- BL6523A的性能介紹和結構分析
- 實現電氣測量的原理電氣測量原理
- 從硬件設計分析智能電網的計量芯片BL6523A
- 從軟件設計分析智能電網的計量芯片BL6523A
解決方案：
- 智能電表計量芯片系統方案
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在智能電網的諸多應用中，智能電表應用已率先落地。根據國家電網公司電網智能化建設規劃，在國家電網公司“計量、抄表和收費標準化建設研究”項目成果的基礎上，全國的大多數電表企業均設計研發了符合新一代智能電網要求的電度表。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計量芯片是結合國內外計量要求，集合防竊電技術、多項專利技術而設計的能實現包括電壓電流等多種電氣測量的計量芯片產品。
BL6523A的性能介紹和結構分析及電氣測量原理
1.BL6523A的性能介紹
BL6523A是一款高精度、高穩定性的計量芯片，其精度在輸入動態工作范圍(1500:1)內，非線性測量誤差小于0.1%；穩定性高，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；同時具有可編程調整脈 沖輸出的頻率；此外，BL6523A還具有可編程增益調整和相位補償；給出功率因子(PF)，計算功率因數；可按需要給出中斷請求信號(/IRQ)；提供 SPI通信接口，用于數據傳輸。
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的內部結構BL6523A的結構
如圖1所示。工作時，電流信號和電壓信號先分別經高精度的模數轉換(ADC)將模擬信號轉換為數字信號，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據和電壓采樣數據。然后將這兩個數據相乘，便得到瞬時有功功率，接著經過低通濾波器，輸出平均有功功率。電 流采樣數據和電壓采樣數據分別通過平方電路、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。經過數字信號的處理，通過SPI 接口輸出多種電氣數字量。
3. BL6523A實現電氣測量的原理
BL6523A的測量部分與主MCU共用5V電源系統，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(電流規格)，電表常數為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分頻系數選擇(WA_CFDIV)
電表常數為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通道增益調整寄存器 A_CHGN；2FH電流B通道增益調整寄存器 B_CHGN；12位寄存器，補碼形式，增益調整范圍±50%。
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d.相位調整
相位補償的原理是將一個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.小信號補償調整
小電流1.0情況下，如果小信號精度偏差較大，可通過調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通道有功功率測量；均為12位寄存器，補碼形式，可調整范圍+2047~-2047；如小信號情 況下，有功功率寄存器WATT(0AH)的數據為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)的數據為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 IkA=IARMS/Ib，IkB=IBRMS/Ib。而后用戶可以根據讀取的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 Uk=VRMS/Un。07h，電壓有效寄存器V_RMS。
g.功率因數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、監控BL6523A的工作狀態，一般監控效驗寄存器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果
電表的誤差從測試及實際使用數據看，計量精度完全滿足要求。1.電表能在0.5~1.3Un范圍內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的范圍內準確測量，使用互感器方式，可以在10mA~100A的范圍內準確測量。3.測量功率：從最大 22,000W到最小測量功率在啟動電流狀態下的 4.4W能準確測量。4.測量功率因數：輸入電壓220V，功率因數能從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。我們通過系統設計，驗證了BL6523A完全符合國家電網公司的新一代智能電表的要求標準，其優異的性能、優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電氣測量和民用電氣測量領域。
