智能三相表計(jì)量模塊設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

張俊婷，紀(jì)志堅(jiān)

（青島大學(xué) 自動化學(xué)院，青島266071）

在國家一帶一路政策發(fā)展鼓勵下，電網(wǎng)等企業(yè)逐步走向世界，與世界接軌，這對智能電能表的要求更加嚴(yán)格，尤其是對電能表的準(zhǔn)確計(jì)量性[1]。傳統(tǒng)的電能表計(jì)量誤差偏大、不準(zhǔn)確，這將嚴(yán)重影響電網(wǎng)企業(yè)等的利益；其次是計(jì)量模塊運(yùn)行時(shí)抗干擾能力差，通訊能力差[2]。本文采用的計(jì)量芯片HT7038 計(jì)量更加準(zhǔn)確，抗干擾能力強(qiáng)，功耗低，而且集成了其他功能，如用電信息存儲和處理、信息交互、實(shí)時(shí)監(jiān)控等功能[5]。

1 電源單元設(shè)計(jì)及介紹

1.1 電源芯片HT7540 簡介

HT7540 是合泰的一款三端低功耗電源芯片，輸出電流可達(dá)到100 mA，允許輸入的電壓高達(dá)30 V。內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1 所示[3]。

圖1 HT7540 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖Fig.1 HT7540 internal structure

這款芯片具體優(yōu)點(diǎn)概括如下[4]：①低功耗；②低壓降；③較低的溫度系數(shù)；④高輸入電壓（高達(dá)30 V）；⑤靜態(tài)電流1 μA；⑥大電流輸出：100 mA；⑦輸出電壓精度：±2%

1.2 電源電路設(shè)計(jì)

電源的設(shè)計(jì)需保證電表能在斷電的情況下，數(shù)據(jù)不丟失。 本文的電源設(shè)計(jì)充分的考慮到了這一點(diǎn)，采用了雙電池供電，具體電路設(shè)計(jì)如圖2 所示。

外部電源供電+12 V， 電源輸入經(jīng)過電解電容EP1、電容CP1 和電容CP3 濾波之后，再經(jīng)過穩(wěn)壓芯片UP1 輸出，經(jīng)過濾波電容CP2，得到+4 V 電壓，在經(jīng)過二極管DP2 降壓得到+3.3 V 電壓，為計(jì)量芯片和MCU 提供電源[6]。 二極管DP1 的作用主要是當(dāng)外部有電時(shí)，不受外部電源影響，能夠保證電池的安全可靠性能。 QP1 是三極管， 選用的是MMBT2907A，主要起到開關(guān)的作用[7]。

圖2 電源電路設(shè)計(jì)Fig.2 Power circuit design

BAT1 電池是6 V，也稱為抄表電池，確保在斷電的情況下，電表的基本功能能正常運(yùn)行。 BAT2 電池是3.6 V，也稱為時(shí)鐘電池，保證在最極端狀況下（外部無電源且抄表電池?zé)o電壓）HT6025 芯片內(nèi)部時(shí)鐘準(zhǔn)確，確保芯片內(nèi)部記錄的數(shù)據(jù)不丟失，具有數(shù)據(jù)斷電保護(hù)作用。 其余兩路分別為電池檢測電路。

2 MCU 主控單元設(shè)計(jì)

2.1 主控芯片HT6025 簡介

本文采用的是鉅泉光電的主控芯片HT6025，HT6025 芯片是多功能、高性能、低功耗單相智能電表專用256 K 的MCU 芯片， 內(nèi)部集成了Cortex-M0處理器、時(shí)鐘管理、電源管理、硬件自動溫度補(bǔ)償RTC、PLL、高頻RC、低頻RC、LCD 驅(qū)動等單元，以及NVIC 和DEBUG 調(diào)試功能[8]。 其中，支持每秒補(bǔ)償機(jī)制的RTC 單元，芯片以32.768 kHz 晶振時(shí)鐘源作為RTC 時(shí)鐘源，通過芯片內(nèi)部集成的時(shí)鐘自動數(shù)字補(bǔ)償單元， 在無需其軟件參與的情況下， 實(shí)現(xiàn)RTC 的自動補(bǔ)償[9]。 其內(nèi)部框圖如圖3 所示。

圖3 HT6025 內(nèi)部框圖Fig.3 HT6025 internal block diagram

主要性能如下[9]：①工作電壓范圍為2.0 V～5.5 V；②采用ARM Cortex-M0 CPU Core、256 K Flash+1 K Information Block、32 K SRAM；③CPU 最高工作頻率達(dá)到44 M；④兩路硬件7816 功能；⑤Hold 模式下最低功耗4.3 μA，Sleep 模式下最低功耗3.3 μA；⑥獨(dú)立的RTC 供電引腳， 在芯片內(nèi)除RTC 模塊之外的所有模塊不供電的情況下，RTC 模塊仍然可以保持獨(dú)立工作。

2.2 主控單元外圍電路設(shè)計(jì)

HT6025 的JTAG 調(diào)試硬件接口是TI 標(biāo)準(zhǔn)14Pin接口，ICP 接口是下載口，其中TMS、TCK、TDI、TDO，分別為測試模式選擇、測試時(shí)鐘、測試數(shù)據(jù)輸入和測試數(shù)據(jù)輸出，需要+3.3 V 外接電源輸入[10]。XA1 是32768 Hz 的外部晶振， 為HT6026 提供時(shí)鐘信號。LVDIN 引腳是外部電壓檢測引腳，當(dāng)供電電壓低于或高于1.21 V 時(shí)產(chǎn)生中斷信號。DA1 是一個(gè)穩(wěn)壓二極管，主要是鉗位保護(hù)作用，鉗位電壓在2.7 V 左右。復(fù)位引腳RESET 經(jīng)電容CA4 接地，CLKOUT 引腳、RX4 引腳和TX4 連接RS485 通信芯片[4]，HT6025的外圍電路設(shè)計(jì)如圖4 所示。

圖4 HT6025 外圍電路設(shè)計(jì)Fig.4 HT6025 peripheral circuit design

3 計(jì)量單元設(shè)計(jì)

3.1 計(jì)量芯片HT7038 簡介

HT7038 系列多功能高精度三相電能專用計(jì)量芯片，適用于三相三線和三相四線應(yīng)用。 HT7038 集成了6 路二階sigma-delta ADC、參考電壓電路以及所有功率、能量、有效值、功率因數(shù)及頻率測量的數(shù)字信號處理等電路，能夠測量各相以及合相的有功功率、無功功率、有功能量及無功能量，同時(shí)還能測量各相電流、電壓有效值、功率因數(shù)、相角、頻率等參數(shù)，充分滿足三相復(fù)費(fèi)率多功能電能表的需求[6]。

HT7038 支持全數(shù)字域的增益、相位校正，即純軟件校表。 有功、無功電能脈沖輸出CF1、CF2 提供瞬時(shí)有功、無功功率信息，可直接接到標(biāo)準(zhǔn)表，進(jìn)行誤差校正。 2 個(gè)高頻脈沖輸出CF1/CF2，分別對應(yīng)全波有功電能、全波無功電能[7]。

HT7038 提供一個(gè)SPI 接口， 方便與外部MCU之間進(jìn)行計(jì)量及校表參數(shù)的傳遞，SPI 接口的具體規(guī)格參見SPI 詳細(xì)說明部分， 所有計(jì)量參數(shù)及校表參數(shù)均可通過SPI 接口讀出。HT7038 內(nèi)置電壓監(jiān)測電路可以保證上電和斷電時(shí)正常工作。 其內(nèi)部框圖如圖5 所示。

3.2 計(jì)量電路設(shè)計(jì)

計(jì)量是電能表最基本的功能，也是要求最高的電路，不僅要計(jì)量準(zhǔn)確，而且通信的抗干擾能力也要強(qiáng)。 計(jì)量電路主要包括四部分，一是電壓采樣電路，二是電流采樣電路，三是通訊電路，四是誤差輸出電路[2]。

圖5 HT7038 內(nèi)部框圖Fig.5 HT7038 internal structure

HT7038 外圍電路基本設(shè)計(jì)，VEMU 為計(jì)量芯片HT7038 供電如圖6 所示。

圖6 HT7038 外圍電路設(shè)計(jì)Fig.6 HT7038 peripheral circuit design

電壓采樣電路的每一相采用7 個(gè)330 k 的電阻與1 個(gè)1.2 k 電阻串聯(lián)設(shè)計(jì)，330 k 的電阻主要是負(fù)責(zé)分壓，1.2 k 電阻屬于采樣電阻。 采樣分壓電路如圖7 所示。

圖7 采樣分壓電路Fig.7 Sampling divider circuit

電流采樣電路采用了對稱設(shè)計(jì)，RM1，RM2，RM5，RM6，RM9，RM10 為采樣電阻，如圖8 電流采樣電路所示，保證了輸入采樣電流精確性，同時(shí)采樣電阻（精度±0.1%）采用的誤差精度更小。

圖8 電流采樣電路Fig.8 Current sampling circuit

計(jì)量通訊協(xié)議采用的是SPI 通訊協(xié)議， 具體電路設(shè)計(jì)如圖9 所示。

誤差輸出電路如圖10 所示，包括有功輸出、無功輸出，采用了光耦隔離，保證了計(jì)量芯片工作的穩(wěn)定性，提高了抗干擾性。

4 試驗(yàn)測試

本文所用的測試臺體采用的是一個(gè)高精度的標(biāo)準(zhǔn)源，能夠給電表樣機(jī)提供標(biāo)準(zhǔn)電源以及高精度計(jì)量源，本次采用的三相電表為中電流電表，即三相電壓U 為220 V，電流為5（60）A。 電表掛臺體測試實(shí)物圖如圖11 所示。

圖9 計(jì)量通訊電路設(shè)計(jì)Fig.9 Metering communication circuit design

圖10 誤差輸出電路設(shè)計(jì)Fig.10 Error output circuit design

圖11 樣機(jī)測試環(huán)境Fig.11 Prototype test environment

通過臺體校準(zhǔn)得到樣機(jī)的正向有功誤差，數(shù)據(jù)如表1 正向有功誤差記錄表所示，Ib=5 A 為參比電流，Imax=60 A 為最大電流，1.0、0.5 L 表示功率因數(shù)。

表1 正向有功誤差記錄表Tab.1 Positive active error record

從數(shù)據(jù)分析中可以得出，本文設(shè)計(jì)的電能表在各點(diǎn)測試情況下有功誤差均在0.1%以內(nèi)，滿足國網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)要求（小于0.6%），證明本文的計(jì)量模塊設(shè)計(jì)是合理的。

5 結(jié)語

本文給出了基于HT7038 的智能三相表計(jì)量模塊設(shè)計(jì)方案， 介紹了該模塊的整體結(jié)構(gòu)電路設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了電能表相關(guān)誤差分析。 該方案結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉，而且電能表計(jì)量準(zhǔn)確、性能穩(wěn)定，具有很好的應(yīng)用價(jià)值和市場前景。