第 卷21 第3期 2007 年 月9 空 军 雷 达 学 院 学 报 Journal of Air Force Radar Academy Vol.21 No.3 Sep. 2007 文章编号：1673-8691(2007)03-0183-03 基于 ADE7758 三相多功能电表的设计 蔡泽彬，邓 磊 （空军雷达学院基础部，武汉 430019） 摘 要：针对采用 ADE7755 作为电能计量芯片而设计的电表存在着功能简单和精度低等缺点，提出了一 种新型数字式三相多功能电表的设计方案．该方案采用ADE7758 芯片和PIC16C76 芯片进行设计，电表不仅能 计量多种电能参数以满足不同的实际需求，而且可对 ADE7758 片内寄存器的参数进行微调，使其达到很高的 计量精度． 关键词：三相多功能电表；电能计量；中断程序 中图分类号：TN79 文献标识码：A 目前已生产的计量三相三线和三相四线电能 的电表，一般采用 3 片 ADE7755 芯片 1 分别对每一 相线的有功电能进行单独计量，再叠加得到三相 总有功电能的设计方案，这种方案不仅电能计量 电路在电路板上所占空间大、线路密集，造成电表 抗干扰能力差，成本较高，而且电能计量芯片的参 数 不 可 调 等 局 限 使 得 电 表 计 量 精 度 较 低．美 国 Analog Devices 公司 2005 年新推出了专门用于计 量三相电量多功能的 ADE7758 芯片 2 ，该芯片不 仅能计量各相的有功、无功、视在功和电流、电压 等各种参数，可对芯片内的工作模式寄存器进行 不同设置，适用于三相三线和三相四线电网的工 作环境，还可对芯片的增益和偏移寄存器中参数 进行微调，提高电表的计量精度．美国 Microchip 公 司生产的 PIC16C76 芯片 3 主要执行单周期指令， 运行速度快，且抗干扰能力强．采用 PIC16C76 作 为整个电路系统的控制芯片，采用 ADE7758 作为 三相电能的计量芯片，设计出的三相多功能电表 在很大的量程内误差都能控制在 ±0.2%之内，达到 1.0 级电表的精度要求． 1 电表的硬件设计 电表电路主要分为 2 大部分，第一部分电路主 要采用 ADE7758 芯片对三相电能进行计量，第二 部分电路由 PIC16C76 单片机执行程序实现电表各 种功能．电表的原理框图如图 1 所示． 1.1 供电电路 为了确保在缺相供电情况下能够继续正常工 作，采用三相供电的方式．每一相交流电压经过一 个专用的 BT104 型号变压器，可提供两组+12V 和 一组+9V 的交流低电压，两组+12V 输出线圈间的 最大隔离电压为 2400V，其中一组+12V 输出线圈 与+9V 输出线圈间的最大隔离电压为 2400V，但另 一组+12V 输出线圈与+9V 输出线圈间的最大隔离 电压只有 1200V．由于在实际使用过程中 RS485 接 口电路与电表内部电路间的静电电势差可能相当 大，同时为了在三相都掉电后有几十毫秒的供电 时间使 PIC 单片机仍能正常工作进行电量数据保 存处理，所以第 1 组+12V 电源供 RS485 接口电路 使用，第 2 组+12V 电源供中央控制和红外通讯电 路使用，第 3 组+9V 电源供电能计量电路使用． IA IB IC UA UB UC 电 流 采 样 电 压 采 样 供 电 电 路 电 能 计 量 电 路 中 央 控 制 电 路 总有功脉冲输出 总无功脉冲输出 数码管显示 读写电能 红外通讯 RS485 接口 +9V +12V +12V 图 1 DTS (X)150 型三相多功能电表原理框图 1.2 电能计量电路 由 3 个精密电流互感器提供每相的电流信号． 对于不同规格的电表，采用了不同电流变换比例 收 稿日期：2007-03-27； 修订日期 ：2007-04-13 作 者简介：蔡泽 彬(1976 )，男，硕士，主要从事嵌 入式系统设计及 光纤光孤子通讯 研究. 

184 空 军 雷 达 学 院 学 报 2007 年 的互感器，由 3 路电阻网络分压得到每相的电压 信号．将电流信号和电压信号接入电能计量芯片 ADE7758，由 ADE7758 将电流信号和电压信号先 进行采样、A/D（模/数）转化和相位校准，再将电流 和电压进行计算，得到每相的有功、无功和视在功 3 种电能，并将 3 种电能累加到 ADE7758 对应的寄 存器中，同时输出有功脉冲和无功（或视在功）脉 冲．为了避免外界电网通过电能计量电路对中央 控制电路的干扰，电能计量电路与中央控制电路 在电路印制板上最少需要 6 cm 的隔离间距，电路 间的数据传输通过高速光耦实现． 1.3 中央控制电路 中央控制电路由单片机 PIC16C76 构成，控制 整个电表的正常运作：监控 ADE7758 的工作状态， 从 ADE7758 寄存器中读取每相的有功、无功、视在 功电能和电流、电压值，输出到数码管显示，保存 数据到 E2PROM 中以防止停电时数据丢失，实现 对键盘操作的响应，以及处理与红外手掌机或者 远程计算机的数据通讯等．当 RS485 接口电路连 接远程计算机时，为了避免由于外部连接线路与 内部线路间存在巨大电势差从而将内部器件击穿， 以及防止外部线路对电表内部电路正常信号的干 扰，在硬件设计上 RS485 接口电路与中央控制电 路之间也采用了光电隔离方式． 2 电表的软件设计 在电表的软件程序中分为主程序和中断程序 2 大部分．主程序用于实现电表的每一项功能，中 断程序用于暂停主程序的运行，发送显示代码给 数码管，同时检测电能脉冲、键盘操作和数据通讯 事件是否发生．假如有事件产生则将对应的标志 位置 1，退出中断程序后继续执行主程序，主程序 则根据标志位来确定是否需要调用相应的处理子 程序．由于 PIC16C76 仅有 8 级硬件堆栈和程序跨 越 4 个分区的特殊性，所以在编写程序时需要注意 程序中嵌套子程序的层次和调用的子程序是否跨 区，否则会出现程序跑飞或者芯片自动复位的现象． 2.1 主程序的设计 在主程序中按实现的功能可分为 9 个模块．第 1 个模块实现上电后对电表的初始化和设置．先对 单片机的工作模式进行设置，再从 E2PROM 中读 取 ADE7758 的工作参数，写入 ADE7758 使其能正 确计量电能；从 E2PROM 中读取所有历史电能存 放到单片机内部寄存器中；从 E2PROM 中读取表 号和密码等通讯参数，使得能与外部主机进行正 确的数据通讯．第 2 个模块对电压值进行检测判 断，当连续 3 次检测到的电压都低于程序设定值 时，则调用子程序保存所有电能，防止电路数据的 丢失．第 3 个模块对总有功脉冲和总无功脉冲进 行计数得到总有功和总无功电能．第 4 个模块负 责更新显示缓冲区的内容，把单片机内部寄存器 中的电能由十六进制转换为十进制，再转换为 LED 显示代码存放到显示缓冲区中．第 5 个模块实现 与外部通讯的功能，分为发送数据和接收数据 2 个 子程序．第 6 个模块对键盘操作进行响应，通过键 盘操作可对 ADE7758 电能计量相关的参数进行微 调，使电表的电能计量误差控制在很小的范围内． 第 7 个模块从 ADE7758 寄存器中读取 A、B、C 三相 的有功、无功和视在功，再乘以不同的系数（不同 规格的电表系数不同）后，然后累加到单片机的内 部电能寄存器中．第 8 个模块分别计算有功、无功 和视在功的总功率，以及计算总功率的因数．第 9 个模块从 ADE7758 寄存器中读取电压、电流、温度 和频率值．执行完后直接跳转到第 2 个程序模块的 入口，开始了新一轮的循环．主程序流程如图 2 所示． 初始化 掉电检测 脉冲累加总功 更新显示内容 通讯处理 键盘处理 读取各相电能 计算总功率 读取电流和电压 图 2 主程序流程 2.2 中断程序的设计 中断程序中采用了 2 ms 周期定时触发查询事 件处理的方法．设定时器 T1 时间为 2 ms，则每隔 2 ms 产生一次中断，在 2 ms 内由主程序查询并处 理需处理的事件．当中断时进入中断程序检测事 件是否发生，对于发生的事件就在相应的标志位 上置 1，中断程序返回后，进入主程序根据标志位 来判断是否需要对该事件进行处理，处理完后对 相应的标志位清零． 在中断程序中分为输出显示、检测脉冲、判断 

第3期 蔡泽彬，等：基于ADE7758 三相多功能电表的设计 185 键盘操作、处理红外通讯和设置定时器 5 部分．在 中断入口先保护中断现场，特别需要注意保护现 场的顺序．第 1 部分将显示缓冲区中数据转移到 SSPBUF 寄存器中，通过 SPI 接口将数据发送出去． 第 2 部分检测总有功脉冲和总无功脉冲，为了防 止由于干扰引起的误判，连续 4 次检测到低电平 才认为该脉冲有效，同时置标志位由主程序的脉 冲累加总功模块进行处理．第 3 部分判断显示端 口（跟键盘复用 I/O）是否有键盘操作，当检测到低 电平时表示有键盘的操作，置相应的标志位在主 程序中进行处理．为了节省片内寄存器的资源，数 据通讯和键盘操作使用相同的缓冲区，所以在通 讯时对键盘的操作无效，确保了缓冲区内的数据 不冲突．第 4 部分调用通讯处理子程序中包括发 送和接收两个子程序，主要负责对数据包中每个 字节的发送和接收．第 5 部分将所有定时变量加 1，并设置定时器 T1 下次中断的时间，最后恢复中 断现场后中断返回．中断程序流程如图 3 所示． 中断 进入 保护现场 发送显示缓冲区数据 检测有功脉冲 检测无功脉冲 是否正在通讯？ Y N 检测键盘操作 调用通讯处理子程序 定时变量加 1 设置下次中断时间 恢复现场 中断 返回 图 3 中断程序流程 3 不同规格电表的设计 在实际使用中需要有不同量程的电流满足各 种用电需求，这就要在原来的基础上设计出不同 规格的电表，同时为了便于生产，不同规格的电表 要求使用同一个程序，并且在硬件上做最少改动． 数写入 ADE7758 片内工作寄存器中，例如根据电 表的规格和脉冲常数确定 ADE7758 片内 APCFDEN 和 VARCFDEN 寄存器的值，才能使 ADE7758 输出 的有功脉冲和无功脉冲符合设计要求．由于不同 规格的电表在硬件上选用了不同规格的电流互感 器，从 ADE7758 电流寄存器读取的数据代表着不 同比例的电流，而不是电路中实际的电流，所以在 程序设计中，从 ADE7758 读取的数据必须乘以对 应的电流系数后，才能得到电路中电流的实际数 值．同样从 ADE7758 的有功、无功和视在功寄存器 中读取的数据也代表着不同比例的电能，而不是 实际所用的电能，所以从 ADE7758 读取的数据也 需要乘以不同规格电表所对应的电能系数，才能 等于用户实际所用的电能．不同规格电表的参数 设置如表 1 所示． 表 1 不同规格电表的参数设置 电流 互感器 规格 电流 系数 电能 系数 输出 脉冲 参数 1.5(7.5)A/5mA 12H 10 00H 0A 33H 5(40)A/5mA 5(40)A/5mA 79H 6A AAH 0C 43H 20(100)A/10mA F0H D5 54H 06 21H 3CH 35 55H 0C 43H 电表 规格 脉冲 常数 1.5(6)A 3200 5(20)A 800 10(40)A 400 20(80)A 400 匹配 电阻 / 5.10 5.10 2.55 2.55 4 结束语 使用三相校表台对设计出的电表进行精度测 量，选择三相有功和正弦无功的测试模式，设置校 表台的输出功率因数为 1.0 时，对额定电流的 400%、 100%、50%、20%、5%各点进行测试，通过对电表输 出的有功、无功和视在功脉冲进行检测，结果表明 电表计量有功、无功和视在功的误差均在±0.1%以 内．当设置校表台的输出功率因数为感性 0.5 或容 性 0.5 时，以上各点的误差均在±0.2%以内．对电表 的启动和潜动进行测试，结果均符合设计要求．该 电表在硬件和软件设计方案上采取了多种有效的 抗干扰措施，经过半年多的不断测试、验证和改 进，最终通过了高频高压脉冲群的测试实验，达到 了生产要求，已由武汉阿迪克公司投入生产. 参考 文 献： [1] Analog Devices Inc.. Energy Metering IC with Pulse Out- 不同规格的电表在硬件上选用了不同变换比 put [Z]. USA, 2002. 的电流互感器和对应的匹配电阻．在软件的初始 化程序中增加了读取跳线状态来识别电表规格的 子程序．对于不同规格的电表必须选择不同的参 [2] Analog Devices Inc.. Poly Phase Multifunction Energy Metering IC with Per Phase Information[Z]. USA, 2005. [3] Microchip Technology Inc.. PIC16F87X Data Sheet [Z]. USA, 2001. (下转第 189 页) 

第3期 汪 波，等：PWM整流器的电压模糊-PI控制研究 189 Research on Fuzzy-PI Control of Voltage Loop in PWM Rectifier WANG Bo1, ZHONG Yan-ping2，CHENG Yao-jun2 (1.Department of Graduate Management, AFRA, Wuhan 430019, China；2.Department of Electronic Countermeasures, AFRA, Wuhan 430019, China) Abstract：In the double closed-loop control for PWM rectifier in the d-q synchronous coordinate, the voltage loop is commonly controlled by using the linear PI, which, however, can’t reflect essential nonlinearity of the rectifier and therefore restrict the control performance of the system. A method of using fuzzy-PI strategy to control voltage loop was presented, by which the dynamic response characteristic of output voltage was improved. Simulation results verify this method to be feasible. Key words：PWM rectifier；fuzzy control；nonlinearity of voltage；PI control （上接第 167 页） Extraction of Modulation Features of FSK Signal Based on Time-frequency Joint Analysis CHEN Chang-xiao1, HE Ming-hao2, ZHOU Ming3，GAO Feng4 （1. Department of Graduate Management, AFRA, Wuhan 430019, China；2. Division of Training, AFRA, Wuhan 430019, China； 3. Department of Electronic Countermeasures, AFRA, Wuhan 430019, China；4. 94362 Unit of the PLA, Xintai 271000, China) Abstract：Aimed at the shortcomings that the SNR of wavelet-ridge applied to extracting the modulation features of FSK signals is worse, a novel joint time-frequency analytical method was proposed combining time- frequency reassignment with time-frequency ridge based on the wavelet spectrum. By means of time-frequency reassignment in improving the time-frequency agglomeration of spectrum, the method enhances the SNR performance greatly. The simulation results show that the more accurate estimates can be obtained under the circumstance of low SNR. Key words：FSK signal；modulation features；time-frequency reassignment；wavelet spectrum；ridge (上接第 185 页) Design of Three-phase Multi-functional Electric Meter With ADE7758 CAI Ze-bin, DENG Lei (Department of the Basics, AFRA, Wuhan 430019, China) Abstract：In view of the shortcomings that the meter in which the ADE7755 is employed as the chip of measuring electric energy is of simple function and lower accuracy, a new design scheme of the digital three-phase multi-functional electric meter was proposed. In this scheme the chips ADE7758 and PIC16C76 are used to obtain the new meters that can not only measure multiple electric energy parameters to meet various demands, but also trimming the parameters of register in-chip to achieve the high measuring accuracy. Key words：three-phase multi-functional meter；electric-measuring energy measuring；interruption program