摘 要： 為滿足高速發(fā)展的社會趨勢，設計一種以單片機STC12C5A60S2為控制核心和電能計量芯片ATT7022C為基礎的電參數(shù)測量終端，并結合Visual Studio 2017開發(fā)數(shù)據(jù)監(jiān)控界面，其中，主要包括12864液晶顯示、存儲、RS 232通信等模塊，實現(xiàn)了對關鍵測量數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控功能。實驗結果表明：所測數(shù)據(jù)均符合誤差國家標準 GB/T 17215.322—2008《0.2S級和0.5S級靜止式有功電能表》要求;該方案具有能耗低、精度高、高效低廉易推廣等優(yōu)點，并且對電網(wǎng)輸配電和電力能源結構合理配置具有促進作用，在設計工業(yè)及家庭用電智能測量設備及擴展應用方面均有較好的實用價值。

　　關鍵詞： ATT7022C應用; 電參數(shù)測量; 方案設計; 監(jiān)控界面開發(fā); 數(shù)據(jù)監(jiān)控; 實驗測試

　　0 引 言

　　電能作為一種邊生產(chǎn)邊消耗不易存儲的特殊商品，隨著西電東送南、中、北三條通道的形成，以及各大超高壓輸電線路工程的實施，使智能電網(wǎng)更加的龐大和完善，我國的能源結構得到不斷優(yōu)化。同時各行業(yè)飛速發(fā)展，必然引起對耗電量的不斷增加，為了適應社會發(fā)展新需求，對用電檢測儀表提出了更高的要求，電能質(zhì)量檢測技術結合各學科優(yōu)勢迅速發(fā)展[1?3]。目前主要有以下4種計量終端方案：

　　1) 電磁式互感器的電子式電能計量終端;

　　2) 弱輸出式互感器的電子式電能計量終端;

　　3) 電子式互感器的電子式計量終端;

　　4) 將計量電路與傳感信號結合配合專業(yè)計量芯片的電子式計量終端[4?6]。

　　方案1)由于存在鐵芯銅材致使能耗體積重量較大，方案1)～方案3)均存在設計步驟繁瑣，結構不緊湊，穩(wěn)定性較差的問題，方案4)常出現(xiàn)計算能力過剩，造價一般較高，且安全問題仍然突出等問題。同時，出于不同用電環(huán)境的考慮，電計量終端開始往定制化、人性化的方向發(fā)展。基于以上問題，綜合考慮，提出一種采用單片機STC12C5A60S2和專業(yè)計量芯片ATT7022C設計的電參數(shù)測量終端，該方案對電能測量儀表設計有較好的應用前景，便于工程實現(xiàn)。

　　1 總體設計方案和工作原理

　　總體設計方案中，控制核心為STC12C5A60S2單片機，通過SPI(Serial Peripheral Interface)總線與專業(yè)電能計量芯片ATT7022C通信，總體設計框圖如圖1所示。

　　為了合理高效地利用芯片內(nèi)部資源，復雜的數(shù)學運算均在計量芯片ATT7022C內(nèi)完成，單片機僅需完成少量控制運算就能實現(xiàn)方案主體設計。以下為本終端設置的功能模塊：數(shù)據(jù)采集模塊、電源模塊、串口通信模塊、液晶顯示模塊，E2PROM存儲模塊。互感器采集電壓電流轉換為小信號送入專業(yè)計量芯片處理，三相電流電壓小信號在計量芯片接收端分別為VXP，VXN。其中，電源模塊由外置電源供電。電壓采集互感器型號為TV31B02，正常工作時，當原邊電流為2 mA時，副邊得到的小電流信號為2 mA，比差允許為±0.1%，角差小于等于15 V。輸入最大電流為10 mA，當接可靠限流電阻時，最大可輸入電壓為1 000 V，原邊和副邊最大工作電流均不得大于10 mA，為電流型精密電壓互感器;電流采集互感器型號為TA32BM，正常工作時原邊和副邊工作電流分別為5 A和2.5 mA，且正常工作時相位差小于等于15 V，線性度小于等于0.2%，接100 Ω標準電阻，為初級單匝穿心微型互感器。此兩款互感器精度滿足國家標準、成本低、體積小，適合小型終端的擴展設計[7?10]。ATT7022C芯片內(nèi)部包含80個計量參數(shù)寄存器，可選擇各類電能計量參數(shù)原始值。用戶端由LCD12864實時顯示數(shù)據(jù)，屏幕共4行，每行可顯示16個ASCⅡ碼字符，符合此次設計屏幕空間需求。E2PROM模塊應用IAP(In Application Programming)應用編程，通過控制部分IAP內(nèi)置寄存器常在主函數(shù)前設置一段代碼使程序運行中對單片機程序存儲區(qū)再次寫入數(shù)據(jù)[11?12]。由于程序存儲空間較小，此處僅對重要單個數(shù)據(jù)操作，完成對該數(shù)據(jù)量的累加并保存至程序存儲區(qū)，具有掉電不丟失特征。本方案通過RS 232串口通信連接計算機，在計算機端借助Visual Studio 2017編程生成交互界面，實時監(jiān)控所需數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)保存至計算機。

　　2 硬件設計

　　2.1 ATT7022C硬件電路設計

　　硬件基本電路中，外接三相電流電壓經(jīng)所選互感器以及PCB電路將大電流電壓模擬信號轉換為計量芯片能夠接收的小數(shù)字信號，通過VXP/VXN輸入計量芯片，由于計量芯片內(nèi)部已合成模數(shù)轉換模塊和專用DSP計算模塊，芯片內(nèi)完成所有復雜計算工作后，將結果安放在內(nèi)部特定參數(shù)計量寄存器內(nèi)。單片機在讀取所需的某些數(shù)據(jù)之前必須先對ATT7022C計量芯片完成軟件校表工作，即計算完校表參數(shù)之后只需將校表參數(shù)通過SPI接口輸入到ATT7022C的校表寄存器中;然后再通過SPI接口總線讀出所需的準確數(shù)據(jù)，該總線為主從控制模式，高速同步雙向傳輸，并且只需4根線即能完成計量芯片與單片機通信操作，分別為數(shù)據(jù)輸出端、數(shù)據(jù)輸入端、時鐘信號控制端、片選端，由于本設計控制核心為主設備，ATT7022C為從設備，無其他從設備，因此在片選端直接放置有效信號即可;此外再添加一條復位線和握手信號線，控制ATT7022C的啟動，復位和數(shù)據(jù)傳輸[13?14]。

　　2.2 互感器電路設計

　　2.2.1 電壓互感器電路設計

　　電能計量終端輸入220 V的標準電壓，ATT7022C電壓信道的要求電壓范圍為10 mV～1 V，電路中串聯(lián)的電阻大小為220 kΩ，當以額定模擬電壓工作時，電壓互感器轉換后，小電流信號為1 mA，使得其在R6(130 Ω)兩端產(chǎn)生的電壓[UR6]=(220 V/220 kV)×130=0.13 V，滿足ATT7022C的電壓范圍要求。在計量模塊的電壓信道前端設置由R4，C1，R7，C2組成的濾波電路。此時的電壓信號就可以輸入到ATT7022C的電壓端口V2P/V2N、V4P/V4N和V6P/V6N。REFOUT為基礎電壓輸出，它將待測量信號通過UREF的值不斷計算誤差并累積差值，通過反饋控制使得該差值無限趨近于0。三相電壓互感器電路如圖2所示。

　　2.2.2 電流互感器電路設計

　　電能計量終端接入的是0～5 A的標準電流信號，ATT7022C芯片要求電流信道的電壓范圍為2 mV～1 V。即當原邊交流電流模擬信號為5 A時，相應得到的小電流信號為2.5 mA，可得其在電路中R21(50 Ω)電阻兩端產(chǎn)生的電壓[UR21]=2.5×50=0.75 V，滿足ATT7022C的電壓范圍要求。為了避免在計量芯片ATT7022C的DSP運算環(huán)節(jié)出現(xiàn)頻率混疊失真，設計由R20、R22、C7、C8組成的濾波電路，電流信號經(jīng)處理后就可以被送入到ATT7022C的電流采樣端口V1P/V1N、V3P/V3N、V5P/V5N，獲得三相電流，B、C兩相電流采集電路結構參數(shù)與A相相同，A相電流采集電路如圖3所示。

　　3 軟件設計

　　在本方案中軟件設計主要為以下三部分：主程序、軟件校表以及Visual Studio 2017通信編程。

　　3.1 主程序

　　本次設計主程序中包含的子程序模塊有ATT7022C讀寫模塊，12864液晶模塊，RS 232通信模塊，E2PROM模塊。其中，main函數(shù)為執(zhí)行函數(shù)，main函數(shù)中首先對各功能模塊及參數(shù)進行初始化，然后依次實現(xiàn)各模塊功能。

　　3.2 軟件校表

　　軟件校表的目的是使ATT7022C內(nèi)部計量寄存器在正常工作時獲得足夠精度的原始初值，軟件校表之前必須對ATT7022C進行初始化操作，使得對應校表寄存器值為0，校表完成后精度誤差可控制在國家標準以下，以下提供一種快捷軟件校表方法。

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