基于ATT7022在線寬量程電能測量儀的設計
引言
基于ATT7022芯片的設計旨在使設計方案合理、成為性價比較好的產品,特別是在測量范圍方面有所突破。電流測量范圍為0～500A，可實現多個量程之間的自動平滑切換，且三相四線或三相三線可人工轉換；測量精度達到0.2和0.5級；測量的采樣頻率為3.2KHz～25.6KHz，并能根據要求從鍵盤輸入互感比、盤轉數和測定轉數，并能隨時修正，以及從液晶屏上實時顯示誤差百分比、三相電壓、三相電流、相位、功率因數、向量圖、功率和電能等參數，未工作時顯示菜單。
ATT7022的內部電路結構
如圖1所示，ATT7022的內部主要包括電源監控電路、ADC和計量模塊。電源監控電路對模擬電源（AVcc）進行監控，當電源電壓低于 4V±5%時，芯片將被復位。ATT7022片內集成了6路16位的ADC，采用雙端差分信號輸入。最大輸入電壓是1.5V，即可以輸入最大的正弦信號有效值是1V。建議將電壓通道Un對應ADC的輸入選在0.5V左右，而電流通道Ib對應ADC的輸入選在0.1V左右。
系統硬件實現方案
系統整體方案設計如圖2所示，該系統主要分為5個部分：前端采集模塊、運算處理模塊、存儲模塊、鍵盤輸入模塊和顯示模塊。
采集部分采用鉗型互感器和三個計量芯片ATT7022同時采集，依據采集電流的大小進行判斷識別、自動切換數據傳輸和接收。
本文選擇的電流互感器規格是一次電流分別為0～500A、0～10A,二次電流為10mA、2mA,精度0.05級，負載為20，電壓互感器規格為220V/0.5V。輸入接口電路如圖3所示。
運算處理模塊
采用華邦W78E516B實現與ATT7022芯片的數據通信，并進行相應運算、驅動LCD顯示、控制鍵盤輸入、數據的存儲及與USB芯片的接口通信等功能。W78E516B 微處理器支持較寬的電壓變化范圍，大大增加了芯片的抗干擾性能。它與工業標準的80C51微處理器系列完全兼容，包含4個8位的雙向并行口，一個額外的4位尋址I/O口（Port 4）, 3個16-bit timer/counters, 一個 watchdog timer 和一個標準的UART. 包含512B的 RAM 和64KB的閃存，具有64KB程序存儲地址空間，64KB外部數據存儲地址空間， 雙數據尋址指針 時鐘工作頻率達40MHz。
存儲模塊
數據的緩沖采用8KB RAM （HM6264B） ；數據的存儲采用4KB EEPROM （AT28C64B）。
顯示模塊
顯示部分采用精電蓬遠SED1335圖形液晶顯示驅動模塊，320×240彩色液晶屏。由單片機驅動顯示。
通信模塊
采用RS-232和USB（CH375）接口，實現計算機對電流鉗校驗參數、校表參數的寫入和顯示數據的輸出控制。
系統的軟件實現
驅動程序
顯示驅動程序：LCD 顯示驅動程序主要負責顯示實時數據的大小、位置、顏色、色度、閃爍速度、光標處理等與硬件有關的操作，作為顯示數據和硬件之間的載體。
鍵盤驅動程序：主要完成掃描和鍵值的返回及按鍵次數的判斷。
存儲驅動程序：主要完成整型、實型、浮點型等數據的存儲和讀取，完全屏蔽硬件和數據類型的差異。
采樣驅動程序： 主要完成與ATT7022電路有關的功率、能量、有效值、功率因數以及頻率測量等有效參數的讀取和開機校表數據的讀入。
運算程序
主要完成對讀入的采集信號值進行比較，計算誤差百分比、常規的比例運算、非常規數據處理等運算處理工作。
示和菜單算法
完成圖形和漢字顯示初始化和數據顯示及動態圖形處理、多級菜單的處理、菜單的切換、存儲位置的定義等操作。
通信程序以及異常處理程序
主要完成與ATT7022的通信，以及與上位機校表參數等數據通信。
結語
本文設計的基于ATT7022的在線寬量程電能測量儀能夠實現在線寬量程電能（不同電流、電壓范圍）的精確測量，并可以與其它測量設備進行在線實時誤差比較分析，求出誤差百分比。實時顯示相關數據。經實際測試，系統運行良好。
基于ATT7022芯片的設計旨在使設計方案合理、成為性價比較好的產品,特別是在測量范圍方面有所突破。電流測量范圍為0～500A，可實現多個量程之間的自動平滑切換，且三相四線或三相三線可人工轉換；測量精度達到0.2和0.5級；測量的采樣頻率為3.2KHz～25.6KHz，并能根據要求從鍵盤輸入互感比、盤轉數和測定轉數，并能隨時修正，以及從液晶屏上實時顯示誤差百分比、三相電壓、三相電流、相位、功率因數、向量圖、功率和電能等參數，未工作時顯示菜單。
圖1 ATT7022的內部電路框圖
ATT7022的內部電路結構
如圖1所示，ATT7022的內部主要包括電源監控電路、ADC和計量模塊。電源監控電路對模擬電源（AVcc）進行監控，當電源電壓低于 4V±5%時，芯片將被復位。ATT7022片內集成了6路16位的ADC，采用雙端差分信號輸入。最大輸入電壓是1.5V，即可以輸入最大的正弦信號有效值是1V。建議將電壓通道Un對應ADC的輸入選在0.5V左右，而電流通道Ib對應ADC的輸入選在0.1V左右。
圖2 系統總圖
系統硬件實現方案
系統整體方案設計如圖2所示，該系統主要分為5個部分：前端采集模塊、運算處理模塊、存儲模塊、鍵盤輸入模塊和顯示模塊。
圖3 輸入接口電路
前端采集模塊采集部分采用鉗型互感器和三個計量芯片ATT7022同時采集，依據采集電流的大小進行判斷識別、自動切換數據傳輸和接收。
本文選擇的電流互感器規格是一次電流分別為0～500A、0～10A,二次電流為10mA、2mA,精度0.05級，負載為20，電壓互感器規格為220V/0.5V。輸入接口電路如圖3所示。
運算處理模塊
采用華邦W78E516B實現與ATT7022芯片的數據通信，并進行相應運算、驅動LCD顯示、控制鍵盤輸入、數據的存儲及與USB芯片的接口通信等功能。W78E516B 微處理器支持較寬的電壓變化范圍，大大增加了芯片的抗干擾性能。它與工業標準的80C51微處理器系列完全兼容，包含4個8位的雙向并行口，一個額外的4位尋址I/O口（Port 4）, 3個16-bit timer/counters, 一個 watchdog timer 和一個標準的UART. 包含512B的 RAM 和64KB的閃存，具有64KB程序存儲地址空間，64KB外部數據存儲地址空間， 雙數據尋址指針 時鐘工作頻率達40MHz。
存儲模塊
數據的緩沖采用8KB RAM （HM6264B） ；數據的存儲采用4KB EEPROM （AT28C64B）。
顯示模塊
顯示部分采用精電蓬遠SED1335圖形液晶顯示驅動模塊，320×240彩色液晶屏。由單片機驅動顯示。
通信模塊
采用RS-232和USB（CH375）接口，實現計算機對電流鉗校驗參數、校表參數的寫入和顯示數據的輸出控制。
系統的軟件實現
驅動程序
顯示驅動程序：LCD 顯示驅動程序主要負責顯示實時數據的大小、位置、顏色、色度、閃爍速度、光標處理等與硬件有關的操作，作為顯示數據和硬件之間的載體。
鍵盤驅動程序：主要完成掃描和鍵值的返回及按鍵次數的判斷。
存儲驅動程序：主要完成整型、實型、浮點型等數據的存儲和讀取，完全屏蔽硬件和數據類型的差異。
采樣驅動程序： 主要完成與ATT7022電路有關的功率、能量、有效值、功率因數以及頻率測量等有效參數的讀取和開機校表數據的讀入。
運算程序
主要完成對讀入的采集信號值進行比較，計算誤差百分比、常規的比例運算、非常規數據處理等運算處理工作。
示和菜單算法
完成圖形和漢字顯示初始化和數據顯示及動態圖形處理、多級菜單的處理、菜單的切換、存儲位置的定義等操作。
通信程序以及異常處理程序
主要完成與ATT7022的通信，以及與上位機校表參數等數據通信。
結語
本文設計的基于ATT7022的在線寬量程電能測量儀能夠實現在線寬量程電能（不同電流、電壓范圍）的精確測量，并可以與其它測量設備進行在線實時誤差比較分析，求出誤差百分比。實時顯示相關數據。經實際測試，系統運行良好。
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