SA9904B在电力参数远程测控系统中的应用

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SA9904B在电力参数远程测控系统中的应用

摘要：介绍Sames公司推出的三相功率/电量测量专用集成电路芯片（ASIC）SA9904B的结构、功能及其串行通信接口的时序；介绍该芯片在电力参数远程测控系统中的应用。     关键词：电能测量芯片 电力参数测量 微控制器系统
引言
SA9904B芯片是Sames公司推出的三相功率/电量测量专用集成电路芯片（ASIC），可直接测量单相、双相和三要输电线路的有功电能、无功电能、电压有效值和频率值。该芯片具有SPI接口，外部微处理器可通过此接口读取原始值，再根据相应的计算公式进行计算，最后得到各项电力参数的测量值。


图1 SA9904B内部结构

    此芯片的功能包括：
实时测量三相有功/无功能量；
电压有效值和频率的测量；
片内集成基准参考电压源；
具有SPI（串行外围接口）总线接口；
芯片功耗低于60mW，具有静电保护功能，工作温度范围宽。
1 SA9904B内部结构及工作原理
SA9904B为混合模拟/数字信号的CMOS集成电路，其内部结构如图1所示。
内部两个16位二阶的∑-Δ模/数转换器，分别对电压和电流模拟信号进行数字化处理，得到的瞬时电压与瞬时电流直接相乘得到瞬时功率。瞬时功率进行低通滤波处理得到瞬时有功功率，而瞬时无功功率通过对电流信号进行移相90°处理后得到。瞬时有功功率和瞬时无功功率经过数字-频率转换器转换成正比的脉冲信号，这个信号被有功电能和无功电能计数器随着时间进行累加。芯片内部设有电压过零检测电路，电压每过零点产生一个宽度是1ms的脉冲，被频率寄存器累加起来。电压有效值是通过累加每个瞬时电压采样值并进行数字处理后得到的。
该芯片直接测量每相电路的四个参数：有功电能、无功电能、电压有效值和频率值。其余电力参数，如电流、功率等，需要通过微控制器根据相应的公式计算才能得到。
为了提高输入信号的测量精度，SA9904B的模数转换器采用了∑-Δ调制技术，以提高其在基带内输入信号的信噪比。
2 SA9904B引脚及功能
SA9904B的引脚如图2所示。
GND为模拟地。
VDD为电源的正极。当使用分流电阻检测电流时，接+2.5V电压；当使用电流互感器时，接+5V电压。
VSS为电源负极。当使用分流电阻检测电流时，接-2.5V电压；当使用电流互感器时，接0V电压。
IVP1、IVP2、IVP3分别是1、2、3相的模拟电压输入端。当测量的电压为额定电压时，要保证输入到内部A/D转换器的电流有效值为14μA，需要通过一个分压电阻网来满足这一要求。


图3和图4

    IIP1、IIN1、IIP2、IIN2、IIP3、IIN3分别是1、2、3相的模拟电流输入端。当测量的电流为额定电流时，要保证输入到芯片上的A/D转换器的电流有效值为16μA，需要通过一个分流电阻网来满足这一要求。
VREF为参考电源的外接电阻端，通常需要接47kΩ电阻到地。
F50为电压过零脉冲输出端，输出的脉冲频率为交流电压的频率，脉冲宽度为1ms。
CS为芯片的片选信号输入端，高电平有效。
DI、DO为串行数据的输入、输出端。
SCK为串行时钟信号输入端。
OSC1、OSC2为外部晶振的输入、输出端。
3 SA9904B的SPI接口
微控制器通过SPI端口实现对SA9904B内部数据的访问。SPI接口由四根信号线组成：串行时钟输出端SCK、片选信号输入端SC、串行数据输入端DI、串行数据输出端DO，时序如图3所示。
当CS为高电平时，DI引脚在SCK时钟的上升沿输入9位地址信号。其中高三位为写入地址的标志位；A5、A4为保留位，可选0或1；有效地址为低4位。在SCK的上升沿检测到地址的最低有效位A0输出后，DO引脚在SCK的下降沿输出相应寄存器地址里的24位数据，高位在前，低位在后。当24位数据输出后，如果CS信号仍然有效，则DO引脚将继续输出下一个地址的寄存器数据，直到所有的数据输出为止。
4 SA9904B在电力参数远程监测系统中的应用
电力参数远程监测系统的硬件组成结构如图4所示。待测的三相四线线路各相电压、电流经过电压分压网络和电流互感器，转化成符合SA9904B芯片要求的输入信号，再经过芯片内部对电压和电流进行A/D转换、数字运算和能量累加，从而得到各相的有功电能、无功电能、电压有效值和频率值的原始寄存器值。这些值通过SPI接口传送到微控制器。
本系统选用高性价比的微控制器W78E58，完成各种电力参数的计算、通信命令处理和控制功能。W78E58内部集成了32KB的ROM，程序存储穴是满足系统的需求，因而不需要外部扩展ROM。片外扩展了128KB的RAM，用以存放电压参数值，并有掉电保护电路，以保证数据在掉电时不会丢失。
DS12B887能够提供实时时间，以便进行时间及时段判断，从而执行相应的电能累计程序。CPLD（复杂可编程逻辑器件）EPM7032的内部设计了读取8路遥信量输入、执行4路遥控量输出以及产生各芯片片选信号的逻辑选信号有：DS12B887片选信号、SA9904B片选信号、X25045片选信号、628128RAM片选信号、DI选通信号和DO选通信号等。
2片74LS164芯片驱动16路发光二极管（LED）。这些发光二极管用于指示数字量输入/输出状态、通信状态、电源状态、自检/错误状态等。芯片X25045作为看门狗设置，加强系统的抗干扰性能。另外，该芯片还存储了模拟的地址号。
系统的通信有两种方式可以选择：一种是通过RS485总线通信，芯片75LBC184实现TTL与RS485之间的电平转换；另一种是通过LonWorks总线通信，LonWorks主控制模块的Neuron芯片采用RS232半双工异步串行通信模式，采用网络变量和网络消息的方式进行数据交换。
微控制器W78E58采用主从方式传输数据，由监控主机或其它的智能节点（主）发送命令；本模块（从）做出相应的应答，在协议帧中加入CRC-16校验码，以保证通信数据的正确性。
5 系统软件
电力参数远程测控系统的软件包括系统初始化、时间读取与时段判断程序、电力参数计算、通信命令处理、产生各种历史及报警记录、显示状态等模块。软件流程如图5所示。
其中电力参数计算模块将完成电力参数滤波、电力参数计算以及电能累加功能。系统实时读取SA9904B芯片内部存储的各相有功电能、无功电能、电压有效值和频率原始值。经过滤波处理，获得正确的电力参数，并通过计算公式完成三相电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数、频率等测量。
结语
该系统中采用SA9904B芯片，大大减少了软件中的计算工作，提高了系统的测量精度。同时采用LonWorks总线传输实测数据，也有效地提高了系统的抗干扰能力及稳定性。