基于AS8228的单相电子式电能表设计

   1 概述

　　电子式电能表在未来几年内将成为电能表市场的主流产品，而电能表内部的计量IC是体现整表性能、功能和价格的核心。美国和欧洲电子式电能表器件的主要供应商奥地利微电子公司(Austria Microsystems)推出了功率计量集成电路AS8228。该器件内部集成有精确的单/双路电流输入能量测量前端、8位8051兼容微控制单元MCU、96段液晶显示驱动(LCDD)、12个可编程多功能输入/输出脚(I/Os)、4线串行外设接口(SPI)、系统控制模块(SCT)以及由外部备用电池供电的实时时钟(RTC),基于AS8228的单相电子式电能表完全满足国际标准TEC62052和ANSI中的指标。不仅提高了能量计量可靠性，保证了计量产品在功能设计上的灵活性,而且极大简化了计量系统的开发。

　　2 主要特点和引脚功能[1]

　　AS8228的主要特点如下：

　　精确的能量测量前端为单相，单/双路电流输入，包括∑-△A/D转换器和数字信号处理器，测量误差小于±0.1%。动态范围达到1000：1[2];

　　两电流通道可进行数字相位校准和增益放大倍数选择：

　　内置的电源监视器用于上电复位和掉电监测：

　　可编程的工业标准8位8051兼容微控制器,配置了24 KB的程序RAM和1KB的数据RAM：

　　两个专为访问和调试目的配置的通用异步收发器(UART)：

　　可编程看门狗定时器：

　　可进行片上数字校准,外部备用电池供电的实时时钟/日历，能直接向微控制器提供日期、时间及警报数据，数字刻度优于6×10-6;

　　外部单独的电池电源引脚和系统复位引脚;

　　小温度系数的参考电压，典型值为30x10-6/k;

　　低功率3.0 MHz～4.0 MHz的晶体振荡器;

　　96段标准的片上LCDD接口：

　　12个可编程多功能输入/输出引脚。用于数据传输方向、上拉/下拉电阻器和驱动强度选择;

　　功率测量时可进行主电流超前或滞后主电压状态指示;

　　标准的SPI接口能从外部非易失存储器(E2PROM )中读/写数据;

　　存储温度范围：-55℃～+125℃，正常工作温度范围：-40℃～+85℃。

　　AS8228采用64引脚LQFP封装，各引脚功能如下：

　　VP，VN(1,2)：电压通道的差模模拟输入，范围是±100 mV;

　　11P，11N(3，4)：电流通道1的差模模拟输入，范围是+150 mV(PGA设置为4时);

　　12P,12N(5，6)：电流通道2的差模模拟输入，范围是±150 mV(PGA设置为4时);

　　VDDA(7)：模拟电源，3.3 V±10%供电;

　　VSSA(8)：模拟地，OV供电;

　　IO0～IO11(9～12，15～19，26～28)：可编程多功能输入/输出口;

　　VDDD(13，22)：数字电源，3.3 V±10%供电;

　　VSSD(14，21)：数字地，O V供电;

　　SI(20)：外部存储器接口(串行数据输入脚);

　　S N(23)：外部存储器接口(片选信号，低有效);

　　SO(24)：外部存储器接口(串行数据输出脚);

　　SO(25)：外部存储器接口(串行时钟输出脚);

　　TXD,RXD(29，30)：通用异步收发器UART1发送、接收端;

　　VDD_BAT(31)：后备电池电压输入端，2.0 V～3.6 V供电;

　　XIN,XOUT(32，33)：时钟输入，外接3.0 MHz～4.0 MHz晶体振荡器，典型值为3.579 545 MHz;

　　RES_N(34)：系统复位端，低有效;

　　LBP0～LBP3(37，38，39，40)：LCD块驱动输出公共端;

　　LSDO～LSD23(41～64)：LCD段驱动输出端。

　　3 AS8228的内部结构

　　图1所示为AS8228的内部结构框图。AS8228片内提供了单相计量所要求的全部功能模块，包括能量测量前端、工业标准的8位8051兼容微控制器MCU、系统计时与实时时钟模块、系统控制模块、96段LCDD以及12个可编程多功能输入/输出引脚和标准的SPI接口。

　　

　　3.1 能量测量前端

　　精确的能量测量前端是由模拟前端(AFE)和可编程DSP组成。

　　模拟前端有3路差模模拟输人，专门用于主电压、单路电流(相电流)或两路电流(相电流和中性点电流)的测量。两路输入电流先经可编程增益放大器(PGA)进行增益放大，然后经∑-△A/D转换器输出数字信号。输出结果和经∑-△调制器采样的输入电压分别经过三个可选的补偿滤波器，该滤波器补偿通过前面滤波器所产生的幅值损耗，再通过三个可选的高通滤波器除去在有效值和电能计算之前电流和电压中的直流成分，高通滤波器的转折频率小于10 Hz。滤波后的电压、电流值先用于功率计算。然后再校准计算有效值。

　　两路电流可通过两电流传感器或一只分流电阻和一个电流传感器获取，这样可确保在任何一个窃电连接装置有所改变时，即包括接人和接出的相互转换、相和中性点的相互转换、中性点撤消或同时出现这几种情况时，电表依然可以测量和记录电能[3]。内部增益放大器的增益可编程选择4、16或20。当选择不同的PGA时，输入差模电压的范围不同，获取电流的途径也不相同，如表1所示。

　　

　　电压的获取可通过低成本的电压分阻网络，使差模输入在额定条件下为100 mV。

　　计算功率时，电流取任意一路或两路中较大的一路电路，电压取线路电压或内部设定的一常数电压值(默认为083Dh，等效主电压311 V)。有功功率由瞬时功率通过低通滤波器获得，低通滤波器的截止频率为18.6 Hz。

　　如果设计成传统的单相电流计算，则只接电流通道1取相电流，通道2不连接。

　　片上DSP对ADC输出的数据进行滤波处理,为MCU提供适合的数据和协议。再由电表生产厂商对MCU自由编程实现电表要求的所有功能，包括有功功率、无功功率、视在功率、主电压有效值、主电流有效值和功率因数等。计量厂商可根据要求设计产品，保证了灵活性。

　　DSP内部有仪表数据寄存器(MDR)和设置寄存器(SREG)。MDR中存储最新的数据供MCU处理，共有5个，如表2所示。SREG对电表的相关参数进行设置和指示，共13个，如表3所示。

　　

　　

　　内部参考电压为整个电路提供温度稳定性,确保AS8228的测量精度。

　　内置的电源监视器(PSM)确保当电源电压上升和下降时，系统能独立产生复位。

　　3.2 微控制单元MCU

　　微控制单元MCU与标准的8051微控制器兼容，内含一个微处理器核、程序存储器(P_RAM)、数据存储器(X_RAM)、内部数据存储器(I_RAM)、方根计算单元、计数器Timer0和通用异步收发器UART2。其内部结构如图2所示。

　　

　　微控制单元MCU有如下特点：

　　采用了Von Neumann结构。程序和数据单元地址部分共享：

　　比标准的8051更优化的时钟周期。部分指令可以在单个时钟周期内完成：

　　8051标准的16位计数器Timer0和RS232串口UART1：

　　特殊功能寄存器：通用异步收发器UART2，方根模块SQRT：

　　完全兼容8051指令系统：

　　7个内部中断源：

　　每条指令占用6个时钟周期(标准的8051则为12个时钟周期)。

　　3.3 液晶显示驱动(LCDD)

　　LCDD几乎可以直接驱动24×4段任何类型的液晶(LCD)。LCD的数据寄存器有两组，用于轮流接收和存储将要送去显示的信息。LCDD的控制模块选择某一组寄存器，将信息译码，并适时地送到相应的段显示，使编程简单化。调节LCD对比度的电压值为均分在2.5 V～3.0 V的8个值中的一个,通过寄存器selvlcd[2：0]选取。LCD的段和公共端的驱

　　动电压有4个，分别选定电压值的0、1/3、2/3和l。

　　3.4 串行外设接口(SPI)

　　串行外设接口是一个同步、位串联的4线接口，全双工传输数据，用于直接与外部E2PROM通信。通信时，SPI与E2PROM有严格的主从关系，系统启动后，引导装入程序控制SPI自动读取E2PROM中的内容,然后才可对MCU编程。其主要特点如下：

　　标准的4线同步串口(SI，SO，SC，s_N);

　　只运行在主方式下;

　　8位的字长;

　　SC空闲时为高电平;

　　先发送最高位;

　　4个可供选择的时钟配置;

　　SPI时钟分辨率可在mcu_clk/2～mcu_clk/65536之间选择：

　　3个可屏蔽中断：传输完成，溢出和传输碰撞。

　　当S N=0时,数据在SC的下降沿输出，上升沿输入。其时序如图3所示。

　　

　　SPI由4个寄存器对其进行管理，分别为控制寄存器(SSPCON)、时钟配置寄存器(SSPCLKDIV)、状态寄存器(SSPSTAT)和数据寄存器(SSPBUF)，地址空间范围为：9400h～9403h。

　　3.5 系统控制模块(SCT)

　　SCT在处理不同的运行方式(正常方式、测试方式)，时钟产生和复位控制等方面起作用。内部异步收发模块UART1提供AS8228与外部通信的接口，包括写入程序和数据。E2PROM中的程序就是直接通过UART1端口RXT写入的，也可通过UART2和

　　MCU写入,但此时需要一个专用的NCU程序处理此数据流和指定专用的I/O口作为,AS8228与外部通信的接口。当然，要从E2PROM中读取数据，也可以通过UART端口。传输协议为：

　　

　　3.6 系统计时和实时时钟模块

　　系统计时和实时时钟模块内部包含低功率晶体振荡器(LP_OSC)，低功率分配器(LP_DIV)和实时时钟模块(RTC)。当外部电源VDD供电中断时，由AS8228的VDD_BAT引脚外接3.3 V后备电池供电。

　　低功率振荡器外接3.0 MHz～4.0 MHz的晶体振荡器，提供系统时钟。振荡器可工作在两种模式：正常模式和低功率模式。低功率模式时电路其他部分不工作。

　　低功率分配器先将振荡器提供的主时钟除以固定值5作为可编程分配器输人，通过设置相关的寄存器对输入时钟进行分割，给实时时钟模块提供1 Hz的信号。时钟模块与MCU之间通过专用的接口寄存器相连。

　　4 AS8228应用电路设计

　　图4是AS8228在电能计量中的典型应用电路。3.3 V的工作电源是通过电压调节电路直接从线路上取得。

　　通道1的电流是用一个分流电阻获取，分流电阻的大小与PGA的选取和主电流大小均有关。若PGA=20,主电流的有效值Irms=60 A，则分流电阻Rsh=30 mV/(21/2×60 A)=354μΩ。

　　通道2的电流是电流传感器获取，电流传感器的次级绕阻输出负载阻抗大小与额定条件下其二次侧电流有效值和,PGA的选取有关。若电流传感器的型号为60 A/24 mA,PGA=4，则输出负载阻抗，

选择4.3 Ω。

　　若电压通道接入的电压有效值为230 V，则由电压分阻网络可得：

　　

　　12个输入/输出端可以指定为输入或输出。它通过相关的寄存器编程设置数据传输方向、上拉或下拉电阻以及驱动强度(4 mA或8 mA)。寄存器总共5类，分别为：配置寄存器、输入寄存器、输出寄存器、脉冲计数寄存器和状态寄存器,地址空间范围为9500h～951Fh。本设计任意选择三个端口分别用于校表、能量方向指示、电流通道1或通道2选择。

　　

　　与SPI接口连接的E2PROM必须满足AS8228对外部存储器的最低要求：

　　典型的SPI引脚：EEP_SI、EEP_SO、EEP_SC、EEP_S_N;

　　为了满足当mcu_clk最大为4 MHz时，程序被正确的引导装入,串行输入时钟≥1 MHz。

　　状态寄存器如下所示：

　　

　　BP0，BP1用于指定保护数据块的大小，如表4所示。

　　

　　从表中可以看出，所指定保护数据块的大小依赖于具体E2PROM的大小。b0位必须是WIP，指示是否正在对E2PROM进行写操作：

　　引导装入程序通过配置至少要有4条指令(WREN、RDSR、READ和WRITE)下载用户程序，系统控制单元通过两条指令(READ_和WRITE_P)上载用户程序和数据到E2PROM;

　　E2PROM运行有两种模式：CPOL=O,CPHA=0和CPOL=1，CPHA=1(推荐)。在CPOL=1，CPHA=1模式下，数据在SC的下降沿输出，上升沿输入;空闲时，SC为高电平;

　　数据循环存放，即当存储数据的地址达到存储器的最大地址时。地址指针指向0000h;

　　程序的长度放在地址内容的最高两位，数据读写时先取指令、地址，再传输数据长度和内容。

　　为了满足以上要求，选用Microchip公司的25AA640-I/SN。其存储容量为8 KB，工作电压范围为1.8 V～5.5 V。最大时钟频率为1 MHz[4]。

　　后备电池电压在2.0 V～3.6 V之间选取，这里选用3.3 V。

　　5 结束语

　　AS8228是一种低功耗、高精度和高性能的能量计量电路。它内部集成了电力公司所要求的全部防窃电功能。确保电表在大部分逆向篡改运行情况下能正常地计量用电量，不仅提高了计量可靠性，大大减轻了编程人员的负担，保证了计量厂商在计量产品功能设计上的灵活性。而且使得计量系统的开发得到极大的简化，缩短了产品上市时间。