变压器智能保护电量计量模块的软硬件设计(编辑修改稿)

变压器智能保护电量计量模块的软硬件设计(编辑修改稿)内容摘要：

，经过某种运算或变换后再写回到端口 锁存器。 只有读端口时才真正地把外部的数据读入到 内部总线。 89C51的 P0、 P P P3口作为输入时都是 准双向口。 除了 P1口外 P0、P P3口都还有其他的功能。 RST： 复位输入端，高电平有效。 当 振荡器 复位器件时，要保持 RST 脚两个 机器周期 的高电平时间； ALE/PROG： 地址锁存 允许 /编程 脉冲信号端。 当访问 外部存储器 时， 地址锁存 允许的 输出电平 用于锁存地址的低位字节。 在 FLASH 编程 期间，此引脚 用于输入 编程 脉冲。 在平时， ALE 端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为 振 荡器 频率的 1/6。 因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。 然而要注意的是：每当用作 外部数据 存储器 时，将跳过一个 ALE 脉冲。 如想禁止 ALE 的输出可在 SFR8EH 地址上置 0。 此时， ALE 只有在执行MOVX， MOVC 指令时 ALE 才起作用。 另外，该 引脚 被略微拉高。 如果 微处理器 在外部执行状态 ALE 禁止，置位无效； PSEN ： 外部 程序存储器 的选通信号，低电平有效。 在由外部程序 存储器 取指期间，每个 机器周期 两次 PSEN 有效。 但在访问 外部数据 存储器时，这两次有效的 PSEN 信号将不出现； EA /VPP： 外部 程序存储器 访问允许。 当 EA 保持低电平时，则在此期间外部程序存储器 （ 0000HFFFFH），不管是否有内部程序存储器。 注意加密方式 1时， EA将内部锁定为 RESET；当 EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。 在 FLASH 编程期间，此引脚也用于施加 12V 编程电源（ VPP）； XTAL1： 片内 振荡器 反相放大器和时钟发生器的输入端； XTAL2： 片内 振荡器 反相放大器的输出端。 本设计中主要用到了 P1 口和 RST 引脚。 利用 P1 口与电量计量芯片的河南科技大学本科毕业设计（论文） 9 SPI 通讯接口相连，实现通讯。 其中： 1． 管脚用于计量模块 ATT7026 的 SPI 串行数据输出信号线； 2． 管脚用于计量模块 ATT7026 的 SPI 串行数据输入信号线； 3． 管脚用于计量模块 ATT7026 的 SPI 串行时钟输入信号线； 4． 管脚用于计量模块 ATT7026 的 SPI 片选信号线。 RST 保持两个机器周期以上的高电平时自动复位。 上电瞬间，电容充电电流最大，电容相当于短路， RST 引脚上为高电平，自动复位；然后电源通过电阻对电容充电， RST 端电压慢慢下降。 当电容两端的电压达到电源电压时，电容充电电流为零，电容相当于开路， RST 端降为低电平，单片机开始正常工作。 167。 小节 本章首先通过系统结构组 成框图简单明了地介绍了变压器智能保护系统工作原理，并按照任务书的相关要求画出系统流程图。 其次详细介绍了系统的主控芯片 AT89S51 的特性及管脚说明。 此外还提到了单片机与计量芯片ATT7026 的通讯接口，这一部分会在以后章节详细介绍。 河南科技大学本科毕业设计（论文） 10 第 2章 电量计量模块硬件设计 167。 电量计量芯片 ATT7026 介绍 ATT7026是一种高精度三相电能专用计量芯片，适用于三相三线和三相四线制。 它集成了六路二阶 sigmadelta ADC、参考电压电路以及所有功率、能量、有效值、功率因子以及频率测量的数字信号处理等电路，因此， 在配置有单片机的系统中，能够方便地测量各相以及合相的有功功率、无功功率、视在功率、有功能量以及无功能量，同时还能测量各相电流有效值、电压有效值、功率因子、相角和频率等参数，能够起到实时监测系统功耗情况的作用。 167。 功能简介 ATT7026的有功测量可达到 1级或 ，无功测量达到 2级或 3级，ATT7026支持电阻网络校表和软件校表两种校表方式。 软件校表是通过相关的校表寄存器对增益、相位进行补偿和小电流非线形补偿，可测量到 21次以上谐波的有功和无功功率，将系统误差校正在。 有功、无功频率校验 输出 CF CF2 提供瞬时有功、无功功率信息，可以直接接到标准表，进行误差校正。 ATT7026片内集成了 6路 16位的 ADC，采用双端差分信号输入。 最大输入电压是 ，即可以输入最大的正弦信号有效值是 1V。 适宜将电压通道 Un对应到 ADC的输入选在 ，而电流通道 Ib时的 ADC输入选在 左右。 模数转换电路接收电压、电流互感器电路传送的模拟电压、电流信号，并将模拟信号转变成数字信号，实现 ATT7026芯片对电参数的数据采样。 电源监控电路连续对模拟电源（ AVCC）进行监控。 当电源电 压低于 4V时， ATT7026芯片将被复位，有利于电路上电和掉电时芯片能正常启动；芯片正常工作时，电源监控电路被安排在延时和滤波环节中，可以最大程度防止由电源噪声引发的错误。 为保证 ATT7026芯片正常工作，应对模拟电源去耦，使 AVCC的波动不超过 5V177。 5%。 ATT7026芯片提供一个 SPI接口，方便与主控制单片机之间进行计量参数和校表参数的数据传递。 所有电量计量参数都可以通过 SPI接口读出。 河南科技大学本科毕业设计（论文） 11 167。 芯片引脚定义 ATT7026 芯片引脚如图 21 所示。 图 21 ATT7026 芯片引脚图 引脚定义： RESET（ 1）：输入，复位管脚，低电平有效，内部有 300K 上拉电阻； SIG（ 2）：输出，正常应用时为高电平。 当外部 MCU 通过 SPI 写入校表数据后，立即变为高电平；上电复位时或由于异常原因芯片重新启动时，该引脚为低电平； V1P/V1N（ 3， 4）：输入， A 相电流信道正、负模拟输入引脚。 完全差动输入方式，正常工作最大信号电平为 177。 两个引脚内部都有 ESD 保护电路，最大承受电压为 177。 6V； REFCAP（ 5）：输出，基准 ，可以外接。 对该引脚使用 10uF 钽电容并联 100nF 瓷介电容进行去耦； V3P/V3N（ 6， 7）：输入， B 相电流信道正、负模拟输入引脚。 完全差动输入方式，正常工作最大信号电平为 177。 两个引脚内部都有 ESD 保护电路，最大承受电压为 177。 6V； AGND（ 8， 15）：电源，模拟电路（即 ADC 和基准电源）的接地参考点。 河南科技大学本科毕业设计（论文） 12 该引脚应连接到 PCB 的模拟地；为了有效地抑制噪声，模拟地和数字地只应有一点连接； V5P/V5N（ 9， 10）：输入， C 相电流信道正、负模拟输入引脚。 完全差动输入方式，正常工作最大信号电平为 177。 两个引脚内部都有 ESD 保护电路，最大承受电压为 177。 6V； REFOUT（ 11）：输出，基准电压输出，用做外部信号的直流偏置，偏置电压为 左右； AVCC（ 12）：电源，该引脚提供 ATT7026 模拟电路的电源，正常工作电源电压应保持在 5V177。 5%；为使电源的纹波和噪声减小至最低程度，该引脚应使用 10μF 钽电容并联 100nF 瓷介电容进行去耦； V2P/V2N（ 13， 14）：输入， A 相电压信道正、负模拟输入引脚。 完全差动输入方式，正常工作最大信号电平为 177。 两个引脚内部都有 ESD 保护电路，最大承受电压为 177。 6V； V4P/V4N（ 16， 17）：输入， B 相 电压信道正、负模拟输入引脚。 完全差动输入方式，正常工作最大信号电平为 177。 两个引脚内部都有 ESD 保护电路； AVCC (18)：电源，该引脚提供 ATT7026 模拟电路的电源，正常工作电源电压应保持在 5V177。 5%, 为使电源的纹波和噪声减低至最低程度，该引脚应使用 10uf 电容并联 电容进行去耦； V6P/V6N（ 19， 20）：输入， C 相电压信道正、负模拟输入引脚。 完全差动输入方式，正常工作最大信号电平为 177。 两个引脚内部都有 ESD 保护电路； S0/S1（ 21， 22）：输入，这两个逻辑 输入用来选择输出频率的系数。 内部有 300K 上拉电阻； GND（ 23）：电源，数字地引脚； TEST（ 24） 输入，测试管脚，正常应用接地。 内部有 300K 上拉电阻； SCF（ 25）：输入，这个逻辑输入用来选择输出频率的系数，与 S0/S1 配合使用，内部有 300K 上拉电阻； SEL（ 26）：输入，接高电平时为选择三相四线制，接地电平时为选择三相三线制接线方式。 内部有 300K 上拉电阻； CF1（ 27）：输出，有功频率校验输出，其频率反映合相平均有功功率的河南科技大学本科毕业设计（论文） 13 大小，常用于仪表有功功率的校验，也可以用作电能计量； CF2（ 28）：输出，无功频率校验输出，其频率反映合相平均无功功率的大小，常用于仪表无功功率的校验，也可以用作电能计量； F1/F2（ 29， 30）：输出，低频脉冲输出，其输出反映三相平均有功功率的大小。 可直接驱动机电式计度器； F3/F4（ 31， 32）：输出，低频脉冲输出，其输出反映三相平均无功功率的大小。 可直接驱动机电式计度器； VDD (33)：电源，内核电源输出 ，外接 10uf 电容并联 电容进行去耦； VCC (34, 41)：电源，数字电源引脚，正常工作电源电压应保持在5V177。 5%，该引脚使用 10uf 电容并联 电容进行去耦； CS (35)：输入， SPI 片选信号，低电平有效，内部上拉 200K 电阻； SCLK (36)：输入， SPI 串行时钟输入（施密特）， 注意：上升沿放数据，下降沿取数据； DIN（ 37）：输入， SPI 串行数据输入； DOUT（ 38）：输出， SPI 串行数据输出； VDD (39)：电源，内核电源输出 ，外接 10uf 电容并联 电容进行去耦； REVP（ 40）：输出，当检测到合相有功功率为负时，表示电流与电压接线方向相反，输出高电平；当再次检测到合相功率为正时， 表示正常，该引脚的输出又将复位到低电平。 据此可判断接线是否出错； OSCI（ 42）：输入，系统晶振的输入端，或是外灌系统时钟输入； OSCO（ 43）：输出，晶振的输出端； GND (44)：电源，数字地引脚。 167。 内部框图介绍 ATT7026 内部结构大致可以分为三个部分： 第一部分为模数转换，芯片将通过六路通道采集的电压、电流模拟量在内部的 AD 转换器中进行转换，输出芯片能够进行相关计算的数字量；第二部分为数字处理，该模块负责将传递过来的数字量进行有效值计算，从而得出其有功功率和 无 功功率及功率因数，该部分为 ATT7026 的核心；第三部分河南科技大学本科毕业设计（论文） 14 主要为输出，即通过 SPI 接口与单片机相连，把数据传送出去。 内部框图如图 22 所示： 图 22 ATT7026 内部框图 167。 应用示意图 如图 23 所示， ATT7026 外部硬件电路主要包括电源、电压及电流模拟输入、脉冲输出及 SPI 通讯接口等电路。 每路的的 ADC 的交流输入由 VxP和 VxN 输入，同时要求 VxP、 VxN 迭加 左右直流偏置电压。 VxP 和VxN 输入电路中电阻 和电容 构成了抗混叠滤波器，其结构和参数要讲究对称。 由于 ATT7026 计量部分采用了数字滤波器 结构，所以为了保证测量精度，建议选用 的晶振，检查晶体振荡是否正常，频率及幅度是否符合要求。 ATT7026 与单片机一般有六条连线，其中 4 条是 SPI 口线 CS、 SCLK、 DIN、 DOUT，一条复位控制线，一条握手信号 SIG。 河南科技大学本科毕业设计（论文） 15 图 23 ATT7026 应用示意图 167。 系统复位 ATT7026提供两种复位方式：硬件复位和软件复位。 硬件复位通过外部引脚 RESET完成， RESET引脚内部有 300K电阻上拉，所以正常工作时为高电平，当 RESET出现大于 20us的低电平时， ATT7026进入复位状态 ，当 RESET变为高电平时 ATT7026将从复位状态进入正常工作状态。 软件复位通过 SPI 口完成，当往 SPI 口写入 0xD3 命令后，系统进行一次复位，复位之后 ATT7026A 从初始状态开始运行。 ATT7026在复位状态下 SIG为高电平，当 ATT7026从复位到工作状态之后，大约经过 500us左右， SIG将从高电平变为低电平，此时芯片开始进入正常工作状态，方可写入校表数据，一旦写入校表数据之后， SIG又会变为高电平。 复位示意图如图 24所示。 河南科技大学本科毕业设计（论文） 16 数 字 移 相 滤波器 无功功 率测量 电压增益 补偿 电压有效 值测量 有功功 率测量 数 字 移 相 滤波器 数 字 移 相 滤波器 相位 校正 功率增益 补偿 电流增益 补偿 电流有效 值测量 功率增益 补。