摘 要： 為滿足高速發展的社會趨勢，設計一種以單片機STC12C5A60S2為控制核心和電能計量芯片ATT7022C為基礎的電參數測量終端，并結合Visual Studio 2017開發數據監控界面，其中，主要包括12864液晶顯示、存儲、RS 232通信等模塊，實現了對關鍵測量數據的實時監控功能。實驗結果表明：所測數據均符合誤差國家標準 GB/T 17215.322—2008《0.2S級和0.5S級靜止式有功電能表》要求;該方案具有能耗低、精度高、高效低廉易推廣等優點，并且對電網輸配電和電力能源結構合理配置具有促進作用，在設計工業及家庭用電智能測量設備及擴展應用方面均有較好的實用價值。
關鍵詞： ATT7022C應用; 電參數測量; 方案設計; 監控界面開發; 數據監控; 實驗測試
0 引 言
電能作為一種邊生產邊消耗不易存儲的特殊商品，隨著西電東送南、中、北三條通道的形成，以及各大超高壓輸電線路工程的實施，使智能電網更加的龐大和完善，我國的能源結構得到不斷優化。同時各行業飛速發展，必然引起對耗電量的不斷增加，為了適應社會發展新需求，對用電檢測儀表提出了更高的要求，電能質量檢測技術結合各學科優勢迅速發展[1?3]。目前主要有以下4種計量終端方案：
1) 電磁式互感器的電子式電能計量終端;
2) 弱輸出式互感器的電子式電能計量終端;
3) 電子式互感器的電子式計量終端;
4) 將計量電路與傳感信號結合配合專業計量芯片的電子式計量終端[4?6]。
方案1)由于存在鐵芯銅材致使能耗體積重量較大，方案1)～方案3)均存在設計步驟繁瑣，結構不緊湊，穩定性較差的問題，方案4)常出現計算能力過剩，造價一般較高，且安全問題仍然突出等問題。同時，出于不同用電環境的考慮，電計量終端開始往定制化、人性化的方向發展。基于以上問題，綜合考慮，提出一種采用單片機STC12C5A60S2和專業計量芯片ATT7022C設計的電參數測量終端，該方案對電能測量儀表設計有較好的應用前景，便于工程實現。
1 總體設計方案和工作原理
總體設計方案中，控制核心為STC12C5A60S2單片機，通過SPI(Serial Peripheral Interface)總線與專業電能計量芯片ATT7022C通信，總體設計框圖如圖1所示。
為了合理高效地利用芯片內部資源，復雜的數學運算均在計量芯片ATT7022C內完成，單片機僅需完成少量控制運算就能實現方案主體設計。以下為本終端設置的功能模塊：數據采集模塊、電源模塊、串口通信模塊、液晶顯示模塊，E2PROM存儲模塊。互感器采集電壓電流轉換為小信號送入專業計量芯片處理，三相電流電壓小信號在計量芯片接收端分別為VXP，VXN。其中，電源模塊由外置電源供電。電壓采集互感器型號為TV31B02，正常工作時，當原邊電流為2 mA時，副邊得到的小電流信號為2 mA，比差允許為±0.1%，角差小于等于15 V。輸入最大電流為10 mA，當接可靠限流電阻時，最大可輸入電壓為1 000 V，原邊和副邊最大工作電流均不得大于10 mA，為電流型精密電壓互感器;電流采集互感器型號為TA32BM，正常工作時原邊和副邊工作電流分別為5 A和2.5 mA，且正常工作時相位差小于等于15 V，線性度小于等于0.2%，接100 Ω標準電阻，為初級單匝穿心微型互感器。此兩款互感器精度滿足國家標準、成本低、體積小，適合小型終端的擴展設計[7?10]。ATT7022C芯片內部包含80個計量參數寄存器，可選擇各類電能計量參數原始值。用戶端由LCD12864實時顯示數據，屏幕共4行，每行可顯示16個ASCⅡ碼字符，符合此次設計屏幕空間需求。E2PROM模塊應用IAP(In Application Programming)應用編程，通過控制部分IAP內置寄存器常在主函數前設置一段代碼使程序運行中對單片機程序存儲區再次寫入數據[11?12]。由于程序存儲空間較小，此處僅對重要單個數據操作，完成對該數據量的累加并保存至程序存儲區，具有掉電不丟失特征。本方案通過RS 232串口通信連接計算機，在計算機端借助Visual Studio 2017編程生成交互界面，實時監控所需數據，并將數據保存至計算機。
2 硬件設計
2.1 ATT7022C硬件電路設計
硬件基本電路中，外接三相電流電壓經所選互感器以及PCB電路將大電流電壓模擬信號轉換為計量芯片能夠接收的小數字信號，通過VXP/VXN輸入計量芯片，由于計量芯片內部已合成模數轉換模塊和專用DSP計算模塊，芯片內完成所有復雜計算工作后，將結果安放在內部特定參數計量寄存器內。單片機在讀取所需的某些數據之前必須先對ATT7022C計量芯片完成軟件校表工作，即計算完校表參數之后只需將校表參數通過SPI接口輸入到ATT7022C的校表寄存器中;然后再通過SPI接口總線讀出所需的準確數據，該總線為主從控制模式，高速同步雙向傳輸，并且只需4根線即能完成計量芯片與單片機通信操作，分別為數據輸出端、數據輸入端、時鐘信號控制端、片選端，由于本設計控制核心為主設備，ATT7022C為從設備，無其他從設備，因此在片選端直接放置有效信號即可;此外再添加一條復位線和握手信號線，控制ATT7022C的啟動，復位和數據傳輸[13?14]。
2.2 互感器電路設計
2.2.1 電壓互感器電路設計
電能計量終端輸入220 V的標準電壓，ATT7022C電壓信道的要求電壓范圍為10 mV～1 V，電路中串聯的電阻大小為220 kΩ，當以額定模擬電壓工作時，電壓互感器轉換后，小電流信號為1 mA，使得其在R6(130 Ω)兩端產生的電壓[UR6]=(220 V/220 kV)×130=0.13 V，滿足ATT7022C的電壓范圍要求。在計量模塊的電壓信道前端設置由R4，C1，R7，C2組成的濾波電路。此時的電壓信號就可以輸入到ATT7022C的電壓端口V2P/V2N、V4P/V4N和V6P/V6N。REFOUT為基礎電壓輸出，它將待測量信號通過UREF的值不斷計算誤差并累積差值，通過反饋控制使得該差值無限趨近于0。三相電壓互感器電路如圖2所示。
2.2.2 電流互感器電路設計
電能計量終端接入的是0～5 A的標準電流信號，ATT7022C芯片要求電流信道的電壓范圍為2 mV～1 V。即當原邊交流電流模擬信號為5 A時，相應得到的小電流信號為2.5 mA，可得其在電路中R21(50 Ω)電阻兩端產生的電壓[UR21]=2.5×50=0.75 V，滿足ATT7022C的電壓范圍要求。為了避免在計量芯片ATT7022C的DSP運算環節出現頻率混疊失真，設計由R20、R22、C7、C8組成的濾波電路，電流信號經處理后就可以被送入到ATT7022C的電流采樣端口V1P/V1N、V3P/V3N、V5P/V5N，獲得三相電流，B、C兩相電流采集電路結構參數與A相相同，A相電流采集電路如圖3所示。
3 軟件設計
在本方案中軟件設計主要為以下三部分：主程序、軟件校表以及Visual Studio 2017通信編程。
3.1 主程序
本次設計主程序中包含的子程序模塊有ATT7022C讀寫模塊，12864液晶模塊，RS 232通信模塊，E2PROM模塊。其中，main函數為執行函數，main函數中首先對各功能模塊及參數進行初始化，然后依次實現各模塊功能。
3.2 軟件校表
軟件校表的目的是使ATT7022C內部計量寄存器在正常工作時獲得足夠精度的原始初值，軟件校表之前必須對ATT7022C進行初始化操作，使得對應校表寄存器值為0，校表完成后精度誤差可控制在國家標準以下，以下提供一種快捷軟件校表方法。
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