AT73C500 501在智能电参量测量模块中的应用.doc

AT73C500/501在智能电参量测量模块中的应用龙源电气有限公司（100089） 陈安卫摘要： 介绍了美国ATMEL公司新型专用电能量测量专用芯片组AT73C500/501的性能指标和工作原理；给出了采用此芯片组的电参数测量模块应用设计要点和抗干扰设计方法；并利用PC机编写自动参数校准软件实现快速精确配置模块测量系数；实现了简单通用的智能电参量测量模块。关键词：电参量测量 AT73C500/501 参数校准 AVR单片机 抗干扰近几年来，国外许多IC设计制造公司推出了系列电参量（针对工频电网的电压、电流、有功、无功、频率等参数）测量的专用芯片，如CS5460A、ADE7755、AT73C501/500等，利用它们可以方便实现单相、三相电能表的设计，达到很高的测量精度，同时大幅降低产品成本。这些不同的电参量测量芯片功能各有侧重、性能各有所长。我们在使用这些芯片过程中，发现不少特殊问题，并针对这些特点设计了通用的智能电参量测量模块。本文作者根据实际应用AT73C501/500过程中出现的问题对该芯片组的应用进行了深入探讨，给出了相应解决办法。同时，设计了高效的电参量测量模块校准软件，实现电参量测量模块自动、快速生产调试。1. AT73C500/501芯片简介1.1 芯片性能指标AT73C500/C501为美国ATMEL公司2000年推出的电能测量专用芯片组，其中AT73C501为AD变换芯片，用于测量前端信号采样；AT73C500为DSP芯片,根据AT73C501的采样数据完成电参量的计算。使用这两种芯片配合工作测量三相电参数具有如下特点：l 满足IECl036 1级精度要求l 使用外部温度补偿的参考电源满足IEC687 0.5和0.2级精度l 测量三相有功功率、无功功率、视在功率和电能l 测量功率因数、电网频率、电压和电流有效值l 多相或单相运行l 接口灵活：具有8位微处理器接口、8位状态输出、8路脉冲输出l 支持增益和相位校准l 支持低端非线性校准l 启动电流可编程l 最大可测带宽1kHzl 单+5V供电l 校准数据可以从串行EEPROM读取，也可以从外接微处理器读取。 1.2 AT73C500/501芯片简介AT73C501（图1）是28引脚PLCC封装的六路Sigma-Delta AD变换器。AT73C501内部包含六路16位AD变换器、一个参考电压发生器、一个电源电压监视单元和一个时钟单元。每路A/D变换器都由高性能、过采样的Sigma-Delta调制器和数字均分滤波器组成。芯片的AIN1、AIN3、AIN5为电流采样通道输入，AIN2、AIN4、AIN6为电压采样通道输入，所有六路A/D输入都是单端输入，简化了外围设计；其它主要管脚：ACK采样数据输出准备好；XO、XI-接外部晶体3.2768M，提供工作时钟；CLK-提供DSP AT73C500工作时钟输出；CLKR串行总线数据输出时钟；FSR输出采样的帧信号；DATA-串行总线采样数据输出；图1：AT73C501管脚图AT73C500（图2）为44引脚PLCC封装的新型电能测量专用DSP芯片，它具有一个高效的数字信号处理器(DSP)内核；DSP技术的使用使AT73C500具有其他电能测量芯片所没有的一些特点和复杂功能。主要管脚简介：B0-B7 -MCU总线；B8-B15 -状态、工作模式总线；IRQ1接AT73C501的ACK,外部采样数据中断请求；CLK时钟输入，3.2768M;STROBE,BRDY,RD/WR,ADDR0,ADDR1AT73C500和外部MCU的数据传输接口信号；SOUT0时钟输出给外部串行EEPROM；SOUT1串行输出，作为AT73C500的片选信号或外部EEPROM的数据输入(DI)；SIN串行数据输入，接收AT73C501或外部EEPROM的数据输入(DO);SCLK串行位时钟输入来自AT73C501;图2：AT73C500管脚图1.3 芯片组工作原理和时序芯片组主要工作原理是：DSP AT73C500从AT73C501读入三相电压、电流的采样值，对采样信号进行高通滤波，然后进行各种电参数的计算。所有计算除频率外都在10个电网周期内完成，结果修正后分成6个数据包，由数据总线输出，送到外部MCU进行处理显示。每个数据包之间至少有一个电网周期（20ms）的间隔。6个数据包循环输出的时序如图3图3：6个数据包循环输出时序所示。AT73C500的数据输出可分成三类：发给外围单片机的数据、状态信息输出以及脉冲输出。数据总线既作为脉冲输出，又作为单片机接口。每包数据输出时序中头四个字节包含有同步信息、工作模式信息及状态信息，剩下12个字节装载实际测量结果。如图4为一个数据包时序；图4：一个数据包时序 AT73C500在正常上电工作时，需要加载特定的校准数据到内部寄存器中。AT73C500具有EEPROM模式和微处理器模式两种工作模式。EEPROM模式下芯片校准数据从串行EEPROM读入；在微处理器模式下校准数据由单片机从AT73C500的数据总线送入，如图5。AT73C500工作在EEPROM模式时仍然可以使用外接微处理器。图5：上电校准数据加载时序2智能电参量采集模块设计我们设计的智能电参量采集模块用于低压变压器在线监测设备中，测量模块作为关键的台变运行监测部件，要求设计成通用性强的采集模块，这样可以方便的和现有的各种设备接口，扩展现有的设备功能。应具有造价低，可靠性强，便于维护等优点。针对功能需求，在综合对比几种电能量测量芯片的价格、性能、系统实现难易程度等几方面的基础上，我们采用AT73C500/501设计了智能电参量采集模块。2. 1智能电参量采集模块前端原理框图电参量采集模块前端以AT73C500 /501为核心，由信号取样电路、逻辑电路及其他元器件测量单元结构共同组成。三相电压信号分别使用电阻分压器的互感器提取。被测三相电流由一次电流1.5(6)A、二次电流5mA、二次负荷20Q的电流互感器转化为电压信号。图6为测量采集模块原理框图。图6：数据采集前端AT73C500/501原理图选择AT73C500的工作模式时考虑到，由于校准数据直接影响测量精度，而且每次复位后AT73C500都要重新读入校准数据，如果AT73C500使用微处理器模式，导入校准数据的握手协议过于复杂，需要单片机软件干预，因此从可靠性角度考虑AT73C500被设置成EEPROM模式,将校准数据从EEPROM AT93C46中读出,同时，单片机也能对AT93C46内的校准数据读写。前端测量电路工作流程：上电复位后，单片机对AT73C500复位，然后AT73C500进行初始化工作：首先将RDWR写高，状态模式总线上的四个三态门被选通，AT73C500通过BUSl2至BUSl5读入模式信息。在判断工作模式为EEPROM模式后，AT73C500向状态模式总线的最低位(BUS8)写低电平，经逻辑译码电路(GAL20V8)后产生初始化信号CS1。CS1信号选通串行EEPROM AT93C46，AT73C500读出存储在AT93C46中的校准数据。校准数据读出以后AT73C500向BUS8写高电平，经锁存后CS1变成高电平，初始化阶段结束，测量单元开始正常的测量工作。AT73C501开始通过同步串行总线向AT73C500传送采样结果。AT73C500的计算结果有两种输出方式：一种是以数据的形式输出，另一种是以脉冲的形式输出。两种方式共用数据总线，因此使用逻辑译码电路(GAL20V8)区分。当有一包数据要输出时，AT73C500向状态总线的BUS9写高电平脉冲，经锁存后产生数据就绪信号DATRDY，DATRDY信号用于通知外接单片机总线上数据就绪，此时ADDR0为低电平，无脉冲输出。数据输出结束后DATRDY变为低电平。一包数据输出的时序图如图所示。数据总线输出脉冲时DATRDY始终为低电平，同时RDWR为低电平，ADDR0为高电平。 22 AT73C500数据采集接口单元设计221单片机选型对智能电参量采集模块的各项数据进一步加工处理和与外部通信等功能一般要由单片机来完成。前端测量单元的测量结果由AT73C500的数据总线送出。AT73C500的数据总线为并行总线，总线上数据传输速度非常快，其中锁存信号STROBE的脉宽仅为153ns。基于速度、成本上的考虑我们选用美国ATMEL公司的精简指令集(RISC)AVR单片机AT90S8535实现接口单元的功能。AT90S8535内部8K Flash程序存储器，512SRAM。使用8MHz的晶振，每条指令的执行时间仅为125ns。222接口逻辑控制电路由于AT73C500/501有多种工作模式和数据传输方式，同时系统存在一片EEPROM AT93C46 存储器，保存校准参数信息；AT93C46必须能够由单片机读写，还要能由AT73C500读取系数。考虑到还有其它的复杂数据控制接口信号，因此采用一片PLD GAL20V8实现复杂逻辑功能和数据、地址译码。图7为接口逻辑控制电路图7：接口逻辑译码电路和方程223 单片机数据采集接口单元 测量单元的测量结果通过并行数据总线高速输出，因此如何准确及时地接收总线上的数据是接口单元要解决的首要问题。AT73C500数据总线时序中有两个不利于数据接收的问题：一是数据写到总线选通STROBE信号低电平宽度太窄不利于单片机捕捉，这个问题即便使用了AVR单片机依然不能忽视。如果AT90S8535采用查询普通I/O口的办法捕捉STROBE脉冲，查询一次至少要执行两个单周期指令或执行一条两周期指令，执行时间最少为250ns，超过了STROBE低电平的宽度(153ns)，因此丢失数据的可能性非常大。为了准确地捕捉STROBE信号，该信号被连接到AT90S8535外中断0的输入引脚(1NT0)，当INT0引脚上的STROBE信号触发了INT0中断请求时，通用中断标志寄存器GIFR中的INTF0位被置1。AT90S8535通过查询INTF0位，判断是否出现STROBE信号。使用这种方法STROBE低电平状态由单片机硬件捕捉，不存在丢失STROBE事件的可能性，只要在下一次中断申请出现以前将INTF0位清除即可。另一个不利于数据接收的问题是两个STROBE信号之间的时间过短，最短时间间隔只有11个时钟周期(32768MHz)。针对这种情况，考虑到数据包有效时的信号DATARDY可以利用，将DATARDY接到INT1引脚，利用DATARDY和STROBE的关系，进行数据接收,硬件连接见图8。图8：数据采集接口单元原理图3 智能电参量采集模块软件设计电参量采集模块软件主要是单片机AT90S8535的控制软件。软件主要的功能是完成对AT73C500/501的配置，测量数据的处理，同时利用外部通信接口传输采集的数据，响应外部设备的各种查询，校准数据设置操作。而程序设计的难点在于对AT73C500测量数据的采集。采集程序初始化时，只允许INT1中断(由数据包准备好标志DATARDY触发)，当DATARDY有效时，进入INT1中断时，在中断内允许INT0中断（由数据写到总线选通STROBE信号触发），这样在INT1中断程序内，查询到STROBE引起的中断有效标志INTF0后，马上读出AT73C500写到总线的数据，然后清除INTF0,等待接收下个数据，直到把1个完整数据包16个字节全部接收完成，再退出INT1中断。由于每包数据之间有至少20ms的间隔时间可供AT90S8535处理，这样接收完成包数据后，在20ms的时间内由AT90S8535完成对包数据的分析处理，依次完成6包数据的接收处理。关键的数据包中断接收代码程序如示例。interrupt EXT_INT1 void ext_int1_isr(void)#asm(cli) /禁止所有中断GIMSK=0x40; /禁止 int1,允许 int0strobe1:if(GIFR=0)goto strobe1;/等待第1个数据选通信号有效temp_pack0=PINB; /syncls 读出同步数据1GIFR=0xc0;BRDY=0;strobe2:if(GIFR=0)goto strobe2; /等待第2个数据选通信号有效temp_pack1=PINB; /syncms读出同步数据2GIFR=0xc0;BRDY=0;重复依次读取temp_pack2-temp_pack14共13个字节;strobe16:if(GIFR=0)goto strobe16; /等待第16个数据选通信号有效temp_pack15=PINB; BRDY=0;GIMSK=0x80;GIFR=0xc0;/读完16个字节，完成1包数据接收#asm(sei)图9：DATARDY中断程序代码4 .校准数据的产生和模块调试设计智能电参量采集模块时，对输入的电压和电流，采用测量用的精密小型CT,PT，将工频电网电压电流信号变换为AT73C501可以接受的信号输入范围。由于互感器存在非线性和相移，导致变换后的信号和原始的工频电网测量信号存在增益偏差、相移偏差等，最终导致测量结果出现误差，因此必须对此误差进行修正。AT73C500内部有22个校准系数寄存器，通过设置不同的系数值，可以方便实现相位补偿、电压增益补偿、电流增益补偿校准(正偏差和负偏差)等。这些系数在AT73C500上电期间可以从外部配置EEPROM AT93C46或MCU读入，然后根据系数，修正测量结果。对于智能电参量测量模块的生产调试，我们设计了一套自动配置校准参数的软件。软件原理校准软件根据校表台输出的标准参数，和从电参量测量模块读取的测量结果，不断调整校准系数，不断将计算出的系数写入EEPROM AT93C46中，然后让AT73C500加载新的系数重新测量，再比较，再修正，不断反复直到测量误差满足校准要求为止,然后，将获得的校准数据写入AT93C46中。系数校准的先后次序依次为相位、增益。软件界面如图10所示,采用此方法后，大幅提高了模块的生产调试效率，保证了模块的测量精度。图10 ：自动参数校准软件5 电参量测量模块抗干扰设计在设计调试电参量测量模块过程中，我们发现很多问题，最严重的问题是在测量过程中，当在AT73C501信号输入端出现电压尖峰脉冲干扰时， AT73C5