ATT7028在电力参数测量中的应用研究

    在电力监测系统中对电压、电流数据的采样时由于电网的波动，电压、电流并非严格的正弦波，仅按照50 Hz的1倍计算采样率会导致精度下降及“跳字”(仪器测量值跳变较大)。同时电力系统受外界影响会存在各种瞬间的高频干扰信号，所以也对A／D的采样速度有较高要求。为此电力参数的采样通常都采用较高精度和速度的A／D。如常见的国外产品中，应用于电力系统的专用A／D芯片有12位的ADS7864、16位的AD73360、24位的CS5451等，其中ADS7864采样速度达500 kHz／s。

    在采样系统中，通常的做法是将采集到的数据读取到MCU中，由MCU对大量的采样数据进行处理，得到电压、电流、相位、功率因数等参数。上述芯片均采用这种方式工作。由于大量的采样和数据运算给MCU带来很大的负担，大大影响MCU处理其他问题的速度。ATT7028是一款国产的电能计量专用芯片，比进口电路价格低廉。除了A／D转换部分，在芯片内还集成了数据运算电路，可以大大节省测量系统主控MCU的工作负荷。该芯片通过软件校正可将误差校正到0.5级以内，有效值测量误差小于0.1％，数据采集及处理时间大约为1／3 s。为了保证测量精度他的采样频率为3.2 kHz。此芯片的接口简单，使用方便。

    1 ATT7028工作原理

    ATT7028是QFP44封装的44脚芯片，主要包括3大部分电路：A／D转换部分、数字信号处理部分、通信及其他。

    该芯片的A／D部分集成6路二阶——A／D转换器，采用过采样技术，6个通道可同步采样，采用双端差分信号输入方式分别针对三相电压、三相电流检测，各路的采样是16位模／数转换，经过片内运算电路的处理，得到24位的参数输出。同步采样对于计算功率和功率因数等同时需要某瞬时电压、电流值的参数尤其重要，可以保证测量的准确性。上述3种国外芯片中，AD73360和CS5451是同步采样的，而ADS7864不能同步采样。

    数字信号处理部分对A／D转换后的数据先经过数字滤波器滤波，然后分别计算各相的有效值、有功功率、相位、功率因数、电能和合相的有功功率、电能、频率、功率因数等电力参数。同时还提供电阻网络校正和软件校正两种方式作误差校正用。软件校表是通过相关的校表寄存器对增益、相位进行补偿、从而保证三相电压、三相电流的增益、相位精度要求。校表寄存器的参数由用户提供。其内部单相采样及计算框图如图1所示。

    其在有功功率计量中由于ADC采用过采样技术，可充分保证测量速度和精度，可包含高达21次的谐波信息。通信部分：ATT7028提供一个串行外设接口(SPI)，方便与外部MCU之间进行数据传递。所有计量参数都可以通过SPI接口读出。另外，ATT7028内部提供电压监测电路，用以监测工作电压。

    2 应用方案／硬件、软件设计

    根据以上特点，采用ATT7028设计一个电机运行的监测系统。系统由ATT7028为核心的采样部分和以TI公司的TMS320F206为核心的DSP信号处理系统组成，辅以键盘和显示部分。该系统用以监控电机的运行状态，即时给出供电系统的参数，并运行预置的故障模型算法以确保电机的安全运行。由于电机故障模型的算法比较复杂，占据大量的MCU时间，如果要求其兼做供电系统参数的计算，显然会大大降低整体的运行速度，一般市售监控系统的采样刷新时间只能在0.5 s左右。而ATT7028恰恰可以弥补这方面的不足。他可以直接对采样参数进行运算得到供电系统的测量参数，MCU只需直接加以读取并专注于故障模型的判断即可，据估计，采用附带参数计算电路的A／D可以节省约200 ms的MCU时间。

    2.1 硬件设计

    ATT7028提供一个SPI接口可方便地与MCU通信，其应用主要有2方面：

    (1)在电压、电流测量通常采用互感器输入方式，这时各通道不可避免地存在增益、相位方面的误差，在高精度测量时这些误差不容忽视，针对互感器比差的非线性，ATT7028提供校正，可对比差进行分段补偿，ATT7028也可对相位加以分段修正，还可对电压、电流有效值进行修正。所有这些可通过SPI接口将校正的数据写入ATT7028中实现。

    (2)MCU可通过SPI接口将ATT7028经过运算得出的电压、电流、有功、功率因数、相位等参数读出。

    ATT7028提供电阻网络校正或软件校正2种方式校正误差，当采用软件校正方式时，用户必须将7028的SIG端子与MCU的INT脚连通，当ATT7028受干扰复位或内部错乱时SIG端子给MCU信号以便MCU重新写入修正数据。MCU的I／O口与ATT7028的SPI，RESET接口相连，既可对ATT7028复位、输入校正数据，也可读取数据。硬件连接图如图2所示。

    MCU通过SPI接口与ATT7028通信读取数据时序如图3所示。工作过程：MCU先发出片选信号CS(低电平有效)，再给出串行时钟SCLK(在SCLK的上升沿写数据，下降沿读取数据)，再通过SPI接口写入1个8位的命令字，然后才能通过SPI读取位的数据。

    输入数据说明：

    Bit 7：为0，表示读命令，用于外部MCU读取ATT7028的计量数据；为1，表示写命令，用于更新校正数据。

    Bit6～0：表示数据地址，选择寄存器。

    2.2 软件设计

    ATT7028提供各相的有功功率、视在功率、电压、电流、相角、电能等参数，分别采用不同的寄存器存储，每项数据24位，采用二进制补码形式存储。

    软件编程可采用中断方式或查询方式。采用查询方式时，可以检测工作寄存器的相应状态位，执行读取。因为测量中存在误差，为了保证检测数据的准确性，首先要校正误差，本设计采用软件校正方式来校正测量中的误差。读取数据流程图与软件校正流程图如图4所示。

    2.3 注意问题

    在设计电路时模拟电源和数字电源、模拟地与数字地应尽量分开接地，然后将模拟地与数字地连接。

    因为ATT7028内部有效值、功率、相角、频率等寄存器的更新是自动进行的，更新时间约1／3 s，所以数据读取要保证在1／3 s以内完成，不然数据会部分丢失。对数据刷新要求速度较高的场合不适宜应用本芯片。同时该芯片只能读取经过运算过的数据，不提供直接对A／D转换过的数据的读取。其3.2 kHz的采样频率只是为了保证参数的精度，用户不能直接得到采样值。

    低电平复位信号要保持25μs左右，芯片复位后，一般等待200μs左右才能通过SPI进行读写操作。通过SH读写信号时传输信号会有抖动。可以在SPI信号线上串联一个小电阻，此电阻与输入端的寄生电容C结合起来可构成一个低通滤波器来滤除抖动。

    MCU发出的时钟SCLK频率低于200 kHz时，可直接读取寄存器中的数据；SCLK频率高于200 kHz时，则需要等待大约3μs才可读取数据。通过SPI输入校正数据时总是高位在前、低位在后，读取数据时也是先读出高位、再读出低位。

    3 结 语

    ATT7028是一款功能较强的芯片，内部集成数字信号处理电路，提供所有电力参数计量相关的算法实现，具有强大的数字信号处理能力，大大减轻了主控MCU的工作压力，同时提供方便的SPI通信接口便于数据读取，性价比较高，适合于专用于三相电力系统监控和测量采样的应用场合。本文介绍的系统在应用获得较好的效果。