電池知識
鋰離子、磷酸鐵鋰、錳酸鋰、新能源
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鋰離子、磷酸鐵鋰、錳酸鋰、新能源
摘要：解析美國Ateml公司新型專用電能量測量專用芯片組AT73C500/501的性能指標和工作原理；給出采用此芯片組的電參數測量模塊使用設計要點和抗干擾設計辦法，并利用pC機編寫自動參數校準軟件，實現快速精確配置模塊測量系數；實現簡單通用的智能電參量測量模塊。
近向年來，國外許多IC設計制造公司推出了系列電參量（針對工頻電網的電壓、電流、有功、無功、頻率等參數）測量的專用芯片，如CS5460A、ADE7755、AT73C500/501等。利用它們可以方便實現單相、三相電能表的設計，達到很高的測量精度，同時大幅降低產品成本。
這些不同的電參量測量芯片功能各有側重，性能各有所長。我們在使用這些芯片過程中，發現不少特殊問題，并針對這些特點設計了通用的智能電參量測量模塊。本文依據實際使用AT73C500/501過程中出現的問題，對該芯片的使用進行了深入探討，給出相應處理方法；同時，設計了高效的電參量測量模塊校準軟件，實現電參量測量模塊自動、快速加工調試。
圖1
1AT73C500/501芯片簡介
1．1芯片性能指標
AT73C500/C501為美國Atmel公司2000年推出的電能測量專用芯片組。其中AT73C501為A/D變換芯片用于測量前端信號采樣；AT73C500為DSp芯片，依據AT73C501的采樣數據完成電參量的計算。使用這兩種芯片配合工作測量三相電參數個有如下特點：
*滿足IEC1036一級精度要求；
*使用外部溫度補償的參考電源，滿足IEC687的0.5和0.2級精度；
*測量三相有功功率、無功功率、視在功率和電能；
*測量功率因數、電網頻率、電壓和電流有效值；
*多相或單相運行；
*接口靈活，具有8位微解決器接口、8位狀態輸出、8路脈沖輸出；
*支持增益和相位校準；
*支持低端非線性校準；
*啟動電流可編程；
*最大可測帶寬1kHz；
*單+5V供電；
*校準數據可以從串行EEpROM讀取，也可以由外接微解決器讀取。
1.2AT73C500/501芯片簡介
AT73C501是28引腳pLCC封裝的六路Sigma-DeltaA/D變換器。AT73C501內部蘊含六路16位A/D變換器、1個參考電壓發生器、1個電源電壓監視單元和1個時鐘單元。每路A/D變換器都由高性能、過采樣的Sigma-Delta調制器和數字均分濾波器組成。
芯片的AIN1、AIN3、AIN5為電流采樣通道輸入，AIN2、AIN4、AIN6為電壓采樣通道輸入，所有六路A/D輸入都是單端輸入，簡化了外圍設計。其它主要引腳有：
ACK—采樣數據輸出準備好；
OX、XI—接外部晶體3.2768MHz，提供工作時鐘；
CLK—提供DSpAT73C500工作時鐘輸出；
CLKR—串行總線數據輸出時鐘；
FSR—輸出采樣的幀信號；
DATA—串行總線采樣數據輸出。
AT73C500為44引腳pLCC封裝的新型電能測量專用DSp芯片，具有一個高效的數字信號解決器（DSp）內核，DSp技術的使用，使AT73C500具有其它電能測量芯片所沒有的一些特點和復雜功能。主要引腳如下；
B0～B7—MCU總線；
B8～B15—狀態、工作模式總線；
IRQ1—接AT73C501的ACK，外部采樣數據中斷祈求；
CLK—時鐘輸入，3.2768MHz；
STROBE、BRDY、RD/WR、ADDR0、ADDR1—AT73C500和外部MCU的數據傳輸接口信號；
SOUT0—時鐘輸出給外部串行EEpROM；
SOUT1—串行輸出，作為AT73C500的片選信號或外部EEpROM的數據輸入（DI）；
SIN—串行數據輸入，接收AT73C501或外部EEpROM的數據輸入（DO）；
SCLK—串行位時鐘輸入來自AT73C501。
2智能電參量采集模塊設計
我們設計的智能電參量采集模塊，用于低壓變壓器在線監測設備中。測量模塊作為關鍵的臺變運行監測部件，要求設計成通用性強的采集模塊。這樣，可以方便地和現有的各種設備接口，擴展現有設備的功能。應具有造價低，可靠性強，便于維護等優勢。針對功能需求，在綜合對比幾種電能量測量芯片的價格、性能、系統實現難易程度等幾方面的基礎上，我們采用AT73C500/501設計了智能電參量采集模塊。
2.1智能電參量采集模塊前端原理
電參量采集模塊前端以AT73C500/501為核心，由信號取樣電路、邏輯電路及其它元器件測量單元結構共同組成。三相電壓信號分別使用電阻分壓器的互感器提取。被測三相電流由一次電流1.5A或6A、二次電流5mA、二次負荷20Ω的電流互感器轉化為電壓信號。
圖1為測量采集模塊原理。
選擇AT73C500的工作模式時，由于校準數據筆直影響測量精度，而且每次復位后AT73C500都要重新讀入校準數據，如果AT73C500使用微解決器模式，導入校準數據的握手協議過于復雜，需要單片機軟件干預；因此從可靠性角度考慮，AT73C500被設置成EEpROM模式，將校準數據從EEpROMAT93C46中讀出，同時，單片機也能對AT93C46內的校準數據讀寫。
前端測量電路工作流程：上電復位后，單片機對AT73C500復位，然后AT73C500進行初始化工作。首先將RD/WR寫高，狀態/模式總線上的四個三態門被選通，AT73C500通過BUS12至BUS15讀入模式信息。在判斷工作模式為EEpROM模式后，AT73C500向狀態/模式總線的最低位（BUS8）寫低電平，經邏輯譯碼電路（GAL20V8）后萌生初始化信號CS1。CS1信號選通串行EEpROMAT93C46，AT73C500讀出存儲在AT93C46中的校準數據。校準數據讀出以后，AT73C500向BUS8寫高電平，經鎖存后CS1變成高電平，初始化階段結束，測量單元開始正常的測量工作。AT73C501開始通過同步串行總線向AT73C500傳送采樣結果。
AT73C500的計算結果有兩種輸出方式：一種是以數據的形式輸出，另一種是以脈沖的形式輸出。兩種方式共和數據總線，因此使用邏輯譯碼電路（GAL20V8）區分。當有一包數據要輸出時，AT73C500向狀態總線的BUS9寫高電平脈沖，經鎖存后萌生數據就緒信號DATRDY。DATRDY信號用于智能外接單片機線上數據就緒，此時ADDR0為低電平，無脈沖輸出。數據輸出結束后，DATRDY變為低電平。數據總線輸出脈沖時，DATRDY始終為低電平；同時，DR/WR為低電平，ADDR0為高電平。
2.2AT73C500數據采集接口單元設計
2.2.1單片機選型
對智能電參量采集模塊的各項數據進一步出產解決和與外部通信等功能，一般要由單片機來完成。前端測量單元的測量結果由AT73C500的數據總線送出。AT73C500的數據總線為并行總線。總線上數據傳輸速度非常快，其中鎖存信號STROBE的脈寬僅為153ns。基于速度、成本上的考慮，選用美國Atmel公司的精簡指令集（RISC）AVR單片機AT90S8535實現接口單元的功能。AT90S8535內部有8KBFlash程序存儲器，512BSRAM，使用8MHz的晶振，每條指令的執行時間僅為125ns。
2.2.2接口邏輯控制電路
由于AT73C500/501有多種工作模式和數據傳輸方式，同時系統有1片EEpROMAT93C46存儲器，保存校準參數信息。AT93C46非得能夠由單片機讀寫，還要能由AT73C500讀取系數。考慮到還有其它的復雜數據控制接口信號，因此，采用1片pLDGAL20V8實現復雜邏輯功能和數據、地址譯碼。圖2為接口邏輯控制電路。
2.2.3單片機數據采集接口單元
測量單元的測量結果通過并行數據總線高速輸出，因此，要怎么樣準確及時地接收總線上的數據是接口單元要處理的首要問題。
AT73C500數據總線時序中有兩個不利于數據接收的問題。
AT73C500數據總線時序中有兩個不利于數據接收的問題。
一是數據寫到總線選通STROBE信號低電平寬度太窄，不利于單片機捕捉。這個問題即使使用了AVR單片機仍舊不能忽視。如果AT90S8535采用查詢一般I/O口的方法捕捉STROBE脈沖，查詢一次至少要執行兩個單周期指令或執行一條兩周期指令，執行時間最少為250ns，超過了STROBE低電平的寬度（153ns），因此丟失數據的可能性非常大。為了準確地捕捉STROBE信號，該信號被連接到AT90S8535外中斷0的輸入引腳（1NT0）。當INT0引腳上的STROBE信號觸發了INT0中斷祈求時，通用中斷標志寄存器GIFR中的INTF0位被置1，AT90S8535通過查詢INTF0位，判斷是不是出現STROBE信號。使用這種辦法STROBE低電平狀態由單片機硬件捕捉，不存在丟失STROBE事件的可能性，只要在下一次中斷申請出現往日將INTF0位清除即可。
圖3
另一個不利于數據接收的問題是，兩個STROBE信號之間的時間過短，最短時間間隔惟有11個時鐘周期（3.2768MHz）。針對這種情況，考慮到數據包有效時的信號DATARDY可以利用，將DATARDY接到INT1引腳，利用DATARDY和STROBE的關系，進行數據接收，硬件連接如圖3所示。
3智能電參量采集模塊軟件設計
電參量采集模塊軟件主要是單片機AT90S8535的控制軟件。軟件主要的功能是完成對AT73C500/501的配置，測量數據的解決；同時，利用外部通信接口傳輸采集的數據，應和外部設備的各種查詢，校準數據設置操作。程序設計的難點在于對AT73C500測量數據的采集。
采集程序初始化時，只準許INT1中斷（由數據包準備好標志DATARDY觸發）。當DATARDY有效，進入INT1中斷時，在中斷內準許INT0中斷（由數據寫到總線選通STROBE信號觸發）。這樣，在INT1中斷程序內，查詢到STROBE引起的中斷有效標志INTF0后，馬上讀出AT73C500寫到總線的數據。然后，清除INTF0，等待接收下個數據，直到把1個完整數據包16個字節全部接收完成，再退出INT1中斷。由于每包數據之間有至少20ms的間隔時間可供AT90S8535解決，這樣接收完成1包數據后，在20ms的時間內由AT90S8535完成對包數據的分解，依次完成6包數據的接收解決。
關鍵的數據包中斷接收代碼程序如下：
interrupt[EXT_INT1]voidext_int1_isr(void)
{
#asm("cli")//禁止所有中斷
CIMSK=0x40;//禁止int1,準許int0
strobe1:
if(GIFR==0)gotostrobe1;//等待第1個數據選通信號有效
temp_pack0=pINB;//syncls讀出同步數據1
GIFR=0xc0;BRDY=0;
strobe2:
if(GIFR==0)gotostrobe2;//等待第2個數據選通信號有效
temp_pack1=pINB;//syncms讀出同步數據2
GIFR=0xc0;BRDY=0;
…………
strobe16:
if(GIFR==0)gotostrobe16;//等待第16個數據選通信號有效
temp_pack15=pINB;
BRDY=0;GIMSK=0x80;GIFR=0xc0;//讀寫16個字節，完成1包數據接收
#asm("sei")
}
在設計調試電參量測量模塊過程中發現很多問題。最嚴重的問題是在測量過程中，當在AT73C501信號輸入端出現電壓類峰脈沖干擾時，AT73C500/501芯片組出現死機現象。詳盡表現為AT73C500不再向數據總線發送測量數據。同時AT73C501迅速升沿發燙，而此時芯片組的復位控制信號不再起作用，單片機無法控制AT73C500/501；惟有模塊停電，再上電之后，才能恢復正常工作。這種故障在實際的工業控制中是非得要處理的。
針對此現象，我們經過反復試驗，采用軟件和硬件相結合的方法，圓滿處理了這個問題。
硬件方面：
*在模塊的供電電源上串接電源濾波器，消除從電源側引入的干擾；
*AT73C501的6路單端A/D輸入端接入EMI磁珠，同時輸入端并接雙向肖特基保護管，對輸入的超出輸入范圍的信號限幅，保護內部電路；
*AT73C500/501芯片組的供電由晶體管電子開關控制，在發生故障時，可由單片機及時切斷電路，實現重新上電。
軟件方面：
*增加軟件看門狗，由AT73C500的數據包傳輸中斷不斷清除，一旦出現故障，沒有數據包傳輸中斷，則看門狗復位系統；
*軟件對采集的數據進行合理性分解，出現異常非法測量數據時，復位AT73C500/501芯片組；
*軟件定時對AT73C500的校準參數進行重裝載，戒備AT73C500內部寄存器校準系統系數失效。
采用以上措施，使電參量測量模塊的可靠性大大提高。使因此測量模塊的現場安裝運行的臺變監測設備運行年1來年，穩定可靠，獲得用戶好評。
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