ADE7758在同步发电机测控系统中的应用

  
      在本系统中ADUC814与芯片计量芯片ADE7758采用高速SPI总线；ADUC814与上位计算机之间通过普通双绞线连接以串行方式进行通信。
2 系统的硬件电路设计
      本系统选择ADUC814单片机作为系统的主控制器，以电能计量专用芯片ADE7758作为A／D芯片。
2．1 ADE7758简介
      ADE7758是一款高集成度的三相电能专用计量芯片，集成了6路2阶Sigma—Delta ADC采样通道，带有一个SPI兼容的串行通信接口，两路脉冲输出。采用数字校准技术，可通过标准的SPI的三线串行通信接口完成对芯片的设置、电量数据的传输和校准。
      ADE7758内部集成有温度传感器，单5V供电，低功耗，适用于三相三线和三相四线电力系统中。ADE7758的电流通道和电压通道各有一个可编程增益放大器，放大增益为1，2或4，除了PGA功能外，还用于A／D转换时满刻度量程的选择。增益的大小由用户编程来决定。
      ADE7758具有一个波形取样寄存器，其值来自于ADC的输出。波形采样部分集成有一个用于短时持续低电平或高电平的检测电路，门槛电平和持续时间是由用户编程来决定的。三相中任一相过零检测是同步进行的，过零检测的结果可用于测量三路电压输人中任一路的周期。ADE7758的所有功能都是通过读、写片上寄存器来实现的，即ADE7758的各种设定和操作主要是对寄存器的读和写。每个寄存器在读、写时，首先要执行一个写通信寄存器的操作，然后开始传输数据。监测终端的测控命令和测量信息可以多种方式与MCU通信。数据接口部分采用中断IRQ、片选cs和3线的SPI接口方式实现数据交换；整个过程可描述为ADE7758数据转换完成后中断申请IRQ（低电平）输出给MCU，MCU通过低电平片选ADE7758的cs，然后通过SPI总线的MOSI、SCLK、MISO和ADE7758的DIN、SCK、DOUT相连，完成数据操作。ADE7758内部集成多种数据寄存器，这些寄存器分成读和写两种，通过访问这些寄存器可以完成对ADE7758的配置和数据采集。
2、2 ADUC814简介
      本系统中，核心部分采用AD公司的ADuC814。该芯片集成有6通道A／D（12位精度）、2个D／A（12位精度，15 s建立时间）和8052 MCU内核（8 KB Flash程序存储器，640 B数据存储器，256 B静态存储器，最高时钟频率16 MHz）3大模块，28脚TSSOP封装，面积仅43 mm 。尤其重要的是它在系统编程（ISP）的特性，这很大程度上避免了以往实验中因频繁插拔而对CPU造成的物理损坏。同时，该系统的软件采用高级C语言编写，以串口通信方式实现了基于Pc的用户界面，以提供方便的交互操作。在单片机端，可采用C51编程控制；在PC端，提供基于超级终端（HyperTermina1）程序的方式和基于VC环境的ANSI C或C++编程设计方式。克服了过去控制界面和操作方法不明晰，使用者常有误操作的问题。
2．3 系统硬件连接
      基于ADUC814和ADE7758的同步发电机数据采集系统的硬件连接如图2所示。

      ADE7758的电压和电流采集通道，其交流信号幅值最大为500 mV。三相电压、电流的模拟量经过cT、变换之后，输人到ADE7758芯片中，通过6路A／D采样通道完成同步采样。ADE7758的微处理器对数字化的被测信号进行各种判断、处理和运算，并将结果储存在18个只读寄存器中。ADUC814通过SPI接口对ADE7758进行读写操作，ADE7758内部有一个中断屏蔽寄存器MASK，可以选择中断源。当相关的中断产生时，IRQ脚被置低，等待ADUC814跳人中断服务子程序读取同步发电机各种运行参量。
      同步发电机数据采集系统用于监测同步发电机机端电压、定子电流和转子电流，根据所实现的基本功能和要求，硬件系统设计包括：模拟量采集模块、信号调理模块、交直流电量计量与转换模块、实时数据的处理与控制模块、显示模块。模拟量采集模块由电流互感器CT和电压互感器 组成。通过CT和采集同步发电机端的电压和电流信号，将高电压、大电流转换成低电压、小电流的信号，并起高低压隔离作用。信号调理电路完成信号进入电能计量芯片前的调整和滤波，滤除信号中的高频部分。根据电能计量芯片ADE7758的要求，电流信号需转换成相应的电压信号输入。实时数据的处理与控制模块从速度和容量的要求考虑选择ADUC814，该芯片内置有8 KB Flash，640 BRAM，256 B SRAM，有9个中断源，2个中断优先级，3个16位定时数器，32个可编程IO口；可实现串行在系统编程（ISP），在没有并行编程器的情况下，片内ROM中固化的默认加载程序允许ISP通过UART将程序代码装入Flash存储器，而Flash代码中则不需要加载程序。
3 系统的软件设计
      系统的软件设计包括单片机程序和Pc机应用程序设计两部分。
3．1 单片机程序设计
       以ADUC814单片机为核心的程序框图如图3所示。

      对于中断的判断和处理是该程序的核心部分。根据具体的功能需要，中断包括外部中断INTO、定时中断和串行中断3种。
3．1，1 外部中断INTO
       ADE7758的IRQ脚连接ADUC814单片机P3．2的INT0脚，IRQ脚置低即表示ADE7758有中断产生，单片机通过SPI口将线电压、频率值、电压和电流值取出。ADE7758为用户提供中断屏蔽寄存器MASK，通过设置MASK可以根据自己的需要放开相应的中断，实现多种功能，如三相电压、电流越限报警、相序错报警和三相失压报警等。
3、1．2 定时中断
      ADUC814单片机内部有3个定时器，分别为定时器0，1，2。定时器2又有3种操作模式，即捕获、自动重新装载、计数和波特率发生器。此处采用定时器2的捕获模式做一个1 ms的定时器中断，在中断产生时，单片机通过SPI El读取有功功率、无功功率和视在功率。
3．1．3 串行中断
      ADUC814内部有一个8位的串行口控制字SCON，通过设置该寄存器的相应位可方便改变单片机的串口通信模式，本系统采用9位UART，波特率为9 600 b／s。ADE7758的标定及三相电流、电压、有功功率、无功功率、视在功率、有功电能量、无功电能量、视在电能量、功率因数等测量数据，按照一定的通信规约，将所测量的数据打包成串口通信报文的工作均在该中断里完成。
3、1．4 上位机的通信程序
      上位机程序设计是以Visual Basic 6．0为平台，利用MSComm控件，以事件驱动方式实现计算机与ADUC814之间串行通信，完成数据的交换。上位机程序包括用户界面设计、通信和数据处理程序、显示程序等。
3．2 上位机用户界面设计
      在本系统中，设计了一个窗体（Form1）。主要显示实时数据和有关状态量。在Form 1中设计了一个MSComm控件、一个定时器控件（Timer）、两个按钮控件（Commandl，Command2）Commandl是“刷新数据”按钮，即按下时开始和ADUC814通信接收实时采样数据，对接收数据进行校验，如正确就在相应的位置显示，此时按钮变成“停止刷新”；如再按该按钮则停止界面实时数据刷新，按钮又为“刷新数据”。Command2是“退出”按钮，按下它则退出该应用程序。
设置Timer的Interval属性都等于100，Timer定时提取从串口接收来的数据并刷新主界面实时显示数据。串口在一定时间内没有收到数据提示通信错误信息。Timer在装载主界面时Enable=True。MSComm的InputMode属性为0即文本方式。在正常接收实时数据时RThreshold属性设为100。
      PC机通过定时器TIMER每1 ms向下位机ADUC814下发传送命令，该命令只包含2 B开始符<R和1 B结束符。当下位机ADUC814收到命令后就产生中断，执行中断服务程序。PC机串口每收到100 B数据就触发MSComm的OnComm事件，在OnComm事件子程序中，从接收缓冲区中提取2 B开始命令后的40 B实时数据并进行求和校验，如接收正确就将接收的数据存储到相应文件中并刷新屏幕显示，否则提示“接收错误!”并要求重发。
      具体帧格式为：