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基于AT73C500/501專用芯片組的電參量測量模塊
摘要：介紹美國Ateml公司新型專用電能量測量專用芯片組AT73C500/501的性能指標和工作原理；給出采用此芯片組的電參數(shù)測量模塊應(yīng)用設(shè)計要點和抗干擾設(shè)計方法，并利用PC機編寫自動參數(shù)校準軟件，實現(xiàn)快速精確配置模塊測量系數(shù)；實現(xiàn)簡單通用的智能電參量測量模塊。關(guān)鍵詞：電參量測量專用芯片組AT73C500/501參數(shù)校準AVR單片機
近向年來，國外許多IC設(shè)計制造公司推出了系列電參量（針對工頻電網(wǎng)的電壓、電流、有功、無功、頻率等參數(shù)）測量的專用芯片，如CS5460A、ADE7755、AT73C500/501等。利用它們可以方便實現(xiàn)單相、三相電能表的設(shè)計，達到很高的測量精度，同時大幅降低產(chǎn)品成本。
這些不同的電參量測量芯片功能各有側(cè)重，性能各有所長。我們在使用這些芯片過程中，發(fā)現(xiàn)不少特殊問題，并針對這些特點設(shè)計了通用的智能電參量測量模塊。本文根據(jù)實際應(yīng)用AT73C500/501過程中出現(xiàn)的問題，對該芯片的應(yīng)用進行了深入探討，給出相應(yīng)解決辦法；同時，設(shè)計了高效的電參量測量模塊校準軟件，實現(xiàn)電參量測量模塊自動、快速生產(chǎn)調(diào)試。
圖1
1AT73C500/501芯片簡介
1．1芯片性能指標
AT73C500/C501為美國Atmel公司2000年推出的電能測量專用芯片組。其中AT73C501為A/D變換芯片用于測量前端信號采樣；AT73C500為DSP芯片，根據(jù)AT73C501的采樣數(shù)據(jù)完成電參量的計算。使用這兩種芯片配合工作測量三相電參數(shù)個有如下特點：
*滿足IEC1036一級精度要求；
*使用外部溫度補償?shù)膮⒖茧娫矗瑵M足IEC687的0.5和0.2級精度；
*測量三相有功功率、無功功率、視在功率和電能；
*測量功率因數(shù)、電網(wǎng)頻率、電壓和電流有效值；
*多相或單相運行；
*接口靈活，具有8位微處理器接口、8位狀態(tài)輸出、8路脈沖輸出；
*支持增益和相位校準；
*支持低端非線性校準；
*啟動電流可編程；
*最大可測帶寬1kHz；
*單+5V供電；
*校準數(shù)據(jù)可以從串行EEPROM讀取，也可以由外接微處理器讀取。
1.2AT73C500/501芯片簡介
AT73C501是28引腳PLCC封裝的六路Sigma-DeltaA/D變換器。AT73C501內(nèi)部包含六路16位A/D變換器、1個參考電壓發(fā)生器、1個電源電壓監(jiān)視單元和1個時鐘單元。每路A/D變換器都由高性能、過采樣的Sigma-Delta調(diào)制器和數(shù)字均分濾波器組成。
芯片的AIN1、AIN3、AIN5為電流采樣通道輸入，AIN2、AIN4、AIN6為電壓采樣通道輸入，所有六路A/D輸入都是單端輸入，簡化了外圍設(shè)計。其它主要引腳有：
ACK—采樣數(shù)據(jù)輸出準備好；
OX、XI—接外部晶體3.2768MHz，提供工作時鐘；
CLK—提供DSPAT73C500工作時鐘輸出；
CLKR—串行總線數(shù)據(jù)輸出時鐘；
FSR—輸出采樣的幀信號；
DATA—串行總線采樣數(shù)據(jù)輸出。
AT73C500為44引腳PLCC封裝的新型電能測量專用DSP芯片，具有一個高效的數(shù)字信號處理器（DSP）內(nèi)核，DSP技術(shù)的使用，使AT73C500具有其它電能測量芯片所沒有的一些特點和復(fù)雜功能。主要引腳如下；
B0～B7—MCU總線；
B8～B15—狀態(tài)、工作模式總線；
IRQ1—接AT73C501的ACK，外部采樣數(shù)據(jù)中斷請求；
CLK—時鐘輸入，3.2768MHz；
STROBE、BRDY、RD/WR、ADDR0
、ADDR1—AT73C500和外部MCU的數(shù)據(jù)傳輸接口信號；
SOUT0—時鐘輸出給外部串行EEPROM；
SOUT1—串行輸出，作為AT73C500的片選信號或外部EEPROM的數(shù)據(jù)輸入（DI）；
SIN—串行數(shù)據(jù)輸入，接收AT73C501或外部EEPROM的數(shù)據(jù)輸入（DO）；
SCLK—串行位時鐘輸入來自AT73C501。
2智能電參量采集模塊設(shè)計
我們設(shè)計的智能電參量采集模塊，用于低壓變壓器在線監(jiān)測設(shè)備中。測量模塊作為關(guān)鍵的臺變運行監(jiān)測部件，要求設(shè)計成通用性強的采集模塊。這樣，可以方便地和現(xiàn)有的各種設(shè)備接口，擴展現(xiàn)有設(shè)備的功能。應(yīng)具有造價低，可靠性強，便于維護等優(yōu)點。針對功能需求，在綜合對比幾種電能量測量芯片的價格、性能、系統(tǒng)實現(xiàn)難易程度等幾方面的基礎(chǔ)上，我們采用AT73C500/501設(shè)計了智能電參量采集模塊。
2.1智能電參量采集模塊前端原理
電參量采集模塊前端以AT73C500/501為核心，由信號取樣電路、邏輯電路及其它元器件測量單元結(jié)構(gòu)共同組成。三相電壓信號分別使用電阻分壓器的互感器提取。被測三相電流由一次電流1.5A或6A、二次電流5mA、二次負荷20Ω的電流互感器轉(zhuǎn)化為電壓信號。
圖1為測量采集模塊原理。
選擇AT73C500的工作模式時，由于校準數(shù)據(jù)直接影響測量精度，而且每次復(fù)位后AT73C500都要重新讀入校準數(shù)據(jù)，如果AT73C500使用微處理器模式，導(dǎo)入校準數(shù)據(jù)的握手協(xié)議過于復(fù)雜，需要單片機軟件干預(yù)；因此從可靠性角度考慮，AT73C500被設(shè)置成EEPROM模式，將校準數(shù)據(jù)從EEPROMAT93C46中讀出，同時，單片機也能對AT93C46內(nèi)的校準數(shù)據(jù)讀寫。
前端測量電路工作流程：上電復(fù)位后，單片機對AT73C500復(fù)位，然后AT73C500進行初始化工作。首先將RD/WR寫高，狀態(tài)/模式總線上的四個三態(tài)門被選通，AT73C500通過BUS12至BUS15讀入模式信息。在判斷工作模式為EEPROM模式后，AT73C500向狀態(tài)/模式總線的最低位（BUS8）寫低電平，經(jīng)邏輯譯碼電路（GAL20V8）后產(chǎn)生初始化信號CS1。CS1信號選通串行EEPROMAT93C46，AT73C500讀出存儲在AT93C46中的校準數(shù)據(jù)。校準數(shù)據(jù)讀出以后，AT73C500向BUS8寫高電平，經(jīng)鎖存后CS1變成高電平，初始化階段結(jié)束，測量單元開始正常的測量工作。AT73C501開始通過同步串行總線向AT73C500傳送采樣結(jié)果。
AT73C500的計算結(jié)果有兩種輸出方式：一種是以數(shù)據(jù)的形式輸出，另一種是以脈沖的形式輸出。兩種方式共和數(shù)據(jù)總線，因此使用邏輯譯碼電路（GAL20V8）區(qū)分。當有一包數(shù)據(jù)要輸出時，AT73C500向狀態(tài)總線的BUS9寫高電平脈沖，經(jīng)鎖存后產(chǎn)生數(shù)據(jù)就緒信號DATRDY。DATRDY信號用于智能外接單片機線上數(shù)據(jù)就緒，此時ADDR0為低電平，無脈沖輸出。數(shù)據(jù)輸出結(jié)束后，DATRDY變?yōu)榈碗娖健?shù)據(jù)總線輸出脈沖時，DATRDY始終為低電平；同時，DR/WR為低電平，ADDR0為高電平。
2.2AT73C500數(shù)據(jù)采集接口單元設(shè)計
2.2.1單片機選型
對智能電參量采集模塊的各項數(shù)據(jù)進一步加工處理和與外部通信等功能，一般要由單片機來完成。前端測量單元的測量結(jié)果由AT73C500的數(shù)據(jù)總線送出。AT73C500的數(shù)據(jù)總線為并行總線。總線上數(shù)據(jù)傳輸速度非�？欤渲墟i存信號STROBE的脈寬僅為153ns。基于速度、成本上的考慮，選用美國Atmel公司的精簡指令集（RISC）AVR單片機AT90S8535實現(xiàn)接口單元的功能。AT90S8535內(nèi)部有8KBFlash程序存儲器，512BSRAM，使用8MHz的晶振，每條指令的執(zhí)行時間僅為125ns。
2.2.2接口邏輯控制電路
由于AT73C500/501有多種工作模式和數(shù)據(jù)傳輸方式，同時系統(tǒng)有1片EEPROMAT93C46存儲器，保存校準參數(shù)信息。AT93C46必須能夠由單片機讀寫，還要能由AT73C500讀取系數(shù)�？紤]到還有其它的復(fù)雜數(shù)據(jù)控制接口信號，因此，采用1片PLDGAL20V8實現(xiàn)復(fù)雜邏輯功能和數(shù)據(jù)、地址譯碼。圖2為接口邏輯控制電路。
2.2.3單片機數(shù)據(jù)采集接口單元
測量單元的測量結(jié)果通過并行數(shù)據(jù)總線高速輸出，因此，如何準確及時地接收總線上的數(shù)據(jù)是接口單元要解決的首要問題。
AT73C500數(shù)據(jù)總線時序中有兩個不利于數(shù)據(jù)接收的問題。
AT73C500數(shù)據(jù)總線時序中有兩個不利于數(shù)據(jù)接收的問題。
一是數(shù)據(jù)寫到總線選通STROBE信號低電平寬度太窄，不利于單片機捕捉。這個問題即使使用了AVR單片機依然不能忽視。如果AT90S8535采用查詢普通I/O口的辦法捕捉STROBE脈沖，查詢一次至少要執(zhí)行兩個單周期指令或執(zhí)行一條兩周期指令，執(zhí)行時間最少為250ns，超過了STROBE低電平的寬度（153ns），因此丟失數(shù)據(jù)的可能性非常大。為了準確地捕捉STROBE信號，該信號被連接到AT90S8535外中斷0的輸入引腳（1NT0）。當INT0引腳上的STROBE信號觸發(fā)了INT0中斷請求時，通用中斷標志寄存器GIFR中的INTF0位被置1，AT90S8535通過查詢INTF0位，判斷是否出現(xiàn)STROBE信號。使用這種方法STROBE
低電平狀態(tài)由單片機硬件捕捉，不存在丟失STROBE事件的可能性，只要在下一次中斷申請出現(xiàn)以前將INTF0位清除即可。
圖3
另一個不利于數(shù)據(jù)接收的問題是，兩個STROBE信號之間的時間過短，最短時間間隔只有11個時鐘周期（3.2768MHz）。針對這種情況，考慮到數(shù)據(jù)包有效時的信號DATARDY可以利用，將DATARDY接到INT1引腳，利用DATARDY和STROBE的關(guān)系，進行數(shù)據(jù)接收，硬件連接如圖3所示。
3智能電參量采集模塊軟件設(shè)計
電參量采集模塊軟件主要是單片機AT90S8535的控制軟件。軟件主要的功能是完成對AT73C500/501的配置，測量數(shù)據(jù)的處理；同時，利用外部通信接口傳輸采集的數(shù)據(jù)，響應(yīng)外部設(shè)備的各種查詢，校準數(shù)據(jù)設(shè)置操作。程序設(shè)計的難點在于對AT73C500測量數(shù)據(jù)的采集。
采集程序初始化時，只允許INT1中斷（由數(shù)據(jù)包準備好標志DATARDY觸發(fā)）。當DATARDY有效，進入INT1中斷時，在中斷內(nèi)允許INT0中斷（由數(shù)據(jù)寫到總線選通STROBE信號觸發(fā)）。這樣，在INT1中斷程序內(nèi)，查詢到STROBE引起的中斷有效標志INTF0后，馬上讀出AT73C500寫到總線的數(shù)據(jù)。然后，清除INTF0，等待接收下個數(shù)據(jù)，直到把1個完整數(shù)據(jù)包16個字節(jié)全部接收完成，再退出INT1中斷。由于每包數(shù)據(jù)之間有至少20ms的間隔時間可供AT90S8535處理，這樣接收完成1包數(shù)據(jù)后，在20ms的時間內(nèi)由AT90S8535完成對包數(shù)據(jù)的分析，依次完成6包數(shù)據(jù)的接收處理。
關(guān)鍵的數(shù)據(jù)包中斷接收代碼程序如下：
interrupt[EXT_INT1]voidext_int1_isr(void)
{
#asm("cli")//禁止所有中斷
CIMSK=0x40;//禁止int1,允許int0
strobe1:
if(GIFR==0)gotostrobe1;//等待第1個數(shù)據(jù)選通信號有效
temp_pack0=PINB;//syncls讀出同步數(shù)據(jù)1
GIFR=0xc0;BRDY=0;
strobe2:
if(GIFR==0)gotostrobe2;//等待第2個數(shù)據(jù)選通信號有效
temp_pack1=PINB;//syncms讀出同步數(shù)據(jù)2
GIFR=0xc0;BRDY=0;
…………
strobe16:
if(GIFR==0)gotostrobe16;//等待第16個數(shù)據(jù)選通信號有效
temp_pack15=PINB;
BRDY=0;GIMSK=0x80;GIFR=0xc0;//讀寫16個字節(jié)，完成1包數(shù)據(jù)接收
#asm("sei")
}
在設(shè)計調(diào)試電參量測量模塊過程中發(fā)現(xiàn)很多問題。最嚴重的問題是在測量過程中，當在AT73C501信號輸入端出現(xiàn)電壓類峰脈沖干擾時，AT73C500/501芯片組出現(xiàn)死機現(xiàn)象。具體表現(xiàn)為AT73C500不再向數(shù)據(jù)總線發(fā)送測量數(shù)據(jù)。同時AT73C501迅速升沿發(fā)燙，而此時芯片組的復(fù)位控制信號不再起作用，單片機無法控制AT73C500/501；只有模塊停電，再上電之后，才能恢復(fù)正常工作。這種故障在實際的工業(yè)控制中是必須要解決的。
針對此現(xiàn)象，我們經(jīng)過反復(fù)實驗，采用軟件和硬件相結(jié)合的辦法，圓滿解決了這個問題。
硬件方面：
*在模塊的供電電源上串接電源濾波器，消除從電源側(cè)引入的干擾；
*AT73C501的6路單端A/D輸入端接入EMI磁珠，同時輸入端并接雙向肖特基保護管，對輸入的超出輸入范圍的信號限幅，保護內(nèi)部電路；
*AT73C500/501芯片組的供電由晶體管電子開關(guān)控制，在發(fā)生故障時，可由單片機及時切斷電路，實現(xiàn)重新上電。
軟件方面：
*增加軟件看門狗，由AT73C500的數(shù)據(jù)包傳輸中斷不斷清除，一旦出現(xiàn)故障，沒有數(shù)據(jù)包傳輸中斷，則看門狗復(fù)位系統(tǒng)；
*軟件對采集的數(shù)據(jù)進行合理性分析，出現(xiàn)異常非法測量數(shù)據(jù)時，復(fù)位AT73C500/501芯片組；
*軟件定時對AT73C500的校準參數(shù)進行重裝載，防止AT73C500內(nèi)部寄存器校準系統(tǒng)系數(shù)失效。
采用以上措施，使電參量測量模塊的可靠性大大提高。使因此測量模塊的現(xiàn)場安裝運行的臺變監(jiān)測設(shè)備運行年1來年，穩(wěn)定可靠，獲得用戶好評。
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