近年來，隨著國家電網大規模的改造與建設，電子式多功能電能表技術正在快速發展。電子式多功能電能表采用電子計量原理，具有高精度、高速率、多參數、長壽命計量、性能穩定、操作方便等優勢。美國ADI公司最新推出ADE78xx系列高精度三相電子式電能測量IC,超越了工業上對電能計量0.2S級表的精度和動態的要求，可用于提高商業、工業及住宅智能電表的精度和性能，其中ADE7878功能最全,性能最好。因此，本文采用ADE7878作為核心計量芯片。

    LPC2212是恩智浦公司推出的一款基于16/32位ARM7TDMI-S核、支持實時仿真和跟蹤的微控制器芯片，并帶有16 KB片內SRAM和128 KB嵌入的高速Flash存儲器,具有獨特的加密功能。128 bit寬度的存儲器接口和獨特的加速結構使32 bit代碼能夠在最大時鐘速率下運行。LPC2212采用144腳封裝、極低的功耗、多個32 bit定時器、多個串行接口、8路10 bit ADC、PWM輸出以及多達9個外部中斷,其單片可用GPIO為112腳,這些特性使其非常適用于工業控制,對本文所設計的電子式多功能電能表也是非常適合的。
    基于本文所設計的電子式多功能電能表的樣機已經在逐步完善設計之中,在不久之后即可順利投入使用。
1 電能計量原理
1.1 ADE7878的性能特點
    ADE7878是一款高精度電能測量IC，其電壓和電流通道均為24 bit Σ-Δ型ADC，提供I2C、SPI、HSDC多種串行數據接口和3個靈活的脈沖輸出，可以同時提供基波有功和無功功率、總（基波+諧波）有功和無功功率、視在電能、基波有功和無功電能計量和有效值計算。
    ADE7878適合測量多種接法下的有功、無功和視在電能，同時支持微分式電流互感器（CT），支持所有通道的波形數據輸出。芯片也集成了功率質量測量，如短時欠電壓或過電壓檢測、中性線電流失配檢測。對于ADE7878，三種特殊設計的低功耗電源模式能保證當發生竊電狀態時電能累積的連續性。ADE7878還支持靈活的校表方式，通過調節電壓電流的增益或功率的增益都能使誤差達到要求[1]。
1.2 ADE7878計量算法[1-2]
　    ADE7878有7個模擬輸入構成電流和電壓通道。來自信號預處理電路的小電壓信號通過可配置的PGA放大，經ADC變換轉換為數字信號，然后進入內部DSP進行數字信號處理，在經過相位校正和HPF濾波后，分別對各路電壓或電流進行均方根值計算、對各相電壓和電流進行總有功/無功功率計算、基波有功/無功功率計算。
    對于含有諧波的交流系統，其瞬時電壓、電流的數學表達式分別為：
 
  　 

    為保護電能表內部主要電路的安全運行，提高系統的抗干擾性、可靠性，電源部分設計成3個獨立電源：MCU及相關部分電源、計量模擬部分電源以及RS485通信部分電源,各部分電源之間采用有效的隔離技術。MCU通過SPI總線對ADE7878的各個寄存器進行訪問，得到計量所需的各項數據，經過處理之后通過SPI總線將數據存儲到Flash中長期保存。RTC、LCD、鐵電存儲部分通過I2C總線與MCU進行數據交換。根據多功能電能表通信規約的要求,系統設計采用了2種通信方式：紅外通信和RS485通信。除此之外，系統還設計了開蓋檢測、電池欠壓檢測和系統掉電檢測，以實現實時監視外部的異常情況，對檢測到的異常進行相關記錄，同時進行聲光報警[4]。
2.2 ADE7878模擬信號輸入電路
    電壓取樣可采用傳統的電壓互感器或電阻分壓網絡。電壓互感器雖然具有非常良好的隔離性能，但是同時會帶來相位誤差，影響測量精度，而且體積大、成本高[2]。因此，本設計采用無相位誤差且成本較低的電阻分壓的方法。ADE7878的最大模擬輸入信號電平峰峰值為±0.5 V，此次設計的電表額定電壓為100 V，為留有一定裕量并提高安全性，取樣電阻選擇1 kΩ，分壓電阻采用5個270 kΩ和1個51 kΩ的電阻，因此，加額定電壓時得到的輸入取樣信號電平峰峰值為100 mV。為了保證精度，采樣電阻全部采用誤差為25 ppm的高穩定度的精密電阻。A相電壓采樣電路如圖2所示。

    電流取樣采用傳統的電流互感器方案。電流互感器選用量程為0～5 A的微型精密電流互感器,其規格為5 A/10 mA，采樣電阻選用精密電阻120 Ω，因此額定采樣電壓有效值為1.2 V，ADE7878電流輸入通道采樣信號范圍為峰值±0.5 V，因此采樣電阻比為0.5/(1.414×1.2)=0.29，為留有一定余量，保證采樣精度，選用40 Ω、220 Ω兩種金屬膜電阻，這樣采樣電阻比就是40/(220+40)=0.15，具體電路見圖3。

2.3 LPC2212與ADE7878接口電路
    為保護以LPC2212為主的核心控制電路的安全可靠，以及減少數字電路對ADE7878模擬采樣的干擾，在設計這兩部分的接口電路時，有必要考慮電氣隔離的問題。
　 本設計中采用的是ADI公司的采用iCoupler技術的四通道數字隔離器ADUM1411芯片，額定電介質隔離電壓為2.5 kV(有效值)，持續1 min。該隔離器將高速CMOS與單芯片空芯變壓器技術融為一體，具有優于光耦合器等替代器件的出色性能特征，隔離效果非常好。iCoupler器件不用LED和光電二極管，因而不存在一般與光耦合器相關的設計困難。簡單的iCoupler數字接口和穩定的性能特征，可消除光耦合器通常具有的電流傳輸比不確定、非線性傳遞函數以及溫度和使用壽命影響等問題。這些iCoupler產品不需要外部驅動器和其他分立器件。此外，在信號數據速率相當的情況下，iCoupler器件的功耗只有光耦合器的1/10至1/6[5]。
　 ADE7878提供兩種串口通信模式：SPI接口模式；I2C接口+HSDC接口模式。本設計采用速度較高的SPI接口模式。在上電或硬件復位后，通過SS引腳上連續拉高置地三次，ADE7878進入SPI通信模式，其最高的通信速度為2.5 MHz。SS引腳的具體操作可以通過兩種方式來實現：一是由MCU使用一個I/O引腳觸發SS引腳切換3次；二是對ADE7878沒有分配特定寄存器的地址(例如0xEBFF)執行3次SPI寫操作。在串口選擇完成后，必須進行端口鎖定，對CONFIG2[7:0]寄存器的任何寫操作即可鎖定端口，一旦鎖定，串口模式將無法更改，直到復位為止[1]。
3 整體軟件設計

    本設計的軟件是基于Keil uVision3開發環境編寫的，主要包括系統主程序設計以及軟件校表設計。
3.1 主程序設計
    系統主程序流程如圖4所示。主程序分為初始化部分和主循環部分。

    初始化部分包括對FRAM、Flash兩種存儲器的格式化，對MCU的ADC、SSP、I2C、UART各種端口的設置，對GPIO引腳的功能設定與方向選擇，對內部中斷、外部中斷的設置，對RTC時鐘的設置，等以上均初始化完畢之后，將相關參數導入FRAM中，然后配置ADE7878，啟動電量信息的采集。
    主循環部分依次對外設的情況進行檢測，按鍵掃描處理，計算各種電量信息并通過LCD顯示、存儲數據以及RS485通信。當外設出現異常情況，或者檢測到開蓋、電池欠壓、掉電情況時，進行相應聲光報警以及參數存儲。
3.2 軟件校表設計[3]
    ADE7878的校準有兩種方法可供選擇。一種方法是利用ADE7878的三路校表脈沖輸出，通過校表臺來進行校準。這種方式最為常用，但是效率較低。另一種方法是利用精密基準源，通過設置ADE7878使其工作在線路周期累計模式下。這種模式的優點是效率高，校準比較快，但對基準源的要求比較高。
    ADE7878簡化了校表方式，一般流程為：電表外接PF=1的額定電流、額定電壓，依次校準電流增益IGAIN、電壓增益VGAIN。根據電流、電壓修正的結果相應修改WTHR的閾值，同時設置芯片工作于線周期累積模式，接入PF=1的額定電流、額定電壓之后，校準有功功率增益WGAIN。然后將PF調至0.5L，進行相位修正。無功功率增益VARGAIN、視在功率增益VAGAIN理論上可以等于有功功率增益WGAIN。
    校準完成之后，可以采用如下方法檢測校準的精度：將校準后的電能表接入標準源額定值，對比其與標準表的電能脈沖輸出，通過觀察兩路脈沖的周期是否十分接近，可以初步得知校準的成功與否，然后再通過觀察規定時間內兩路脈沖的個數是否一致，從而得知此次校準的實際精度。
    由于在芯片復位之后，所有的校表寄存器都會恢復到缺省值，因此，必須將求得的各個校準寄存器的值存放在FRAM中長久保存，在系統復位后由LPC2212控制將這些修正值依次寫入相關寄存器中。
    本系統采用LPC2212和ADE7878組合設計，將ADE7878的高精度測量能力與ARM7強大的控制能力相結合，提高了測量結果的精確性，簡化了硬件設計過程，加大了各個任務調度的靈活性，增強了整體系統的可靠性。
參考文獻
[1] Analog Device, Inc. ADE7878 datasheet poly phase multifunction energy metering IC with per phase information.2010.
[2] 郭忠華. 基于ADE7878芯片的電力參數測量儀的設計[J]. 電工電氣, 2010(12):25-30.
[3] 胡志剛, 許凱, 崔永峰. 電能計量芯片ADE7878在智能表中的應用[J]. 電測與儀表, 2010(7):128-131.
[4] 王翠青, 陳未如, 任子真,等.基于ATmega128L和ADE7758的電子式多功能電能表的設計與實現[J].沈陽化工學院學報, 2008(1):81-84.
[5] Analog Device, Inc. ADUM141x datasheet quad-channel digital isolators. 2006.