??? 摘? 要： 介紹了基于AD73360芯片的多功能網絡電能表的系統總體設計。通過FPGA與AD73360芯片相連接，由FPGA給AD73360芯片寫控制字，然后再對采集的數據進行處理。重點介紹了基于AD73360的多功能網絡電能表的硬件設計，同時也介紹了FPGA的VHDL設計。本設計具有電力參數監測、電能質量分析、分時段電能計量、故障錄波和網絡遠程抄表等功能。?
??? 關鍵詞： 電能表；AD73360；FPGA；VHDL?
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??? 本設計是基于ADI公司的AD73360芯片的多功能網絡電能表。傳統的多功能電能表通常使用專用的電能計量IC計量或前端使用AD芯片采樣數據，然后使用DSP或MCU對數據進行處理。若使用專用電能計量IC，還需要額外的處理器對電表進行控制，增加了電能表的成本；若使用第二種方案，限于成本和DSP或MCU的處理能力，會影響電表的實時處理能力?；谝陨显?，本設計中前端使用AD73360芯片對電壓和電流進行采樣，后端使用FPGA對采集的數據進行處理，同時對電表進行總體控制。由于FPGA采用純硬件的工作方式，實時性強；同時，由于FPGA強大的處理能力，可以使用一片FPGA完成全部的數據處理和控制工作。這樣既可以簡化硬件設計，又可以減低成本。?
??? AD73360是ADI公司一款6通道模擬前端處理器，特別適合于電能計量[1]。該芯片具有6個16位A/D轉換通道，每個通道都可以同步采樣，同時可以保證從直流信號到4 kHz信號帶寬的77 dB的信噪比。每個通道還具有獨立的可編程輸入放大器(PGA)，其放大系數可以從0～38 dB可調。該芯片通過設置，可以提供4種采樣頻率，分別為64 kHz、32 kHz、16 kHz和8 kHz(由16.384 kHz的主時鐘分頻得到)。?
1 多功能電能表系統設計?
??? 多功能網絡電能表(以下簡稱電表)由數據采集、控制與處理、電源、網絡接口、顯示、存儲和日歷時鐘等部分組成，如圖1所示。數據采集部分由精密小型互感器、信號調理電路以及AD73360芯片構成。控制與處理部分采用Altera公司的FPGA芯片Cyclone II 2C35F484C8。電源模塊為整個電能表系統提供電源，共有2路直流電源輸出，一路供給數據采集板，一路供給電能計量SoPC芯片?？紤]電磁兼容試驗，要求電源系統能抑制高頻脈沖干擾且過壓自動保護。網絡接口部分采用DMA9000A網絡芯片，使用RJ-45接口，本系統支持以太網協議。顯示部分采用高品質的液晶顯示模塊，每屏可以顯示8×4個漢字（16×16）或128×64個像素的圖形。存儲模塊采用IIC總線與一塊E2PROM通信，用于數據凍結。日歷時鐘則使用專用的日歷時鐘芯片，為系統提供日期信息。表1為電表的具體功能和設計指標[2]。?
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2 電表硬件設計?
2.1 數據采集模塊硬件設計[2]?
??? 從圖1可以看出，數據采集模塊由互感器、信號調理電路和AD芯片3個部分組成。本系統三相電壓信號采用單端輸入方式，三相電流信號采用差分輸入方式。由于本系統采用3.3 V為AD73360芯片供電，因此輸入電流設置在10 mA，輸入電壓設置在700 mV左右。?
2.1.1 電流輸入電路設計?
??? 電流輸入使用專用的電流互感器將輸入電流降至10 mA左右。本系統選用了哈爾濱三江達電力技術有限公司生產的YWH型電能表專用互感器。YWH系列互感器是微型互感器的一個分支產品，是為寬量程電子式電能表配套設計的新一代微型精密電流互感器，工作電流范圍寬(可4～10倍過載)，誤差線性好(比差小于0.01 %，角差小于0.3′），采用阻燃ABS塑料外殼，環氧樹脂封裝，絕緣強度高，外形美觀，并有多種規格可供用戶選擇，滿足不同的安裝需要。本次設計選用了YWH-1型，其電流比為1.5(6)A/5(20)mA，二次負載電阻5～20 Ω，準確度為0.1級。?
2.1.2 電壓輸入電路設計?
??? 三路電壓信號直接由220 V電壓通過電阻網絡降至700 mV左右，每路電壓信號輸入電路由5個204電阻和一個332電阻構成，確保將220 V市電降為700 mV左右輸入，以適應AD73360的需要。?
2.1.3 信號調理電路設計?
??? 由于本系統電壓和電流信號采用不同的輸入方式，因此需要不同的信號調理電路。電壓調理電路中使用RC電路構成抗混疊濾波器，同時確保輸入AD的信號頻率小于0.5倍的AD采樣率。?
2.1.4 AD73360電路設計?
????VINP1-6和VINN1-6為信號輸入引腳；MCLK與系統主時鐘相連。由于AD73360設計時就考慮到了與DSP的簡單接口[1]，因此，SCLK、SDO、SE、SDI、SDIFS和SDOFS在設計時就可以與FPGA的I/O口直接相連。?
2.2 控制及數據處理模塊[3]?
??? 本系統的控制及數據處理采用Altera公司的FPGA芯片，Cyclone II 2C35F484C8。為了簡化本系統的硬件設計難度，直接采用成品FPGA開發板。這樣，只需要設計外圍的日歷時鐘芯片、LCD和網絡接口電路即可。?
3 控制及數據處理的程序設計[4]?
??? 本系統采用FPGA，同時配合Altera公司NIOS II軟核的方式對系統進行控制并對采集的數據進行處理[5]，最終使用μC/OS II 操作系統將整個系統整合。該設計共分為兩個部分，一個部分為控制部分，包括對AD芯片、網絡接口等模塊的控制；另一部分是數據處理部分，主要負責對AD73360采集來的數據進行處理。?
3.1 CPU設計?
??? 該芯片內部包括AD控制器、FIFO、電能計量、配置寄存器、NIOS II軟核微處理器、日歷時鐘接口、數字頻率變換器DFC(Digital to Frequency Converter)、IIC接口以及LCD控制器等部分。其結構如圖2所示。?
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??? 其中，AD控制器的輸入為信號采集板上采集到的三相電壓和三相電流(6個通道的串行數據)，AD控制器是按照美國ADI公司16位的∑-△A/D芯片AD73360的時序，將輸入的6個通道的串行數據轉換成并行數據并存儲在相應的FIFO中；6 通道的FIFO保存AD控制器送來的6 通道1個周波的AD 數據，以便后面的運算使用。這樣做還有一個好處就是電能計量模塊可以實現流水線結構，加快運算速度；電能計量模塊主要是利用FPGA實現電能的有功、無功和視在功率的計量。配置寄存器中保存配置數據、歷史電量數據、凍結數據等；NIOS II軟核微處理器完成整個電能計量芯片的調度工作；日歷時鐘接口與外部的日歷時鐘芯片相連，為芯片提供時鐘信息，供NIOS II軟核微處理器使用，從而構成復費率電能表。日歷時鐘芯片選用美國達拉斯公司的涓流充電時間芯片DS1302；DFC變換就是將計量后的電能值轉換成脈沖的個數輸出，以便校表；IIC接口控制外部的IIC只讀存儲器AT24C256，AT24C256是美國ATMEL公司的二線串行電擦寫可編程只讀存儲器；LCD 控制器實現外部LCD 的驅動功能。?
3.2 AD控制設計?
??? AD接口模塊完成對AD73360的初始化(設置分頻系數、AD采樣率、可編程增益、工作模式）、輸出數據的讀取并完成串/并轉換。本次設計中FPGA的主頻為50 MHz，經試驗發現AD的SCLK最高工作在2.048 MHz，這樣FPGA可以確保準確采集SCLK信號。AD的晶振頻率為16.384 MHz，因此設定SCLK的分頻系數為8。?
??? 為了減小亞穩態問題影響，確保可靠工作，采用了全同步設計，采用20 MHz頻率高速采集SDOFS、SCLK，并對其進行了兩級鎖存，大大減少了亞穩態問題。設計中采用兩級鎖定，經邏輯運算即可得到SDOFS的正沿和SCLK的正沿負沿。圖3為FPGA上電初始化配置AD73360的modelsim 6.1f仿真時序圖，圖中COM為FPGA配置AD73360寄存器的數據，SDI為COM數據的串行輸出。
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圖3? 配置AD仿真時序圖
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????圖4為使用邏輯分析儀實測的數據。?
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圖4? AD73360采樣的實測數據
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3.3 電能計量算法設計?
??? 電能計量的算法比較復雜，如果直接使用VHDL編寫比較困難。為了降低開發的復雜程度，在該模塊設計時，使用了DSP Builder。DSP Builder是Altera公司提供的以Simulink為平臺的圖形化的設計軟件[6]。它可以先由Simulink建模，然后通過DSP Builder提供的編譯器將Simulink模型轉換為VHDL語言，這樣就極大地簡化了設計的難度和開發周期。?
??? 本文介紹了基于ADI公司AD73360芯片的多功能網絡電能表的系統設計。AD73360特別適合于電能計量使用，同時其針對DSP的簡易接口設計，使得硬件電路設計更加簡單。配合FPGA較強的處理能力，使得整個系統只需要一片FPGA便可以完成全部的控制和電能計量任務，不需要再使用額外的芯片。同時也使得系統成本下降，開發周期大大縮短。?
參考文獻?
[1] AD73360 datasheet.Analog Device Inc.，2000.?
[2] 高鵬.Protel 99入門與提高[M].北京：人民郵電出版社，2000.?
[3] 王成.Altera FPGA/CPLD設計(基礎篇)[M].北京：人民郵電出版社，2005.?
[4] 徐欣.基于FPGA的嵌入式系統設計[M].北京：機械工業出版社，2005.?
[5] 彭澄廉.挑戰SOC-基于NIOS的SOPC設計與實踐[M].北京：清華大學出版社，2004.?
[6] 張森.MATLAB仿真技術與實例應用教程[M].北京：機械工業出版社，2004.