摘 要：本设计是以PIC16F877A单片机为核心，以ATT7028A组成电能监测系统，用作者设计的向后逐次分段的牛顿均差插值法处理数据，通过对该终端进行测试，证实该终端的测量精度达到了要求。
关键词：PIC16F877A；ATT7028A；牛顿均差插值法
1前言
电力系统的稳定是电力系统安全运行的首要条件，电力系统发生故障不仅会给供电企业带来巨大损失，更严重的是对人民的生命和财产安全造成威胁。因此我们应当对电能的各项参数予以监测，以保证电力系统能够稳定的运行。而目前已有的监测终端在模数转换电路的采样精度，微处理器的价格等方面都存在不少问题。针对这些缺点，本文设计出了一个精度更高，价格合理的电能监测终端。
2系统工作原理
该设计是以PIC16F877A作为主控芯片来连接各个功能模块。数据采集部分采用高精度的三相电能专用芯片ATT7028A，它能将三相电流、电压进行数模转换并采样，通过对这些数字处理得到各相以及合相的有功功率、无功功率、视在功率，同时还能将够测量各相电流、电压有效值、功率因数、相位角、频率等参数，并且能通过SPI通信方式将这些参数传送到PIC16F877A内部进行运算处理。考虑到所要处理的数据较多，PIC16F877A的内部数据存储器难以满足实际处理的要球，因此采用I2C总线的方式为单片机扩充了1M容量的EEPROM。单片机将要显示的数据传给显示单元进行显示，它是由MAX7219芯片驱动四块独立的LED进行数码显示。通信模块则是采用比较通用的RS-232的方式与上位机进行通信。原理图如图1所示。
图1 电能采集终端原理框图
3终端硬件电路设计
3.1单片机最小系统
该系统采用的是手动复位的方式，只要在复位端加入一个低电平，就会令其复位。4M晶振配合两个20PF的磁片电容构成外部晶体振荡电路，它为单片机提供系统时序信号。外扩的EEPROM存储器采用的是两片AT24C512B，它与单片机之间通过I2C总线的方式进行数据的双向传输。电路连接如图2所示。
图2 单片机最小系统的原理图
3.2数据采集模块
该模块主要采用的是ATT7028A高精度多功能三相电能采集芯片，该芯片既适用于三相三线制也适用于三相四线制。它能够测量各相以及合相的有功功率、无功功率、视在功率，同时还能够测量各相电流、电压有效值、功率因数、相位角、频率等参数，充分满足三相复费率多功能电能表的需求。在本设计中，ATT7028A的工作流程大致如下：（1）采用双端差分信号输入的方法，通过V1P-V6P和V1N-V6N引脚将三相电路信息输入，进行模数转换。采集电量信息的典型电路如图3所示，V3P、V4P、V3N、V4N与V5P、V6P、V5N、V6N接口连接方式与图3相同。（2)将采样数据进行处理，主要包括有效值测量，功率测量，功率因数相位测量，频率测量。（3）通过SPI接口与单片机进行连接，它使用两条数据线和两条控制线，其中CS为片选（输入脚），允许访问串口的数据线，DIN用于把用户数据传入ATT7028A,DOUT用于从ATT7028A寄存器读取数据，SCLK为串行时钟（输入脚），控制数据移出或移入串行口的传输率。ATT7028A通过SPI接口与单片机的连接方式如图4所示。
图3 典型接线图
图4 ATT7028A电路连接原理图
3.3显示模块
该模块主要由MAX7219集成显示驱动芯片和四位的数码管组成。PIC16F877A与MAX7219之间以SPI的方式对数据进行传输以控制数码管上的数据显示。连接方式如图5所示。 图5 显示电路原理图
4终端软件设计
4.1主程序
初始化部分包括开放所使用的中断并激活中断功能、对SN清零、对RELAYF清零、对自定义标志寄存器CONFG1除第四位外全部置1(使系统工作于默认工作模式)及其他一些端口属性的设定。主程序流程图如图6所示。
图6 主程序流程图
4.2 主要子程序
4.2.1数据采集
CS由高电平变为低电平时表示SPI操作开始，CS由低电平变为高电平时表示SPI操作结束。所以每次操作SPI时，先初始化SPI,CS置1再置0，SPI接受发送数据，CS置1表示SPI操作结束。
4.2.1数据处理
ATT7028A将数据通过SPI接口传给单片机后，由单片机对数据进一步处理，滤除不符合条件的数据，对剩下的数据通过作者设计的向后逐次分段的牛顿均差插值法进行二次数据处理，将得到的数据利用中值滤波算法对其进行进一步的处理，便得到精度更高的数据，程序流程图如下图7所示。
图7 数据处理子程序流程
5系统测试及结果分析
5.1测试方案
本电能监测终端的测试仪器为东莞永先电子仪器有限公司生产的CD31三相多功能标准表。CD31三相多功能标准表与该电能监测终端的测试方案如下图8所示。
将电能监测终端中电能计量芯片ATT7028A输出的基波脉冲通过F1、F2与CD31三相多功能标准表的校表脉冲接口相连，CD31就能够将它们与其内部的标准电脉冲相比较，经过计算从液晶输出屏上显示出功率误差，从而测得误差数据。
5.2测试结果与分析
功率误差测试结果如表1所示，结果表明，该终端的精度达到了设计要求。
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