基于ATT7022在线宽量程电能测量仪的设计

摘    要：本文对ATT7022的性能特点和电路结构，以及实时在线宽量程测量系统的方案、系统的组成，包括硬件的配置、软件设计、工作原理、功能和技术性能进行了论述。
关键词：ATT7022;  实时测量; 宽量程;  仪表

引言
    基于ATT7022芯片的设计旨在使设计方案合理、成为性价比较好的产品,特别是在测量范围方面有所突破。电流测量范围为0~500A，可实现多个量程之间的自动平滑切换，且三相四线或三相三线可人工转换；测量精度达到0.2和0.5级；测量的采样频率为3.2KHz~25.6KHz，并能根据要求从键盘输入互感比、盘转数和测定转数，并能随时修正，以及从液晶屏上实时显示误差百分比、三相电压、三相电流、相位、功率因数、向量图、功率和电能等参数，未工作时显示菜单。

        图1  ATT7022的内部电路框图

           图2 系统总图

          图3  输入接口电路
ATT7022的内部电路结构
    如图1所示，ATT7022的内部主要包括电源监控电路、ADC和计量模块。电源监控电路对模拟电源(AVcc)进行监控，当电源电压低于4V±5%时，芯片将被复位。ATT7022片内集成了6路16位的ADC，采用双端差分信号输入。最大输入电压是1.5V，即可以输入最大的正弦信号有效值是1V。建议将电压通道Un对应ADC的输入选在0.5V左右，而电流通道Ib对应ADC的输入选在0.1V左右。

系统硬件实现方案
    系统整体方案设计如图2所示，该系统主要分为5个部分：前端采集模块、运算处理模块、存储模块、键盘输入模块和显示模块。

前端采集模块
    采集部分采用钳型互感器和三个计量芯片ATT7022同时采集，依据采集电流的大小进行判断识别、自动切换数据传输和接收。

    本文选择的电流互感器规格是一次电流分别为0~500A、0~10A,二次电流为10mA、2mA,精度0.05级，负载为20，电压互感器规格为220V/0.5V。输入接口电路如图3所示。

运算处理模块
    采用华邦W78E516B实现与ATT7022芯片的数据通信，并进行相应运算、驱动LCD显示、控制键盘输入、数据的存储及与USB芯片的接口通信等功能。W78E516B 微处理器支持较宽的电压变化范围，大大增加了芯片的抗干扰性能。它与工业标准的80C51微处理器系列完全兼容，包含4个8位的双向并行口，一个额外的4位寻址I/O口(Port 4), 3个16-bit timer/counters, 一个watchdog timer 和一个标准的UART. 包含512B的 RAM 和64KB的闪存，具有64KB程序存储地址空间，64KB外部数据存储地址空间， 双数据寻址指针，时钟工作频率达40MHz。

存储模块
    数据的缓冲采用8KB RAM (HM6264B) ；数据的存储采用4KB EEPROM (AT28C64B)。

显示模块
    显示部分采用精电蓬远SED1335图形液晶显示驱动模块，320×240彩色液晶屏。由单片机驱动显示。

通信模块
    采用RS-232和USB(CH375)接口，实现计算机对电流钳校验参数、校表参数的写入和显示数据的输出控制。

系统的软件实现
驱动程序
显示驱动程序：LCD 显示驱动程序主要负责显示实时数据的大小、位置、颜色、色度、闪烁速度、光标处理等与硬件有关的操作，作为显示数据和硬件之间的载体。

键盘驱动程序：主要完成扫描和键值的返回及按键次数的判断。

存储驱动程序：主要完成整型、实型、浮点型等数据的存储和读取，完全屏蔽硬件和数据类型的差异。

采样驱动程序： 主要完成与ATT7022电路有关的功率、能量、有效值、功率因数以及频率测量等有效参数的读取和开机校表数据的读入。

运算程序
主要完成对读入的采集信号值进行比较，计算误差百分比、常规的比例运算、非常规数据处理等运算处理工作。 

显示和菜单算法
完成图形和汉字显示初始化和数据显示及动态图形处理、多级菜单的处理、菜单的切换、存储位置的定义等操作。

通信程序以及异常处理程序
主要完成与ATT7022的通信，以及与上位机校表参数等数据通信。

结语
    本文设计的基于ATT7022的在线宽量程电能测量仪能够实现在线宽量程电能(不同电流、电压范围)的精确测量，并可以与其它测量设备进行在线实时误差比较分析，求出误差百分比。实时显示相关数据。经实际测试，系统运行良好。