的脈沖，被頻率寄存器累加起來。電壓有效值是通過累加每個瞬時電壓采樣值并進行數(shù)字處理后得到的。sa9904b直接測量每相電路的四個參數(shù)：有功電能、無功電能、電壓有效值和頻率值。其余電力參數(shù)，如電流、功率等，需要通過微控制器根據(jù)相應(yīng)的公式計算才能得到。sa9904b所測量參數(shù)的數(shù)字量值存儲在24位寄存器中，最大值為十六進制的ffff，對應(yīng)于芯片的do端口，其中對各路的寄存器的讀取，由各路地址存儲器的值確定，對應(yīng)與芯片的 di端口。這些都通過芯

5、片的spi接口以串行數(shù)據(jù)方式與微控制器（mcu） 端口進行數(shù)據(jù)通訊。mcu通過對地址的選擇來完成對芯片的數(shù)據(jù)讀取。2.2 spi接口總線數(shù)據(jù)傳送有串行傳送和并行傳送兩種方式。并行傳送以其高速度占領(lǐng)了數(shù)據(jù)傳送領(lǐng)域很長一段時間，而串行傳送僅在遠距離數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域占有一席之地。隨著半導(dǎo)體集成電路制造工藝的發(fā)展，半導(dǎo)體器件串行傳輸速度有了很大的提高。許多半導(dǎo)體器件公司相繼開發(fā)了帶有串行外圍接口（spi）的集成芯片，這些集成電路與并行接口集成電路相比，具有引出線少（最少為8引線），芯片體積小，接口線少（3根4根）等特點，而這些特點在許多工程應(yīng)用場合是必需的。因而，其應(yīng)用必將越來越廣泛。spi（serial

6、 peripheral interface）接口是一種高速、高效率的同步串行通訊接口技術(shù)，主要用于擴展外設(shè)和進行數(shù)據(jù)交換，作為許多高檔單片機中的一種配置標準，如avr系列單片機、mc68hc08系列等等。spi接口技術(shù)的使用，使工程技術(shù)人員在組建系統(tǒng)時具有更大的靈活性，因而大受歡迎。sa9904b集成了spi接口，微控制器通過spi端口實現(xiàn)對其內(nèi)部數(shù)據(jù)的訪問。spi接口由四根信號線組成：串行時鐘輸出端sck、片選信號輸入端sc、串行數(shù)據(jù)輸入端di、串行數(shù)據(jù)輸出端do，spi波形及時序如圖2與圖3所示。當cs為高電平時，di引腳在sck時鐘的上升沿輸入9位地址信號。其中高三位為寫入地址的標志位；

7、a5、a4為保留位，可選0或1；有效地址為低4位。在sck的上升沿檢測到地址的最低有效位a0輸出后，do引腳在sck的下降沿輸出相應(yīng)寄存器地址里的24位數(shù)據(jù)，高位在前，低位在后。當24位數(shù)據(jù)輸出后，如果cs信號仍然有效，則do引腳將繼續(xù)輸出下一個地址的寄存器數(shù)據(jù)，直到所有的數(shù)據(jù)輸出為止。2.3 電參數(shù)測量模塊典型電路圖4為一種電參數(shù)測量模塊典型電路，它使用電流互感器進行電流檢測。這個四線電表可以測量3230v/80a，比1級電表還要精確。sa9904b集成電路的外捷元件是電流檢測電阻、電壓檢測電阻和偏壓電阻器。它們可以按如下方法計算：r1和r2、r3和r4、r5和r6用于決定各相電流的輸入，因

8、為輸入電流值為16a，所以r1r2r3r4r5r6（il/16a）rsh/2=80a/2500/16a2.7/2=2.7k現(xiàn)令：rar16+ r19+ r22 、rbr8/ (r13+ r1)因為 (ra+ rb)/230vrb/14v，并且，r11、r12和r13為24 k，r8、r9和r10為1m，因此：rb23.44 krarb (230v / 14 v1)361.6 k取r16、r19和r22為等值電阻，其值應(yīng)為120 k。由于三個電壓通道是一樣的，所以有r14r15r16r17r18r19r20r21r22。此外，r23和r24為1 k，r25、r26和r27為2.7 k，c1和c2

9、為220nf的電容，c3、c4、c5和c6為820nf的電容。3系統(tǒng)設(shè)計3.1 硬件設(shè)計電能采集系統(tǒng)以2.3所述的電參數(shù)測量模塊為核心，外擴人機界面和遠程通信接口，硬件結(jié)構(gòu)如圖5所示。待測的三相四線線路各相電壓、電流經(jīng)過電壓分壓網(wǎng)絡(luò)和電流互感器，轉(zhuǎn)化成符合sa9904b芯片要求的輸入信號，再經(jīng)過芯片內(nèi)部對電壓和電流進行a/d轉(zhuǎn)換、數(shù)字運算和能量累加，從而得到各相的有功功率、無功功率、電壓有效值和頻率值的原始寄存器值。這些值通過spi接口傳送到微控制器。微控制器選用廉價的at89c51，完成各種電力參數(shù)的計算、通信處理和控制功能。系統(tǒng)通過rs485總線通信，芯片75lbc184實現(xiàn)ttl與rs4

10、85之間的電平轉(zhuǎn)換。人機界面以8279為接口，8位led顯示器用于顯示所測量的有功與無功功率、電壓與電流有效值、頻率15個量中的某個量，44鍵盤用于清屏以及指令顯示哪一個量。3.2 軟件設(shè)計系統(tǒng)軟件包括系統(tǒng)初始化、參數(shù)采樣測量、電力參數(shù)計算、通信處理、鍵盤輸入處理、顯示處理等模塊。系統(tǒng)初始化模塊完成對各寄存器、變量的清零和顯示器的初始化工作。鍵盤輸入處理模塊采用外部中斷0形式，它對按下的鍵值進行判斷記錄，并強行產(chǎn)生定時器t0中斷。參數(shù)采樣測量模塊為軟件的核心，系統(tǒng)根據(jù)鍵值，實時讀取sa9904b芯片內(nèi)部存儲器相應(yīng)的量。如必要，調(diào)用電力參數(shù)計算模塊另外計算出各相電流值。通信處理模塊完成與rs48

11、5總線通信，處理遠程數(shù)據(jù)的傳送與接收。顯示處理模塊則首先把數(shù)據(jù)的每一位分離出來，以便直觀地顯示在顯示器上。另外，8位led顯示器前兩位用于顯示數(shù)據(jù)表示的量，如ia、qc等，其余位顯示數(shù)據(jù)。系統(tǒng)初始化后，默認對a相的電壓進行測量并顯示。之后通過定時器t0中斷，每0.65536秒測量一次，并對數(shù)據(jù)進行處理。該時間間隔既能保證系統(tǒng)響應(yīng)的實時性，又保證每個測量周期內(nèi)，其它模塊有足夠的時間運行。定時器t0中斷程序流程如圖6所示。spi總線數(shù)據(jù)通信正確與否是本系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵。為節(jié)約成本，我們采用廉價的at89c51作為系統(tǒng)的控制器，并采用軟件模擬的方法完成spi通信。事實證明軟件模擬的方法對系統(tǒng)速度不構(gòu)成

12、影響，而且比較適合sa9904b的時序。spi軟件模擬程序如下：unsigned char data spidata3=0,0,0;/*用于存儲接收的spi數(shù)據(jù)*/void spinready() sack=1;/等待器件接收命令后響應(yīng)sack=0; /此處從機送0，但主機不接收sado=1;/準雙向口，作讀的準備unsigned char spin()/*從spi總線上讀數(shù)據(jù)*/char data i;unsigned char sadoint;unsigned char spdata=0;for (i=1;i=8;i+)sack=0;sadoint=(unsigned char)sado;

13、sack=0;sack=1;spdata=(spdata1)|sadoint;sack=1;return (spdata);void spout(unsigned char out)/*向spi總線寫數(shù)據(jù)*/char data i;for (i=1;i=8;i+)sack=0;sadi=out&0x80;out=out1;sack=1;void measure(unsigned char bitadd)/*測量某一個量*/sacs=1;spout(1);spout(bitadd);/*位的地址*/spinready();spidata0=spin();spidata1=spin();spidata2=spin();sacs=0;4結(jié)束語本系統(tǒng)采用了sa9904b高集成度電表芯片，大大減少了軟件中的計算工作，提高了系統(tǒng)的測量精度。系統(tǒng)軟件設(shè)計的核心與難點在于spi總線的數(shù)據(jù)通