基于MSP430与ATT7022B的四遥测量模块

2万 · 2013-1-23 17:42

1、前言
所谓四遥― 是“遥测、遥信、遥控、遥调”技术的简称,“遥测”是指利用电子技术远方测量集中显示诸如电流、电压、功率、电能等物理量的系统技术。该电力“四遥”测量模块采用16位的430单片机与集成电能芯片ATT7022B,具有准确度高,误差曲线平直,性能稳定可靠,自身损耗低,而且功能容易扩展等优点．该电能芯片具有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。
2、系统介绍
遥测模块,也可以作为普通电子式电能表使用,其采样方式及采用什么MCU有多种方案,不少已经投入实际使用。但是基于MSP430 单片机,采用高度集成的采集芯片ATT7022B进行电流和电压采样的模块还没有广泛投产使用。尽管TI公司提供了多种采样方案,但是其采样电路比较复杂,难于调试,更没有采用专用的电能表的采用芯片。
图1是遥测模块的硬件组成,合理的把TI 的MSP430F449单片机和珠海炬力的ATT7022B电能采集芯片集合,发挥各自的优势,避开复杂的采样电路的设计。

2.1、硬件部分：
MSP430F449单片机
T1公司的MSP430系列单片机是一种具有超低功耗的功能强大的16位单片机。新开发的F系列具有Flash存储器,如F449就具有60KB的Flash,在系统设计,开发调试及实际应用上比其他MCU都有比较明显的优势。
（1）、超低功耗
MSP430F系列运行在1MHZ时钟的条件下时,工作模式不同为0.1~400uA,工作电压为1.8~3.6V。
（2）、超强处理能力
8MIPS的CPU内核,16位×16位的硬件乘法器。
（3）、灵活的配置方法
MSP430 F系列具有丰富的寻址方式,只需要27条指令;片内寄存器数多,可以实现多种运算;有高效的查表处理方法。这一切保证了可以编译出高效的程序。许多中断,可以嵌套,使用方便。
（4）、片上集成外围功能模块
MSP430 F系列集成了较多的片上外围设备。这些外围设备功能相当强大：12位A/D,精密模拟比较器,硬件乘法器,2组频率可以达到8MHZ的时钟模块,2个带有许多捕获比较的16位定时器,看门狗功能,2个可实现异步和同步及多址访问的串行通信接口,数十个可实现方向的设置及中断功能的并行输入,输出端口,拥有SPI和UASRT通讯端口。
（5）、高效的开发方式
MSP430FX系列具有FLASH存储器,这一特点使得它的开发工具相当简便。利用单片机自身带有的JTAG接口或片内BOOT ROM内固化的默认的加载程序载入器Bootstrap可以进行串口或并口,通过UART将程序代码装入Flash 存贮器中。可以在一台PC及一个小JATAG控制器的帮助下实现程序的下载,方便的完成在线程序调试。
ATT7022B电能芯片
ATT7022B是珠海炬力集成电路设计有限公司生产的一款高精度三相电能计量芯片,该芯片对有功、无功功率的测量精度分别达到0.2s和0.5s,所能测量的电参数包括有功、无功、视在功率、双向有功和四角限无功电能;电压和电流有效值;相位、频率等。ATT7022B具有计量参数齐全、校表功率完善等优点,简化了软件设计,缩短了软件开发周期。特别是AT7022B可支持全数字校表,即软件校表。软件校表可提高校表精度、简化硬件设计、降低设计成本,为三相多功能计量装置提供了功能更加齐全、设计更加简单的应用方案。
（1）工作原理
ATT7022B首先通过6通道16位∑-Δ的ADC模数转换电路来对输入电流和电压信号进行采样,转换后的数字量再经过24位DSP数字信号处理以完成全部三相电能参数的运算,同时将结果保存在相应的寄存器中并通过SPI口与MCU进行数据交换,DSP模块同时还生成有功/无功电能脉冲输出CF1/CF2,可用于现场校表。ATT7022在设计中已考虑到校表的方便性,采用全数字校表,只需适当修改校表寄存器即可实现校表功能。
(2) 串行SPI接口
ATT7022提供有标准的SPI接口,可与带SPI口的MCU直接连接,也可用适当的I/O口线仿真SPI总线,其仿真读写程序很容易实现。
ATT7022的一个数据传输总线从向SPI接口的DIN端送入8位命令字开始的,当命令中包括一个写入命令时,在其后的24个SCLK周期内,串口将持续从DIN端读入24位串行数据。当发出一个读取命令时,串口将根据发出的命令来进行寻址,然后在其后的24个连续的SCLK周期从DOUT引脚上串行输出寄存器内容。数据的传输总是MSB在前,LSB在后。读寄存器时,SCLK为高,数据在DOUT引脚上有效。而在写寄存器时,数据则在SCLK的下降沿从DIN引脚读入,这一点在仿真SPI读写操作子程序时应引起注意,否则读写寄存器将出错。ATT7022B的读写时序见下图2所示。

2万 · 2013-1-23 17:42

(3)寄存器配置及校表方法
ATT7022B的寄存器分为计量参数和校表参数两部分。器件中的计量参数寄存器多达82个,它们的地址在01H～6FH中不连续分布,未使用部分可留给以后扩展。计量参量的计算全部由硬件完成,用户只需进行单位换算就可得到测量值。
校表参数寄存器包括相位补偿设置、功率增益、相位校正、电压/电流校正、比差补偿设置、启动电流、高频脉冲输出设置、断相阈值电压设置和合相能量累加模式等36个寄存器,它们的地址不连续地分布在01H～2AH,也考虑了以后的扩展。应当说明的是,两个寄存器的地址有重叠部分,但它们的物理位置是分开的,可以通过读写命令来区分。
校表是电能表设计中非常重要的环节,ATT7022B上电复位后,校表寄存器的初始数据为默认值,此时读出的计量参数值和实际参数值不符,因而需要对校表寄存器进行设置,以将测量值减小到误差范围之内。校表可按高频输出参数设置、比差补偿区域设置、角差补偿区域设置、功率增益校正、相位校正、启动电流设置、功率增益校正、参量累加模式设置、电压校正、电流校正的先后顺序进行。现以电压增益的校准为例简要说明AT7022B的校表方法,其它参数校准请参照该芯片的参考文献。
电压增益校正UgainA、UgainB、UgainC:在ATT7022初始化时,Ugain为0,标准表上读出的电压有效值为Ur,通过SPI口读出的测量电压有效值寄存器的值为Datau。此时,如实际电压有效值Ur,测量电压有效值为Urms=DataU× / ,由于：
Ugain=(Ur/Urms)-1
因此,如果（Ugain≥0）,则Ugain=INT[Ugain× ]
否则Ugain<0,则Ugain=INT[ +Ugain× ], 式中,INT表示取结果的整数部分。
（4）互感器参数选择
选用的电流互感器规格为5A/2.5mA,精度是0.05级,负载阻抗为40Ω,电压互感器规格选择电流型电压互感器2mA/2mA,在其前端通过110K功率电阻把220v电压信号转变成2mA电流信号,负载电阻为250Ω。这样在输入额定电流、额定电压时,其电流、电压差动输入电压的有效值分别为0.1V和0.5V左右,可满足ATT7022B的要求。
（5）特点
ATT7022B能够提供的计量参数除瞬时有功功率、无功功率、视在功率、有功电能、无功电能、功率因数、相位、电压有效值、电流有效值、瞬时合相电流值、线电压频率值、四象限无功、正向和反向有功电能外,还包括缺相、相序错误和反向有功指示等状态信息,非常适用于三相电路中各种电参数的测量。
2.2、软件部分
　　对于MSP430单片机,由TI 公司自带的嵌入式软件开发平台IAR EMBEDDED WORKBENCH。该软件可对开发系统进行在线调试,带有C 编译器,可采用高效、便捷、通用的C语言编程。
通过MSP430F449的P4.2—P4.5端口对ATT7022B芯片进行同步数据传递,其中P4.2用于CS,P4.3端口用于 DI,P4.4用于DO,P4.5 用于SCK,程序流程图如下图3所示。
SPI通信一般分为硬件SPI通信和软件SPI通信。如果本系统选用硬件SPI通信,就需要在程序中把P4.2-P4.5 四个口定义成同步串行通信口,P4.3 利用TXBUF 发送数据,P4.4利用RXBUF接受数据,P4.5提供同步CLK信号。如果定义同步发送与接受数据位数是8位的话,这样利用TXBUF发送8位的地址数据一次就完成,与普通的数据发送没有什么区别,但是利用RXBUF接受24位的寄存器数据,需要连续接受三次。通过实际调试发现,这种通信方式对时序要求极为严格,使用起来较麻烦。
在本系统中,改用了软件SPI通信,使用I/O口模拟硬件SPI通信,通过程序控制P4.5 产生高低电平,通过P4.3输出8位的地址数据,在8个CLK脉冲信号下就可以完成,然后紧接着通过P4.4 接受24位的寄存器数据,在24个CLK脉冲信号下就可以完成。这种通信方式使用起来操作性较强,简易实用。

3、结束语
本模块作为电力四遥监控系统的测量单元,所涉及到的软硬件均通过了实验调试,工作正常,性能稳定。该模块可以单独作为三相电能表使用,也可以外加显示模块、遥信模块、遥测模块、通信模块等就可以形成电力四遥监控系统,从而可以广泛应用于电力系统的各种配电设备中。