多功能電力儀表計(jì)量芯片

2 電能計(jì)量芯片
SA9904B是南非微電子系統(tǒng)有限公司設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的一種電能計(jì)量芯片，ATY7026A是珠海炬力集成電路設(shè)計(jì)有限公司開(kāi)發(fā)的電能計(jì)量芯片，CS5463是美國(guó)CRYSTAL公司推出的帶有串行接口的單相雙向功率／電能計(jì)量集成電路芯片。這三者都用于三相多功能電能計(jì)量，均適用于三相三線制的具有50 Hz或60 Hz標(biāo)準(zhǔn)頻率的電網(wǎng)，支持電阻網(wǎng)絡(luò)校表和軟件校表兩種方式。由于電能計(jì)量、參數(shù)測(cè)量和數(shù)據(jù)讀取是電能芯片的核心部分。下面主要從有功計(jì)量、無(wú)功計(jì)量、視在功率／電能計(jì)量、有效值測(cè)量、中斷和SPI接口6個(gè)方面介紹芯片原理。
2．1 SA9904B簡(jiǎn)介
SA9904B有20個(gè)引腳，PDIP封裝，12個(gè)元暫存器。SA9904B包含9個(gè)代表各相的有功電能、無(wú)功電能與電源電壓的24位元暫存器。第10個(gè)24位元暫存器代表任何有效相位的市頻，包含3個(gè)位址以保存與SA9604A的兼容性。3個(gè)位址的任何其一可用于存取頻率暫存器。每相位的有功與無(wú)功功率被積存于24位元暫存器。被測(cè)電路的電能或功率不直接提供給用戶，但是可以通過(guò)公式計(jì)算。計(jì)算每相的有功或無(wú)功電能：電能每計(jì)數(shù)=(VRATED×IRATED)／320 000；計(jì)算每相的有功或無(wú)功功率：功率=VRATED×IRATED×N／INTTIME／320 000。其中：VRATED為電表的額定電源電壓，IRATED為電表的額定電源電流，N=相繼讀數(shù)間的暫存器數(shù)值差數(shù)(△值)，INTTIME為相繼讀數(shù)間的時(shí)間差值(單位為秒)。若要求合相有功電能，只能通過(guò)程序?qū)θ嘤泄﹄娔芮蠛?，或通過(guò)有功功率脈沖輸出F50計(jì)數(shù)。芯片內(nèi)的3個(gè)電壓暫存器包含各相位測(cè)得的RMS電壓值．用戶可以直接從暫存器中讀取。SA9904B不具有中斷功能。串行周邊的接口匯流排(SPI)為一同步匯流排，使用于微控器與SA9904B之間的數(shù)據(jù)傳輸。引腳D0(串行數(shù)據(jù)出端)，DI(串行數(shù)據(jù)入端)，CS(芯片選項(xiàng))與SCK(串行時(shí)脈)用于此匯流排的應(yīng)用。SA9904B為從器件，而微控器為匯流排主器件。CS輸入啟始與終止數(shù)據(jù)傳輸。SCK信號(hào)(微控器發(fā)送的)選通微控器與SA9904B的SCK引腳間的數(shù)據(jù)。DI與DO引腳為SA9904B的串行數(shù)據(jù)輸入與輸出引腳。
2．2 ATT7026A簡(jiǎn)介
ATT7026A 44個(gè)引腳，QFP44封裝，102個(gè)寄存器翻。有功功率通過(guò)求瞬時(shí)功率代數(shù)均值獲得。分相、合相有功功率分別存入指定寄存器，供用戶讀取。無(wú)功功率是通過(guò)將電壓采樣信號(hào)作一90°相移，再求瞬時(shí)功率的代數(shù)均值獲得。分相、合相無(wú)功功率同樣提供給用戶。芯片中有電能累加寄存器，能夠提供分相、合相有功、無(wú)功電能，但不提供電網(wǎng)周期累加模式。芯片通過(guò)能量脈沖生成器，提供校表脈沖CFl和驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的低頻脈沖F1／F2。由于芯片提供電流和電壓有效值，用戶也可用公式S=VRMS×IRMS，通過(guò)MCU計(jì)量分相、合相視在功率。有效值測(cè)量通過(guò)對(duì)電壓、電流的采樣數(shù)據(jù)求均方值實(shí)現(xiàn)。能夠同時(shí)計(jì)算6通道的有效值，結(jié)果存在指定的寄存器中供用戶讀取。此外，芯片不僅提供分相電流、電壓有效值．還提供三相電流、電壓矢量和的有效值，用戶可在指定寄存器中讀取。ATT7026A不具有中斷功能。芯片內(nèi)部集成了SPI串行通信接口，使用2條控制線和2條數(shù)據(jù)線。更新校表數(shù)據(jù)寄存器的命令字為：最高兩位是10，低6位是校表寄存器的地址；寫(xiě)特殊命令字操作(配合軟件校表)的命令字為：最高2位是11，低6位是特殊命令字的類型。芯片提供清校表數(shù)據(jù)、校表數(shù)據(jù)讀出、校表數(shù)據(jù)寫(xiě)使能、軟件復(fù)位共4種特殊命令。
2．3 CS5463簡(jiǎn)介
CS5463有24引腳，SSOP封裝，32個(gè)寄存器。采樣得到瞬態(tài)電壓和電流的數(shù)字量，把每對(duì)瞬態(tài)電壓和電流的數(shù)據(jù)相乘，得到瞬時(shí)有功功率的采樣值。每個(gè)A／D采樣周期后．新的瞬態(tài)功率采樣值就存入功率寄存器，N個(gè)瞬時(shí)功率采樣值為一組，每組的值累加和用于計(jì)算以后放在能量寄存器中的數(shù)值，它與電路在N個(gè)A／D轉(zhuǎn)換周期中的有功功率值成正比。同樣原理，電壓和電流有效值也利用最近的N個(gè)瞬態(tài)電壓、電流采樣值計(jì)算，并可從RMS電壓和電流寄存器中讀出。視在功率可以在視在功率寄存器中直接讀取，也可以對(duì)E2輸出的與視在功率成正比的脈沖進(jìn)行計(jì)量得出。CS5463帶有中斷功能。中斷處理流程為：讀狀態(tài)寄存器→禁止所有中斷→轉(zhuǎn)向相應(yīng)的中斷處理程序→將讀出的值寫(xiě)回，以清除狀態(tài)寄存器→重新開(kāi)中斷→從中斷處理程序中返回。CS5463的串行口包括4條控制線：CS、SDI、SDO、SCLK，如果片選CS直接與邏輯O相連接，則只需要3條線就可以完成串行口的操作。一個(gè)數(shù)據(jù)的傳輸總是從向串行接口的SDI發(fā)送8位命令開(kāi)始，當(dāng)命令中包括一個(gè)寫(xiě)入操作時(shí)，在其后的24個(gè)SCLK周期內(nèi)，串口將持續(xù)從SDI引腳讀入串行數(shù)據(jù)。當(dāng)發(fā)出一個(gè)讀取命令時(shí)，串口將根據(jù)發(fā)出的命令，在其后的8、16、24個(gè)SCLK周期從SD0引腳上串行輸出寄存器內(nèi)容。

3 性能指標(biāo)比較
SA9904B，ATT7026A及CS5463都具有功能強(qiáng)大，軟件、硬件實(shí)現(xiàn)方便，計(jì)量精度高，價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，廣泛適用于電能測(cè)量控制領(lǐng)域。但在性能、指標(biāo)方面仍存在較大差別。
3．1 精度
(1)SA9904B符合IEC 61036一級(jí)交流電能表的規(guī)定要求，符合IEC 61268二級(jí)VAR時(shí)數(shù)電表的規(guī)定要求。RMS電壓的測(cè)量精度為1％，有功功率的測(cè)量精度為1．0級(jí)。適合做三相的有功和無(wú)功儀表，在做三相多功能表時(shí)測(cè)量精度有待加強(qiáng)。
(2)ATT7026A有功電能計(jì)量滿足1級(jí)、0．15級(jí)。符合IEC687／1036和GB／T1721521998標(biāo)準(zhǔn)。無(wú)功電能計(jì)量滿足2級(jí)、3級(jí)，符合IECl268和GB／T1788221999標(biāo)準(zhǔn)。有功、無(wú)功電能計(jì)量在1000：l的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)誤差均小于O．11％。可精確測(cè)量至含21次諧波的有功、無(wú)功和視在功率。電壓通道輸入10―1 000 mV時(shí)，有效值誤差小于叭5％。電流通道輸入2～l000 mV時(shí)，有效值誤差小于0．15%。線電壓頻率測(cè)量范圍10~500 Hz。
(3)CS5463 CS5463的精度較高，符合IEC，ANSI，JIS工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。電能數(shù)據(jù)線性度在1 000：1動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)為±0．1％，電能計(jì)量精度：在300：1動(dòng)態(tài)范圍以上每秒讀取0．1％；電壓測(cè)量精度：讀數(shù)的O．1％；電流測(cè)量精度：讀數(shù)的0．1％：瞬時(shí)功率測(cè)量精度：讀數(shù)的0．1％。