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1、1,第二章 智能电表的结构与原理,2.1智能电表的构成与功能 2.2 71M6542F SOC芯片及应用 2.3 ATT7O22A SOC芯片及应用,2,2.1智能电表的构成与功能,1.智能电度表系统的结构框图如图,3,2.智能电度表系统的构成与功能：1/3,1、电源模块。 外部直流110V电源转变为系统内部三路直流5V电源,为电度表其它部分提供稳定可靠的电源。 2、采样电路及电能计量单元。 电压采样电路采用互感器采样为主、电阻分压采样备用的方式, 电流采样采用互感器采样进行电量采样。 测量并上传数据采用电能计量专用芯片。,4,2.智能电度表系统的构成与功能 ：2/3,3、MCU及外围电路,实
2、现电度表的控制。 4、显示采用LED和发光二极管进行显示,满足使用要求,价格便宜。 5、存储使用两片串行EZPROM:93LC66B、AT45DB04lB。,5,2.智能电度表系统的构成与功能：3/3,6、通讯功能。 通讯接口实现4种通讯功能: (1)使用上位机软件,进行纯软件校表。采用纯软件校表,界面清楚、操作简单,大大减少了校表工作量。 (2)同TAXZ装置通信,实现运行数据和电量的结合。 (3)采用无线通讯模块,实现了数据的自动远程传输。 (4)外接手持终端,人工读取、写入数据。,6,2.2 71M6542F SOC芯片及应用,71M6542F是高集成度单相电表 SOC芯片，主要包括：
3、兼容8051的MPU、带有数字补偿的低功耗实时时钟(RTC)、闪存存储器和LCD驱动器。 内置一路 22位 的ADC转换器、三路或四路模拟输入、数字温度补偿、精密电压基准和32位计算引擎(CE)。 基于该芯片，可以简化电能表的软件和硬件设计，减少电能表系统芯片数量。,7,1.71M6542F 芯片的结构,芯片内部主要可分成的3个模块单元： 模拟采样的前端模块、 管理单元模块、 电能计量模块。,8,芯片内部：,芯片的模拟前端是一个具有22位的ADC转换器。 芯片支持6路模拟信号输入和1路基准电压输入，支持自动数字温度补偿。 一个独立的32位计算引擎（CE）构成电能计量模块的核心，CE的内部是一个
4、数字信号处理器(DSP)，通电后将自动载入并运行CE代码，对ADC转化器得来的电压、电流等实时数据进行处理与运算。 管理单元模块核心实际上就是一个8051内核的微控制器(MPU)，主要对CE计算得到的数据进行电能参数的后续管理。,9,2. 71M6542F的特性：1/2,（1）在2000:1工作电流的宽动态范围内，电能计量精度高达0.1%； （2）优于IEC 62053/ANSIC 12.20标准的性能要求； （3）两路电流传感器输入，可选择差分模式，主通道电流输入可选择1或8倍的增益，支持分流器； （4）独立的32位计算引擎，高速脉冲输出，可编程脉冲宽度；,10,2. 71M6542F的特性
5、：2/2,（5）带有数字温度补偿：包括对计量补偿和对高精度RTC的补偿，用于晶振自动温度补偿的TOU功能，支持所有功率模式； （6）三种备份电池供电模式，包括：掉电模式(BRN)、LCD模式(LCD)和休眠模式(SLP)，休眠模式电流损耗仅为1A； （7）8位的MPU(80515)，高达5MIPS的运算速率；,11,3. 71M6542F 芯片的工作原理,71M6542F包含了能够实现远程费控单相智能电表的所有功能组件，只需要加上一些简单的外围功能电路，即可以设计得到满足国家电网规范要求的单相智能电表。 71M6542F在上电后，同时要进行计量和管理工作，这就相当于单芯片双核的工作方式。 CE
6、独占一个工作流程，采用了累加的方式完成电能量的计算。,12,（1）计量引擎CE的工作原理,电源给负载提供能量可以表示为：,若相角保持不变，则下式均成立：,13,电压、电流、瞬时功率和累积功率随时间变化的波形 ：,其中，电压和电流信号为50个采样点，周期为20ms。 电压是240V的交流电，电流是100A，经过计算，应用在20ms周期内的累积结果为 480Ws（即0.133Wh），如图中的累积功率曲线所示。,图:电流、电压、瞬时能量和累积能量的波形图,14,（2）CE与主控制器之间交互的工作原理,在典型应用中，32位的CE顺序处理来自IA、VA、IB等引脚的采样值，并进行计算，分别得到有功功率、
7、无功功率、电流的平方和电压的平方，以实现四象限计量。 然后，控制器通过与CE共享的RAM区对这些测量值进行存取，并计算处理，电表还可以通过主控制器来控制外围器件输出脉冲，如图所示。,15,MPU 与 CE 之间的数据流交互图,CE提供6种中断，实时上报给MPU当前工作状况，包括4个脉冲中断和2个工作中断：WPULSE（有功能量脉冲）、VPULSE（无功能量脉冲）、XPULSE和YPULSE（辅助脉冲）、CE_BUSY、XFER_BUSY。,16,4. 71M6542F 芯片的优点,（1）高集成度，对环境的要求较低，系统的性能和可靠性得到了极大提高； （2）芯片的内部资源非常丰富，以此芯片为核心
8、的设计省掉了许多外围器件，系统的成本大幅度的降低； （3）支持多种采样前端的设计，优化了PCB板的设计，计量精度高。,17,2.3 ATT7O22A SOC芯片及应用,1. ATT7022A的特性：1/2 ATT7022A在输入动态工作范围(1000:l)内,非线性测量误差小于0.1%, 可准确测量到含21次谐波的有功、无功和视在功率。 芯片内部集成了六路AD转换器,参考电压电路以及所有功率、能量、有效值、功率因数以及频率测量的数字信号处理电路。 它能够测量有功功率、无功功率、视在功率、正反向有功能量,正反向无功能量以及电压电流有效值、功率因数、相角、频率等参数,充分满足多功能电度表的需求。,
9、18,1. ATT7022A的特性:2/2,ATT7022A支持全数字域的增益、相位校正,即纯软件校表。 有功、无功电能、脉冲输出CFI、CFZ提供瞬时有功、无功功率信息。可以直接接到标准表,进行误差校正。 ATT7022A提供一个SPI接口,方便与外部MCU之间进行计量参数以及校表参数的传递。,19,2. ATT7022A的内部结构,TT7O22A的内部结构主要包括： 电源监控电路、 模数转换电路 计量模块。,20,3.ADC的结构框图,ATT7022A片内集成了6路16位的ADC,采用双端差分信号输人。其结构框图如图所示。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。,21
10、,4.ATT7022A的工作原理,ATT7022A的数字信号处理如图所。 ATT7022A经采样模块后进行的电量计算主要包括有功功率、有功能量、无功功率、无功能量、视在功率、视在能量、电压有效值、电流有效值、频率等。 其中,各相的有功功率是通过对去直流分量后的电流、电压信号进行乘法、加法、数字滤波等一系列数字信号处理后得到的。,22,数字信号处理框图,23,有功功率的测量原理图,有功能量通过瞬时有功功率对时间的积分得到,单相有功能量的计算公式为:,24,5. 采样电路,原始参数的正确采样是ATT7022A正确输出的基础,采样电路的设计直接关系到系统的测量准度及精度。 电压采样电路采用互感器采样
11、为主、电阻分压采样备用的方式,电流采样采用互感器采样进行电量采样。 电力机车电网电压为19000V29000V,额定25000V,额定电流为90A,最大电流为300A,通过机车互感器将电压转换成230V,电流转换成1.5A(6A)。 为了满足ATT7O22A电压和电流ADC通道的输入要求,采用电阻分压、电压和电流互感器将输入电压变换为0.5V左右,将输入电流变换为O.1V左右。,25,（1）电压、电流互感器采样电路,26,（2）电阻采样电路,负载电压经RG15、RG16构成的电阻分压网络,在RG16上得到取样电压,经CGI滤波后输入到芯片电压采集的正向管脚。,27,（3）ATT7O22A测量接线图原理图,28,智能电表SOC芯片比较,来源于 Teridian、 TI公司、 杭州万工、 炬力的四款SOC芯片,
