基于SA9903B的單相電能表的設(shè)計(jì)

　　1 引言

　　隨著電力事業(yè)及科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，機(jī)械式電能表逐漸被電子式電能表取代。與傳統(tǒng)機(jī)械式電能表相比，電子電能表精度高、制造成本低，并且計(jì)量參數(shù)全，易于電源管理和電力運(yùn)行過程的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

　　本文給出了基于SAMES公司的SA9903B單相電能計(jì)量器件，并以宏晶公司的STC12C5410單片機(jī)為控制器設(shè)計(jì)開發(fā)的一款新型單相電能表。該器件具有SPI接口，單片機(jī)可通過SPI接口讀取內(nèi)部的電參數(shù)。STC12C5410是新一代增強(qiáng)型、低功耗51單片機(jī)，具有2 KB非易失性E2PROM和SPI接口，易于與計(jì)量器件SA9903B接口，存儲(chǔ)電能累計(jì)量。

　　2 SA9903B的簡(jiǎn)介

　　SA9903B的主要特性：實(shí)時(shí)測(cè)量單相有功/無功能量;實(shí)時(shí)測(cè)量電壓有效值和頻率;集成內(nèi)置參考電壓源;具有SPI(串行外圍接口)總線接口;功耗低于60 mW，具有靜電保護(hù)功能;工作溫度范圍寬：符合IEC6103一級(jí)交流電能表要求。

　　SA9903B的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。它由2路模數(shù)轉(zhuǎn)換器、4個(gè)24位寄存器、內(nèi)部參考電壓基準(zhǔn)和SPI串行通信接口控制器等組成。其中，寄存器用于存儲(chǔ)有功電能、無功電能、電壓有效值及頻率。GND為模擬地。VDD為電源正極，當(dāng)采用分流電阻檢測(cè)電流時(shí)，接+2.5 V;當(dāng)采用電流互感器時(shí)，接+5 V。VSS為電源負(fù)極，當(dāng)使用分流電阻檢測(cè)電流時(shí)，接-2.5 V;當(dāng)使用電流互感器時(shí)，接地。IVP為模擬電壓輸入端，當(dāng)測(cè)量的電壓為額定電壓時(shí)，要保證流入到內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換器電流的有效值為14μA，峰值不超過+25μA。VREF為參考電源的外接電阻端，通常需要接對(duì)地24 kΩ電阻。FMO為電壓過零脈沖輸出端，在輸入電壓的上升沿產(chǎn)生占空比50%的脈沖。CS為片選信號(hào)輸入端，高電平有效。DI、DO為串行數(shù)據(jù)的輸入、輸出端。SCK為串行時(shí)鐘信號(hào)輸入端。OSC1、OSC2為外部晶體振蕩器的輸入、輸出端。

　　3 工作原理和SPI接口通信

　　3.1 SA9903B的工作原理

　　SA9903B為混合模擬/數(shù)字信號(hào)的CMOS集成電路，內(nèi)部含有兩個(gè)16位二階的∑-△模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，分別對(duì)電壓和電流模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理，將瞬時(shí)電壓與瞬時(shí)電流直接相乘得到瞬時(shí)功率。瞬時(shí)功率經(jīng)低通濾波處理可獲得瞬時(shí)有功功率，而瞬時(shí)無功功率是通過對(duì)電流信號(hào)移相90