基于CSE7780的智能电能表设计

     基于CSE7780设计的智能电能表旨在使设计方案更加合理，使之成为性价比更具优势的产品。本文对计量芯片CSE7780的性能特点和结构电路进行了分析，并从软、硬件两个方面给出符合国网智能电能表要求的设计方法。

　　1.符合国网新标准电能计量方案

　　CSE7780是一款高精度单相电能计量芯片，在动态范围(1500:1)内，非线性误差小于0.1%，提供两路电流有效值、一路电压有效值，在动态400:1的范围内，有效值误差小于0.5%。

　　该芯片能够提供有功功率、有功能量、电流有效值、电压有效值、线频率、过零中断等功能，以及提供全数字增益、相位、失调校准，有功能量脉冲从PF管脚输出。CSE7780通过一个SPI串行接口可以与外部的MCU进行通信；具有潜动阈值可调功能；内部具有电源监控电路，可以保障芯片的正常工作。CSE7780使用5V单工作电源，内置2.5V电压参考源，也可以使用外置的2.5V参考源。

　　CSE7780的内部功能结构框图如图1所示。在芯片工作时，将采样到的电流、电压信号先经过增益放大器，将采样信号放大，然后再通过高精度的Sigma-Delta、模数转换器(ADC)将模拟信号转换为数字信号，得到的数字信号通过低通滤波器、高通滤波器滤去高频噪声与直流增益，从而得到需要的电流、电压采样量化的数据。将这些数据相乘，经过低通滤波器输出平均有功功率；电流、电压量化后的数据通过平方电路、低通滤波器、开方电路得到电流、电压有效值。将有功功率按时间积分，计算出有功能量。通过能量频率转换器将得到的能量通过PF引脚输出，也可通过SPI总线获得经过数字信号处理得到的数字化数值。

图1：CSE7780结构框图

　　2.软件设计

　　CSE7780寄存器的配置流程如图2所示，先设置好计量控制寄存器，能后再配置校表寄存器。

　　

　图2：参数配置流程图

　　2.1CSE7780 ADC参数设计

　　以设计一款额定电压220V(Un)、10(60)A电流规格、表常数为1600imp/KWh的电表为例，由于电流输入通道允许输入最大信号为±700mV的峰峰值(有效值为495mVrms)，10(60)A的表考虑到通道A发热的情况，可选择200～250微欧的锰铜，若以250微欧的锰铜来采样，在Imax=60A时，通道A的采样信号为60A*250μΩ=15mV，由于电流通道A的允许最大输入信号为495mV，因此电流通道的增益选择可配置成16，通道B采用2500:1的互感器；负载电阻10Ω，电流通道B增益设置为1。电压通道允许最大输入信号为±700mV的峰峰值，考虑到电压会有130%Un过压，可将电压采样信号通过网络电阻将220V交流电压信号降至220mV左右，电压通道增益选择为1。

　　通过上述的论述，我们需将电流通道A的增益设置为16，电流通道B的增益设置为1，电压通道的增益设置为1，因此SYSCON寄存器应设置为00C0H。

　　2.2．HFConst寄存器的设置

　　电表常数EC为1600imp/KWh；Vu=0.22V；Vi=10A*0.00025Ω*1*0mV；EC=1600；Un=220V；

　　Ib=10A。根据公式HFConst= INT[39.3143*Vu*Vi*1011/(EC*Un*Ib)]，可得HFConst=2*H，因此写入HFConst寄存器的值应为2*H。

　　2.3．其他计量控制寄存器配置

　　启动电流的配置：在Un、Ib的情况下，有功功率寄存器PowerA的数值为1A375D7H，按照要求在0.4%Ib的情况下能够正常启动，则Pstar寄存器可配置为0.2%Ib有功功率对应的数值pstar=00D6H(Pstart对应的是PowerA的高16位，计算出的PowerA是24'h00D6C3)。

　　能量累加模式的配置：由于需要计量正反有功能量，因此我们须将能量累加模式配置成正反向功率都参与累加，累加方式是代数和方式，负功率有REVQ符号指示，使能PF脉冲输出及有功电能寄存器累加，即可将EMUCON配置为0001H。

　　2.4．校表寄存器的配置

　　a.有功功率校准

　　功率增益校正：在输入信号为Un、Ib的情况下，从校表台获得通道A的误差为err：

　　如果Pgain>=0，则GPQA=INT[Pgain*215]，反之若Pgain<0,则GPQA=INT[216 +Pgain*215]。

　　通道B的功率校准可通过配置GPQB来实现，方法与校正通道A的相同。

　　相位校正：在PF=0.5L，输入信号为100%Un、100%Ib的情况下，从校表台上获得的误差为err，则相位误差补偿为

　　对50Hz的电网而言，PHSA有0.020/LSB的关系，则：如果θ>=0，PHSA =INT(θ/0.020)；如果θ<0，PHSA =INT(28+θ/0.02)-96。

　　通道B的相位校正可通过配置PHSB来实现，方法与校正通道A的相同。

　　有功功率失调校正：在小信号1.0的情况下，如果小信号偏差较大，可通过调整有功功率失调校正寄存器来修正小信号的偏差。

　　在PF=1.0，Vu=Un，Vi=0的情况下，等待DPUDIF的更新，通过MCU获取PowerA的值，读取若干次去平均值，取平均值的补码的后4位写入APOSA校正寄存器。

　　通道B的有功功率失调校正可通过配置APOSB来实现，方法与校正通道A的相同。

图3：功率校正流程图

　　b.有效值校准

　　有效值的校正流程如图4所示，先校正电流的失调，校正失调后，再进行A/B通道电流转换系数KIA/KIB及电压转换系数KU的计算，在PF=1.0、Vu=100%Un、Vi=Ib的情况下读取IARMS、IBRMS寄存器的数值，根据公式KIA=IARMS/Ib可得到电流通道A的转换系数，按同样的方法可得电流通道B的转换系数KIB及电压通道的转换系数KU。

　图4：有效值校正

　　5．CSE7780校准及初始化过程

　　上电初始化MCU；对计量芯片的可写寄存器依次写入，完成计量控制寄存器及校表参数的初始化。

　　在初始化的过程中，要保证写入到计量芯片的数值的正确。在正常工作的时候需要监控CSE7780的工作状态，确保计量芯片处在正常情况下工作，一般监控校验和是否正确以及芯片是否有被复位。

　图5：智能电能表原理框图

　　3.硬件设计

　　目前芯海可以向客户提供包括软、硬件在内的完整参考设计。图5为智能电能表原理框图，图6为目前推出的参考设计完整电路。

图6：国网单相智能表实物图

　　下面是针对CSE7780使用过程中其它一些应该注意的问题给出的建议：在PCB布局的时候需要注意变压器对锰铜的影响，这会影响到计量芯片的小信号的误差；在采样输入端的走线应平行对称，减小采样线所包围的面积；晶体不能放在PCB板边，防止在打ESD的时候，将芯片打死，晶体下面最好不要走其它的信号线。

　　本文小结

　　通过在深圳计量院的整表测试，CSE7780能够准确测量单相智能电能表各个参数，计量精度完全满足要求。基于CSE7780的整机方案经EMC检测、认证的第三方专业认证机构信测科技验证了EMC等方面的性能，具有极佳的性能指标，完全符合新一代国网智能电能表的要求。其简单易懂的软件校表方式，既便于电能表开发工程师进行程序开发，又提高了生产线的效率。