Специализированные микросхемы производства Atmel для построения промышленных энергосчетчиков Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

и, № 8*2001

Компоненты

~=

Специализированные микросхемы производства АТ1Ш Согр.

для построения промышленных энергосчетчиков

Корпорация А!те1, начиная с 1999 г., выпускает микросхемы, предназначенные для использования в различных приборах контроля параметров электрических сетей, и в первую очередь в энергосчетчиках. Современному рынку требуются новые приборы, способные производить автоматизированные измерения, обработку измеряемых данных и обладающие возможностью работы в распределенных системах. Высокий технологический уровень производства интегральных микросхем позволяет корпорации А»те1 успешно решать поставленные задачи.

Игорь Крипч

[email protected]

Atmd Corp. предлагает набор снеиналилпро ванных микросхем «Power Metering», п который входят предналначенные для совместной работы цифровой сигнальный процессор (DSP) A’173G500 и аналого-цифровые преобразователи (AIUI) АТ73С501 п АТ73С502. «Power Metering» предназначен для построении приборов учета электроэнергии разного класса — от простейших быто пых однофазных однотарифных счетчиков энергии до сложных промышленных энсргосчстчлков ДНЯ трехфалных сетей переменною тока. Набор - Power Metering* обладает следующими чертами и особен и остями:

• работа и соответствии со стандартом I lit 1036 (класс точности I);

• работа it соответствии со стандартом IKC 687 (классы гочности 0.5 и 0,2) и случае нспольлопа-ння внешнего термокомпеНсироваииого источника опорного напряжения для микросхемы АЦП;

• одновременное намерение ак шиной, рсакттникя и полной мощности и энергии;

• измерение частоты сети, силы тока, напряжешв! и коэффициента мощности;

• одновременные намерения по трем фалам;

• три режима работы: автономный. с внешним крокоитроллером, многоканальный;

• гибкий интерфейс с внешними устройси 8-разрядный микропроцессорный, восемь пульсных ви'ходов данных, восемь слецналнд ванных линий статуса;

• цифровые калибровки по усилению и фалов елппгу. не трсбуюшне применения внешних III строечных элементов.

На рис. I и 2 пока таны практические схемы носі

роения шсргосчетчнков на микросхемах набая

• Power Metering» в двух основных режимах. Рис.|

иллюстрирует автономный режим работы сов wed

по с внешней микросхемой liltPROM для хрансіш

ixufMAicxfeao*

Рис. 1. Кокфигуроц*« иобора «Power Metering» • а»юномном режиме работ

12 13

;

ян

юо

л*я

_аца

_Ä“Ü

____sL

АТ73501

SIX SINGLE-ENDED INDEPENDENT SIGMA-DElTA CONVERTERS

НГ

-ЯЙИ

tf АД

»00

*:• liai

Ь*тл v..

CU»

CU [_ юс

1

-ß-

DEDICATEO DSP fOR ENERGY METERING

Конфигураци* cûbopo «Power Metering» ■ рехиие роботы с «иешмии ми»ро*онтроллорои

«очных ко »ффицнентов. Рис 2 иллю-Г режим рЛООТЫ совместно с внешним лнмм микроконтроллером управле-чгтнП (многоканальный) режим исто дм реалн пиши трех независимых »luv счетчиков .»лектрознерпш и на л нс по кода н.

отрнм подробнее предлагаемый кор-.•ft Atmcl набор «Power Metering». C50I/502 представляет собой микро шалого нифроною преобразовании . Каждая на них содержит шесть 16 их сш мадсльта АЦП второго поряд ледова тельным выходом.« ш мл дель н микросхеме AT73C50I имеют обыч »од, a в микросхеме АТ73С502 — мяцнальиый.

имерении в сетях переменного тока roft 50 Гн номинальная частота но «мм измерительных выборок от АЦП OBOMV сигнальному процессору вы

брана равной 3200 Гп Это соответствует о4 выборкам за период сети частоты 50 Гн. Частота тактирования сш мл -дельта модуля тора в 1024 раза больше, чем частота выборок, и составляет 3,2768 МГц. Последующие вычисления процессора АТ73С500 базнру ются именно на вышеуказанных частотных соотношениях. Результаты измерений но всем шести каналам (три канала для измерения фазных гоков и три канала для измерения фазных напряжений) запоминаются во внутренних 16 разрядных регистрах микросхемы AI1II. л затем общая 96-битовая последовательность пересылается для последующей обработки в процессор АТ73С500 но скоростному последовательному ннтерфей-су.

Микросхемы ALU I допускают работу и при других частотах дискретизации в диапазоне от t до 6 МГц* но в этом случае вычисляемые результаты потребляемой мощности должны

3. Бло»-сл»**о «мяросяомм АЦП АТ73С501/502

был. масштабированы. 11одробные указания, формулы для пересчета и временные диаграммы работы микросхем можно найти в оригинальной технической документации Atme! Сотр.

Грн токовых входа микросхемы АТ73С501 могут соединяться со вторичными обмотка ми измерительных трансформаторов гока. датчиками Холла и т. и. Если же в качестве датчиков тока используются шунтирующие резисторы, то тогда требуется применение микросхемы АЦП АТ73С302 с дифферент! лльным входом. I» качеств: нормирующих преобразователен для входов напряжений могут использовлткя внешни« резистивные делители.

Микросхемы также содержат встроенный источник опорного напряжения (ПОП) и модуль контроля напряжения питания. Встроенный ПОН обеспечивает работу АЦП но кллс су точности I. Для использования АЦГ АТ73С501/502 в счетчиках, работающих ш классу точности 0,5 (или 0,2), требуется под ключенне внешнего термокомпененроваино го НОН с меньшим температурным дреНфом.

Встроенный модуль контроля напряжения питания постоянно измеряет текущее напряжение питания микросхемы и. если оно падает ниже порога срабатывания 4.2 В, вы ставляет сигнал логической «I- ил выводе PPAIL Вывод PFAU возврищется в исходное состояние, когда напряжение питания восстановится до значения 4,3 В. Гистерезис 0,1 В необходим для того, чтобы исключить ложные срлблтывлния модуля при колебани ях напряжении интлння вблизи порога срабатывания. Oiгнал PFA1I может быть подои на вход внешнего прерывания нронессорл АТ73С500 для корректной обработки собы гия пропадания напряжения питания. При этом шину питания АТ73С500 необходимо шунтировать электролитическим конденсатором с емкостью не менее 470 мкФ, чтобы обеспечить гарантированную обработку этого события. После обработки процессор «засыпает» до восстановления нормального уровня напряжения, л затем проходит через процедуру инициализации (аналогично си-

ul|n) ►

и2(п) »

u3|n) єн ОС Offsrr

пи J iumssJON

.2(n) J

•3(«1 1

ncfOUCMCf

МЕАЫЛСМШ1

ACTTVf rOWtl * OiíN WiOÛÎfyt

rl Ml AiORI Mf N1 j САІІМАТЮМ

ЖАН L CA4lMATK>4 I

ИІШІТ tiAom fôwi і ; —J .¿Alt« AND Of «UT

* riANVOtM ] ~ MtAVJtlMtNT I С AU MAHON

-•1 CVftUMt -Ы ОМІУАЧОН

ACT7VeP«*0>

CAlCULAftON

KJWtt fACTOf МКЛМПОМ

том IMl«CT CAtCUUPON

b

I

U

w

p

PF

О

Wq

Рис. 4. Блок-схема микросхемы DSP AI73C500

гулкий. возникающей при подаче сигнала Reset).

Отмстим, что аналого-цифровые преобра зователн АТ73С501 и АТ73С502 могут быть использованы п конечном приложении само сюятельно. бел специализировалного DSP А'173С500. так как имеют синхронный последовательный выход манных, Существуют примеры сопряжения микросхемы АЦП ДТ73С301 с AVK микроконтроллерами с помощью встроенного в AVR SPI-контроллера. При пом получается шестиканальный нзме рнтелыю-уирапляюший блок сбора и обработки ланнмх для встраиваемых приложении.

АТ73С500 — высокопроизводительный специализированный DSP (рис. 4), который поддерживает вычисления значении мощности и анергии н одно- и трехфазных электрических сетях. Для связи с внешним АЦП АТ73С501/502 он имел встроенный ихолнои последовательный интерфейс. Для нрелстав-лсиия выходных результатов DSH АТ73С500 имеет восемь выходных линий .тайных и во семь отдельных линий состояния (статуса). Линин данных могут конфигурировался на работу в двух различных режимах, которые выбираются программно в зависимости <»т режима работы DSP. Если внешним устрой стпом является микроконтроллер, то линии ынных представляют 8-разрялную шипу данных. Если для отображения выходной ннфор мании используется, например, электромеханический многоразрядный индикатор. то на выходные линии данных выдаются импульс ные последовательности.

Микросхема АГ73С500 может быть wnpo граммирожша пользователем на работу в од*

Таблица 1

ном из шести рахзнчных режимов ( іабл. I). Каждый на режимов выбирается путем акти ванни грех сигналов на линиях состояния» которые процессор опрашивает во время пип ннализацни после включения питания или после прохождения сигнала Reset. Отметим, чю работа внешней микросхемы АЦП АТ73С501/502 не зависит от режима, в кото ром функционирует 1>SP.

АТ73С500 поддерживает две конфигура ции для работы в автономном режиме и при совместной работе с внешним микроконтроллером. Калибровочные коэффициенты процессора, загружаемые при старте, могут храниться в микросхеме последовательной энергонезависимой памяти EEPROM емкое тыо 128>8 (рис. И либо обеспечиваться внешним микроконтроллером (рис. 2). Пн герфейс связи внешней энергонезависимой памяти с DS1* трехпроводный (стандарт Microware), і Ipoueccop АТ73С300 и внешний микроконтроллер обмениваются данными через 8'разрялный параллельный интерфейс. Отметим, что единственное отличие между автономной и мнкроконтроллсриой конфигурациями состоит лишь и способе считывания калибровочных ко эффипнен тов. Также возможно строить различные комбинации »тих двух конфигураций для практического использования. Например, калибровочные коэффициенты могут хра питься в EEPROM, а микроконтроллер счи тывает выходные данные с DSP, преобразует и отображает их па внешнем индикаторе. Такое комбинированное включение обеспечивает энергосчегчнку дополнительную гибкость при тестировании и калибровке

Nt режима Бит «2» установки режима Бит «їм установки режима Бит «0» установки режима Режим работы процессора Место хранения калибропочмых донных

0 0 0 0 - -

1 0 0 1 обычный EEPROM

0 1 0 многока- нальный EEPROM

0 1 I обычный микроконтроллер

1 0 0 многока- нальный микроконтроллер

1 0 1 тестовый -

1 1 0 - -

\мш*Ш « 1 1 обычный* EEPROM

’ Примечание. 10 выходных кмлульсо» но 1 кВт/чос і остальных режимах 100 выходных импульсов на 1 кВ г/юс

а также Облегчает реализацию интерфейса микроконтроллером управления.

В любом случае при измерении в оди них нлп л трехфазных сетях АТ73С500 реш зует одинаковый поток вычислений, включает в себя устранение постоянного Шсння на входе; калибровку но фазе и ус нню; вычисления но измеренным лиачен п выдачу результатов на внешний мнкро: троллер и/или импульсные ВЫХОДЫ. ОдН01 менпо АТ73С500 постоянно отслеживает ннкновение конфликт ных ситуации и не: денно вьставляет соответствующие сип на внешних линиях состояния в тех еду когда:

• невозможно начать работу (например, были считаны калибровочные коэффи енты);

• невозможно ВССТИ учет потребляемой Э1 тип (измеряемые величины силы том всех фазах меньше стартового но|

20 мА};

• возникла аварийная апуацня (ненорм ные уровни измеряемою напряжения п лах, обратная фазовая нослсдователыт отсутствие одной и i фаз и т. п.).

I Томимо отображения конфликтных a

пни. линии состояния в процессе работы стояние информируют и том. что уровни hi пряжения во всех фазах находятся в допусти мом диапазоне; выходные данные готоиы выдачена внешний микроконтроллер; про цессор ЛТ73С500 находится в состоянии кип циалиицнн.

Во яремн процедуры нннцналнзацц (включение питания, сигнал Resei или проя дайне напряжения пи тания) процессор onpi деляег нрединелпный ему режим работы тывает Калибровочные коэффициенты 1 фиксирует другие необходимые для дальня шей работы внутренние параметры. Мост этого начинается собственно нзмерителыш процесс. Все измерения и вычисления, .и п ключением измерения частоты сети, вмпб няютса за Ю периодов энергосети. Гезулй ты о6|ювляются и передаются на внешние г тройства каждые 200 мс.

Неркой операцией, выполни АТ73С500. является цифровая фильтрац| Целью фильтрации является комиенсаш постоянною смещения во всех шести tn» рнтельных каналах как по току, так и uoiu пряжению. Затем на базе »очищенных* и ригслиных выборок простыми операции умножения и сложения проводятся вычнел нин активной мощности Р но каждой ф*

«

lod

Curr«M

Homfornim

Ж

EVAMETl

88888.88

<—>

FIFO

To PC

Power

lupply

5. Состс» отладочного «омплеисо ATEK500

.»мним. что нд один период сети частотой \ приходится М измерения). Суммарная пная мощность вычисляется затем сум о паннем измерений но каждой из фаз. цесс вычисления реактивной мощности гушесгилиется но такому же алгоритму. >ерсл тем как перемножить мгновенные leiutM фазных тока и напряжения, нроцес-выполняет частотно-независимый сдвиг шла напряжения но фазе на 90". I {аконец, опиваясь на результатах вычислений ак-ной и реактивной мощностей, определи я Полная мощность S и коэффициент циостн.

Ьмереиня текущей частоты сети проводят• параллельно основным измерениям и вы-. зек и н м путем сравнения частоты сети и Шейной внутренней частит тактирования ходит счетчиков процессора AT73C50Ö. я базовой тактовой частоты процессора !768 МГц дискретность временного отсчета риатасегн составляет 1 *23 мс. Отметим, что Мереная частоты проводятся лишь в одной прех фаз сети. Нелн по каким либо причи-ш напряжение в лтой <|>а.»с становится мень к установленного минимального уровня, то роцессор самостоятельно идентифицирует го событие и автоматически переключается на омсрсинс частоты в другой фазе. Положительные и отрицательные результаты измерения и вычисления расхода энер-пи накапливаются и четырех 32-рззрялных (чегчнках процессора, »го позволяет вестц кцельный учет активной энергии, потребляемой Í+Wp) и возвращаемой (-VVp) в сеть ¡Результаты вычислений реактивной мощно jcrii также сортируются раздельно в зависимо пиот характера нагрузки сети — емкостной (Wqcapi или инлуктивноН (Wqind). В номи-шшнах условиях работы счетчики ннкре ротируются через каждые 0.4 Вт/ч (или 0.4 ВАр/ч) потребленной энергии.

Восемь ИМПуЛ1к.НЫХ выходов процессора AT7X30Ü разделены на дне группы по четыре в шзиой. Обе группы импульсных выходов свя-пвы с внутренними 32-разряднымн счетчика-Ьй результатов вычислений * Wp, -Wp, Wqcap, PWqinJ. Первая фуппа имеет непосредственную то, и представляет калиброванную импульс мгро последовательность — в номинальном ре ммс роботы 1234» выходных импульсов соответствуют 1 кВт ч (I кВАр ч) потребленной ■Крпш. Вторая группа импульсных выходов [юегтбплее шшую частоту представления вы-

ходнои информации и специально ориеи тнро вана на работу с внешними )лектромеханнче скнмн многоразрядными индикаторами. В режимах N»1 4 работы процессора величина I кВт-ч 11 кВАр-ч) потребленной энергии COOT ветегиуег 100 выходным импульсам, а в режиме N»7 — 10 импульсам (см. примечание к табл. I). Номинальный режим работы предполагает, что тактовые частоты процессора и АЦП равны 32768 МГц. I Три использовании других так юных частот все выходные импульсные пара мс1 ры масш табируются.

Atmel Corp. также выпускает специальные аппаратно программные отладочные ком нлексы для ознакомления с работой описан пых микросхем — наборы разработчика VIЕК500-50 (сеть 50 Гп) и ATEK5Q0-60 (сеть Ы) Гц) для построения трехфазных пнерго-счегчиков. Они также могут быть полезны как отладочные платформы дли создания других измерительных устройств и систем в трехфалных чегырехпроволнмх электрнчес кнх сетях переменного тока.

АТЕК500 предназначен для разработки на базе набора -Power Metering» щерярсчгтчнков в т|ч'Х(|).ины.\ чегырехпроводных злектрнче ских сетях переменного тока. В его состав вхо лит клеммныН блок для подключения к фа там сегн. токовые трансформаторы, измерп тельная плата EVAMETl, плата Г1ГО (с отдельным блоком питания) для связи с голо* иным компьютером и электромеханический многоразрядный индикатор (рис. 5). АТЕК500 соединяется с параллельным портом компьютера. причем последний должен поддержи вать двунаправленную передачу данных I т. с. должен быть ЕМ* портом). Измерительная плата EVAMETl lie требует специального источника питания, iah как получас! необходн мую анергию от силовых линий, в которых проводятся намерении. На ней находятся контактные колодки лля соединении по входу и выходу, светодиодные индикаторы ДЛЯ отображения состояния системы и возможных конфликтных ситуации, а также набор переключателей. конфигурирующих режимы ра боты измерительной системы в целом.

Программное обеспечение, входящее и состав АТЕК500, позволяет персональному компьютеру управлять работой комплекс.! в руч ном и автоматическом режимах, включай кали бровку. Пользователь может осуществлять сброс всей системы, считывал! измеренные значения силы гока н напряжения повеем тпем

фалам, a гакже perистрнроікгпі все усредненные величины и накопленные результаты \л выбранный промежуток времени. Программное обеспечение позволяет также строить графики зависимости активной мощности, реактивной мощности h силы тока от времени по каждой из грех фаз на промежутке в 150 периодов се ти. »ro позволяет наблюдать за стабильностью измеряемых сигналов. Отдельно в программе выделены процедуры для калибровки терто счетчика, причем пользователь имеет возможность корректировать любой из калибровочных коэффициентов. Выбранная конфнгурд пия системы и некоторые калибровочные коэффициенты сохраняются в специальном файле, доступном дли редактирования. Необ ходимо отметить, что входящее в состав отладочного комплекса АТЕК500 программное обеспечение работает только иод управлением DOS h непосредственно адресует параллельный порт компьютера.

В настоящее время корпорация Atmel активно работает под расширением номенклатуры микросхем для построения жергосчет чинов. Идя навстречу требованиям рынка, она разработала новый набор микросхем дли реализации бытовых однофазных энерюсчет чнков, который содержит две однокристальные микропроцессорные системы АТ73С540 и АТ73С550. В обеих микросхемах двухканальный сигма дельта АЦП и цифровой сигнальный процессор різмешеньї на одном кристалле. АТ73СЯ0 имеет только импульсные выходы данных, а АТ73С550 — только микропроцессорный интерфейс. Новые комбинированные кристаллы будут

доступны для заказа с шпаря 2002 г. Отличительной особенностью новых микросхем АТ73С540/550 является наличие на кристалле прецизионного тсрмокомпсисированного источника опорного напряжения, что позволяет исключить дополиитедьные внешние компоненты при работе но массу точности 0.5. Уже сейчас выпускается и доступен для заказа ап парато -программный комплекс поддержки разработок на микросхемах А'Г73С540/550, ко юрый имеет обозначение АТЕК350.

Кроме того, и разработке находится новый кристалл для измерений в промышленных грехфазных сетях, »го микросхема АТ73С560, обьеднняюпын на одном кристалле DSP AT7JC500 и шесть 16 разрядных сигма-дельта АЦП класса точности 0,5 или 0,2 (выбирается программно). Микросхема АТ73С560 имеет встроенный SP Г интерфейс для связи с внешним микропроцессором И ВОЗМОЖНОСТЬ цифровой калибровки в процессе работы.

Корпорацій Atmel также уделяет внимание информационной поддержке данною направления. I (олные версии техническою описания на микросхемы АТ73С500. АТ73С501 и АТ73С502. а также р*д пользовательских приложений (Application Notes) размещены на CD-ROM Atmel Corp., который можно лака зать в Интернете (http://www.efo.ru/ cgi bin/go.plîll8). К|Н>ме того, данная техническая информация открыта для свободною доступа на сайте Atmel (страница «Power Metering») http^/www.atmel.com/atmel/prod-Hi'K/nrotl29.htin. Иі