引言
隨著計算機網絡技術、專用集成芯片技術和現場總線技術的不斷發展，對工業用電度表的計量精度和電量數據傳輸實時性的要求在不斷提高。我國目前電力機車上裝備的電度表基本上都是傳統的機械式電度表，雖然機械式電度表存在抗干擾和抗震動性好的優點，但是其精度差，電量數據需要人為讀數不能實時傳輸等弊端。為了改進現有機車上使用的電度表，根據美國AD公司推出的電量計量專用芯片ADE7755，提出了一種新型的電量計量方案。根據本方案設計的電度表除具有精度高、抗干擾和電量數據能夠實時傳輸的功能外，還具有可以修改電度表初值的優點。
硬件電路設計
目前廣泛使用機械式、電磁型和機電型等電度表普遍存在一個不能實時傳輸電量數據的缺陷，且各自又有或精度差或抗干擾能力差等弱點。作者結合當前普遍流行的現場總線技術和AD公司的ADE7755電量計量專用芯片以及飛利普公司的P87C591單片機，提出了一種能實現數據實時傳輸且具有抗干擾能力的電量計量方案。總體電路框圖如圖1所示：
圖1 總體電路框圖
圖 1中，由PT和CT在電網中測得相應的電壓和電流信號，送到ADE7755中進行電量計算，算出來的功率值分兩種，一種是低頻的平均功率值，送往機電式電度表用于顯示；另一種是高頻瞬時功率值，送入帶CAN總線控制器的P87C591單片機，根據上位機的要求算出目前使用的電量值，并通過CAN總線，與上位機之間實現通信。
其中電壓輸入通道(V2N，V2P)輸入電壓信號是PT測得的電壓信號在經過預防電磁干擾作用的鐵氧體和衰減網絡后進入的。
在電流和電壓信號的輸入端，進行了相應的濾波處理，以增強抗干擾能力。
ADE7755工作原理
若電壓U(t)和電流I(t)均為正弦波，且：
則瞬時功率P(t)為
平均功率P為：
ADE7755 是一種采用電壓和電流直接相乘的方法得到瞬時有功功率，再由瞬時有功功率求出平均有功功率。如圖2所示，由電壓傳感器和電流傳感器得到電壓和電流信號分別經兩路A/D轉換器轉換成數字信號送入電壓通道V2N、V2P和電流通道V1N、V1P。電流通道中的高通濾波器是用來濾除電流分量中的直流電流，以便減小電流直流分量對瞬時有功功率計算的影響。經濾波后的電壓和電流信號經乘法器相乘后，所得的信號經低通濾波器后濾掉交流分量后，得到的直流分量就是瞬時有功功率。此信號經過數頻轉換器轉換成與平均有功功率成正比的低頻信號經過F1、F2端口輸出，同時從高頻口CF輸出與瞬時有功功率成正比的脈沖信號。低頻端口F1和F2的輸出脈沖頻率freq與高頻端口CF輸出脈沖頻率fCF可由下式確定：
其中系數Gin為輸入增益，F 1-4為可由主時鐘CLKIN獲得的分頻，Uref為基準電壓，K為比例系數。
ADE7755的外圍電路中，通過輸出頻率設置電路實現對CF口輸出頻率的設置，即電表常數的設置。本電表的電表常數設定為3200imp/kwh，即計錄一千瓦的功率，要求ADE7755在CF口輸出3200個脈沖。
圖2 ADE7755的內部框圖
ADE7755是一種高精度的電量計量芯片，在工頻情況下，在500：1的動態范圍內，精度達到0.1%。技術指標超過了IEC1036標準的要求。
唯一的模擬電路是模數轉換電路，其他電路都是采用數字電路，這保證了該芯片具有足夠的抗干擾的能力。通過F1和F2實時輸出功率信息，能直接驅動電度表計數器或直接和單片機連接。
電源電路的設計
ADE7755所用的+2.5V基準電壓是用AD780實現的，其接口電路簡單。5V的基準電源電路如圖3所示：
圖3 5V基準電源電路
經過此電路可以在電源模塊MC7805的3端得到+5V的基準電源。其中R25為壓敏變阻器。
P87C591外圍電路和CAN總線部分設計
通過P87C591電路可以實現指定時間內用電量的計算、數據存儲、修改電度表數值和通過圖4所示的CAN總線收發電路實現與上位機的通信。
有關P87C591外圍電路設計，可以參見其他單片機的外圍電路設計，這里不再贅述。
圖4 CAN總線收發電路
連接P87C591和單片機之間的芯片是P82C250。圖4這部分電路的原理可以參考有關CAN總線設計方面的資料，這里也不再闡述。
軟件部分設計
本方案的軟件部分主要由主程序和中斷服務子程序組成。其中主程序完成的功能有芯片和CAN總線的初始化、進行電量的計算和存儲。
中斷服務子程序完成的功能是利用CAN總線實現和主機之間的通信和電表初值的設定。其中電表初值設置由上位機完成，這樣可以節省單片機的外圍電路并且可以防止現場人為惡意的更改電量值。其中CAN總線的初始化程序如下：
voidinit_can_controller()
{
//進入CAN控制器復位模式
CANMOD=0x01； //將CAN控制器設置為復位模式以啟動初始化
//TXDCPort(P1.1)配置
//管腳TXDC設置為推挽模式
P1M2=P1M2|0x02；//P1M2.1=’1’，P1M1.1=’0’(默認)
CANADR=BTR0； //BTR0和BTR1編程為125kbit/s@12MHz
CANDAT=0x45；
CANADR=BTR1；//TSEG1=12，TSEG2=3，SJW=2
CANDAT=0x2B；//Sample=1->sample point～81%
//驗收濾波器的配置-- Bank1的濾波器1配置為接收ID=010.0000.0xxx
CANADR=ACR10；//將地址設置到驗收代碼寄存器0(Bank1)
CANDAT=0x50；//驗收代碼0用于濾波
CANDAT=0xE0；
CANADR=AMR10；//將地址設置到驗收屏蔽寄存器0(Bank1)
CANDAT=0x00；//bank1：驗收屏蔽0
CANDAT=0x0F；//bank1：驗收屏蔽1只與高四位有關
CANDAT=0xFF；//bank1：驗收屏蔽2無關
CANDAT=0xFF；//bank1：驗收屏蔽3無關
CANADR=ACFMOD；//將地址設置到ACF模式寄存器
CANDAT=0x55；//單驗收濾波器使用11位ID(SFF)
CANADR=ACFPRIO；//將地址設置到ACF優先級寄存器
CANDAT=0xFF；//所有濾波器都為高優先級
結束語
綜上所述，由于ADE7755是專用電量計量芯片，且具有抗干擾的優點，而P87C591及其外圍電路也是當前成熟的技術，其可靠性和抗干擾性都得到了實際驗證，所以本方案簡單易行。
本方案雖是針對改進電力機車電度表而設計的。但由于電力機車工作于諧波污染嚴重工況，所以可以根據本方案針對實際情況作相應改動以適用于不同的工業場合。