- BL6523A的性能介紹和結(jié)構(gòu)分析
- 實現(xiàn)電氣測量的原理電氣測量原理
- 從硬件設計分析智能電網(wǎng)的計量芯片BL6523A
- 從軟件設計分析智能電網(wǎng)的計量芯片BL6523A
解決方案：
- 智能電表計量芯片系統(tǒng)方案
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在智能電網(wǎng)的諸多應用中，智能電表應用已率先落地。根據(jù)國家電網(wǎng)公司電網(wǎng)智能化建設規(guī)劃，在國家電網(wǎng)公司“計量、抄表和收費標準化建設研究”項目成果的基礎上，全國的大多數(shù)電表企業(yè)均設計研發(fā)了符合新一代智能電網(wǎng)要求的電度表。在單相電度表的設計過程中，由于設計周期短，任務重，各個廠家對于設計芯片選型、硬件布局等還有待改進的地方。本文針對新一代智能、電網(wǎng)的計量芯片BL6523A，從硬件設計和軟件設計上進行分析。
智能電表原理框圖
BL6523A計量芯片是結(jié)合國內(nèi)外計量要求，集合防竊電技術(shù)、多項專利技術(shù)而設計的能實現(xiàn)包括電壓電流等多種電氣測量的計量芯片產(chǎn)品。
BL6523A的性能介紹和結(jié)構(gòu)分析及電氣測量原理
1.BL6523A的性能介紹
BL6523A是一款高精度、高穩(wěn)定性的計量芯片，其精度在輸入動態(tài)工作范圍(1500:1)內(nèi)，非線性測量誤差小于0.1%；穩(wěn)定性高，輸出頻率 波動小于0.1%。BL6523A可精確測量正負兩個方向的有功功率，輸出快速輸出脈沖(CF)；具有兩個電流采樣端，采樣火線和零線電流；給出電壓和雙 電流的有效值，以及可測量范圍(1500:1)。
BL6523A還具有電壓失壓和斷相檢測功能；芯片上有電源電壓監(jiān)測電路，檢測掉電狀；具有防潛動功能，可編程防潛閥值設置；同時具有可編程調(diào)整脈 沖輸出的頻率；此外，BL6523A還具有可編程增益調(diào)整和相位補償；給出功率因子(PF)，計算功率因數(shù)；可按需要給出中斷請求信號(/IRQ)；提供 SPI通信接口，用于數(shù)據(jù)傳輸。
BL6523A帶參考電壓源2.5V，也可使用外部2 . 5V電壓。芯片外接3.58MHz晶振。芯片單工作電源5V，功耗(典型值)低至25mW。
2. BL6523A的內(nèi)部結(jié)構(gòu)BL6523A的結(jié)構(gòu)
如圖1所示。工作時，電流信號和電壓信號先分別經(jīng)高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，然后通過采樣濾波器、高通濾波器(HPF) 濾去高頻噪聲與直流增益，得到需要的電流采樣數(shù)據(jù)和電壓采樣數(shù)據(jù)。然后將這兩個數(shù)據(jù)相乘，便得到瞬時有功功率，接著經(jīng)過低通濾波器，輸出平均有功功率。電 流采樣數(shù)據(jù)和電壓采樣數(shù)據(jù)分別通過平方電路、低通濾波器(LPF2)、開平方電路，得到電流有效值和電壓有效值。有功功率通過一定時間的積分，可獲得有功 能量。經(jīng)過數(shù)字信號的處理，通過SPI 接口輸出多種電氣數(shù)字量。
3. BL6523A實現(xiàn)電氣測量的原理
BL6523A的測量部分與主MCU共用5V電源系統(tǒng)，大大簡化了電源成本和設計。SPI通訊口使用的速率可以在30kHz以上，推薦使用 30kHz，節(jié)省了主MCU的工作時間。主MCU上電復位后，大約需要延后400ms左右，對BL6523A計量芯片進行初始化。BL6523A的這種設 計，可以節(jié)省昂貴的SPI通訊光偶，提高整表的性能。
對于本地費控電表在IC卡座可以使用隔離措施。當然BL6523A也可以使用傳統(tǒng)的隔離措施，單獨供電，與控制MCU進行隔離。
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BL6523A整表方案
整表的電路設計和軟件設計， 對于電表廠來說， 相對都比較成熟， 本文重點討論計量芯片BL6523A的硬件設計和軟件設計。
1. BL6523A的采樣參數(shù)設計
控制寄存器(MODE)選擇：例如設計電表Un=220V(Un：額定電壓)10(60)A(電流規(guī)格)，電表常數(shù)為1600imp/kWh。 BL6523A的電壓、電流輸入通道允許輸入的最大信號為±660mV峰值(即有效值4 6 7mVrms ) 。電壓通道需要考慮滿足130%Un的過壓，以及信號冗余，可通過電阻匹配220V AC電壓降至280mV左右，作為電壓通道輸入。電流A通道考慮錳銅的發(fā)熱，10(60)A表可采用200~250μΩ錳銅，假設采用250μΩ錳銅，在 Imax=60A電流時，電流輸入通道的采樣信號為60A×250μΩ＝15mVrms；根據(jù)電流通道的最大允許輸入信號467mVrms，電流A通道可 采用16倍增益。電流B 通道采用互感器1000:1；負載電阻4Ω，電流通道B采用1倍增益。
綜上分析，電流A通道16倍增益，電流B通道1倍增益，電壓通道1倍增益；增益寄存器15H(GAIN)寫入00FH，14H(MODE)寫入800H。
2. BL6523A分頻系數(shù)選擇(WA_CFDIV)
電表常數(shù)為1 6 0 0 imp / kWh ，可知在Imax時對應的CF輸出頻率為(220×60×1600)/(3600×1000)=5.87Hz，此時電壓通道輸入信號為 280mVrms，1倍增益；電流通道輸入信號為15mVrms，16倍增益，對應到電流電壓通道滿幅信號輸入時的CF輸出頻率為 5.87×467×467/(280×15×16)=19.05Hz，有功CF縮放比例寄存器19H(WA_CFDIV)可選擇008H。
3.BL6523A其他重要寄存器使用
a.有功防潛動閾值設置
如在Ib、Un情況下，有功功率寄存器0AH的值為249F0H(150000)，要求0.4%Ib能正常啟動，則可將防潛動閾值設為0.2%Ib對應的有功功率，即12CH(300)；有功防潛動閾值寄存器設定值為300/(2×1.36)＝110(06EH)。
b.反向指示閾值設置
如在Ib、Un情況下，有功功率寄存器0AH的值為249F0H(150000)，要求大于0.4%Ib能指示反相，則可將反相指示閾值設為 0.4%Ib對應的有功功率，即258H(600)；反相指示閾值寄存器設定值為600/(32×1.36)＝13(00DH)。
c.有功誤差調(diào)整
在1 0 0 % U n 、標準電流I b 1 . 0 下測試， 由校表臺獲得誤差E r r ， 如E r r 為負值，則WATTGN=；如Er r為正值， 則WAT T G N =(WATTGN：功率增益)。2EH電流A通道增益調(diào)整寄存器 A_CHGN；2FH電流B通道增益調(diào)整寄存器 B_CHGN；12位寄存器，補碼形式，增益調(diào)整范圍±50%。
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d.相位調(diào)整
相位補償?shù)脑硎菍⒁粋€小的時間延時或超前引入信號處理電路以對小的相位誤差進行補償。相位校正寄存器為8位寄存器；D7為使能位，=1時開啟相位 補償，=0時關閉相位補償；D6…D0為延時或超前時間，2.2us/1LSB。相應的分辨率為360°× (1/450kHz)×50Hz=0.04°，最大可調(diào)5.08°。在100%Un，標準電流Ib 0.5L下測試，測得誤差Err，寄存器值=[int(θ/0.04-1)]&0x80，int為取整操作；如果Err為正值，改動電流通道相位 寄存器IAPHCAL、IBPHCAL；如果Err為負值，改動電壓通道相位寄存器VPHCAL；1EH，電流A相位校正寄存器 IA_PHCAL；1FH，電流B相位校正寄存器 IB_PHCAL；20H，電壓相位校準寄存器 V_PHCAL。
e.小信號補償調(diào)整
小電流1.0情況下，如果小信號精度偏差較大，可通過調(diào)整有功功率偏置校準寄存器來修正小信號偏差。1AH A通道有功功率偏置校準寄存器A_WATTOS，僅影響A通道有功功率測量；1BH B通道有功功率偏置校準寄存器B_WATTOS，僅影響B(tài)通道有功功率測量；均為12位寄存器，補碼形式，可調(diào)整范圍+2047~-2047；如小信號情 況下，有功功率寄存器WATT(0AH)的數(shù)據(jù)為WATT_Data，有功功率誤差為Err，則有功功率偏置校準寄存器的值 為：int(WATT_Data×(-Err)/1.36)(int為取整)。舉例如下：如在5%Ib信號點的有功功率誤差為-0.45%，有功功率寄存 器WATT(0AH)的數(shù)據(jù)為10,000，則有功功率偏置校準寄存器的值為：10000×0.0045/1.36=33。
f.電壓電流的測量
在100%Un、標準電流Ib1.0情況下得到IARMS、IBRMS寄存器的值，電流有效值系數(shù) IkA=IARMS/Ib，IkB=IBRMS/Ib。而后用戶可以根據(jù)讀取的IARMS、IBRMS寄存器的值除以IkA、IkB，獲得實際的電流顯示 值。05h，電流A有效值寄存器IARMS；06h，電流B有效值寄存器IBRMS。在100%Un電壓情況下得到VRMS寄存器的值，電壓有效值系數(shù) Uk=VRMS/Un。07h，電壓有效寄存器V_RMS。
g.功率因數(shù)COS∮的測量，可以直接讀取PF(08)寄存器。
h.有功功率和視在功率測量，直接讀取相關寄存器(WATT(0A)，VA(0B))。
4.BL6523A的校準及初始化過程
第一步，MCU上電，延時等待400Ms；第二步，對BL6523A的寫寄存器的初始值依次寫入，完成參數(shù)設置及芯片初始化。校準過程包括了A通道有功校準、B通道有功校準、電流電壓有效值校準、有功功率校準、視在功率校準等。
BL6 5 2 3A正常工作過程：第一、保證BL6532A初始化過程的正確性。第二、讀取BL6523A的有用信息。第三、監(jiān)控BL6523A的工作狀態(tài)，一般監(jiān)控效驗寄存器CHKSUM的正確性。
BL6523A的校表過程如圖4所示。
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5. BL6523使用中需注意的問題
(1)PCB板的地線布置對電磁干擾的防范很重要；
(2)輸入模擬信號盡量平行對稱；
(3)晶振的放置位置不要靠近PCB板邊。
電表整體性能測試結(jié)果
電表的誤差從測試及實際使用數(shù)據(jù)看，計量精度完全滿足要求。1.電表能在0.5~1.3Un范圍內(nèi)準確測量輸入電壓值。2.測量電流：輸入電壓 220V，使用錳銅測量能在50mA~100A的范圍內(nèi)準確測量，使用互感器方式，可以在10mA~100A的范圍內(nèi)準確測量。3.測量功率：從最大 22,000W到最小測量功率在啟動電流狀態(tài)下的 4.4W能準確測量。4.測量功率因數(shù)：輸入電壓220V，功率因數(shù)能從Imax(最大電流)到工作電流在200mA被準確測量。5.通過測 試，BL6523A對于EMC的抗干擾能力無論是帶負載或空載情況下都很強。
結(jié)論
計量芯片方案作為智能電表的核心方案之一。我們通過系統(tǒng)設計，驗證了BL6523A完全符合國家電網(wǎng)公司的新一代智能電表的要求標準，其優(yōu)異的性能、優(yōu)秀的抗干擾性使硬件設計變得簡單可靠，軟件 設計沿用通用的接口方式，便于電表應用工程師的程序設計。此外，BL6523A還可以用于其他工業(yè)電氣測量和民用電氣測量領域。
