高精度多路交流电流真有效值检测电路的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种高精度多路交流电流真有效值检测电路，包括1至7路电流互感器、1至7路取样电阻、1至7路抗混叠滤波电路、1片三相电能计量芯片ATT7022x以及1片单片机；电流互感器与采样电阻相连接，采样电阻与抗混叠滤波电路相连接，抗混叠滤波电路与三相电能计量芯片ATT7022x的电流通道或电压通道相连接，三相电能计量芯片ATT7022x通过SPI接口与单片机相连接；单片机通过SPI接口从三相电能计量芯片的真有效值寄存器中直接读取所检测各路交流电流对应真有效值数字结果。本发明能够以每增加1片三相电能计量芯片ATT7022x而增加7路交流电流真有效值检测的能力进行扩展。
【专利说明】高精度多路交流电流真有效值检测电路
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种高精度多路交流电流真有效值检测电路，属于电力电子检测【技术领域】。
【背景技术】
[0002]在电力自动化领域的电力系统应用中，众多的工业现场和民用供配电现场需要监测各供电回路的负荷情况，因此需要进行大量的交流电流真有效值的检测与数据采集。目前，对于多路交流电流真有效值的检测与数据采集通常采用两种方式，第一种方式是每个回路采用一块单相或三相电流表进行交流电流真有效值的检测和采集，第二种方式是采用多路交流电流采集仪表对多路交流电流真有效值进行检测和采集。对于第一种方式，随着需检测和采集回路数的增加，需要较高的总体成本；而第二种方式采用的市售多路交流电流采集仪表，由于单价较为昂贵，所以总体成本也比较高。
[0003]在现有技术中，交流电流的真有效值检测主要采用两种方法。第一种方法是通过交流互感器获取交流电流信号，经取样电阻转换为交流电压，通过滤波和放大电路进行滤波与放大后，进入AD转换器，经AD转换后，通过单片机对AD转换结果进行读取，并采用软件方法计算得到交流电流真有效值。第二种方法是通过交流互感器获取交流电流信号，经取样电阻转换为交流电压，进入RMS-DC变换芯片，输出表征交流电流真有效值的直流电压信号，之后在通过放大电路进行放大后，进入AD转换器，经AD转换后，通过单片机对AD转换结果进行读取，得到交流电流真有效值。对于多路交流电流真有效值的检测，通常是在电路中加入多路模拟开关，并通过单片机控制切换多路模拟开关的选通，分时进行多路交流电流信号的检测与处理。虽然以上两种方法均能够实现多路交流电流真有效值的检测，但由于电路环节多，结构复杂，检测精度难以提高，且总体成本均较高。第一种方法是通过软件计算得到真有效值，一方面是检测精度受限，另一方面对单片机的性能要求较高，特别是进行多路检测时更为突出。第二种方法采用RMS-DC变换芯片，可直接得到交流电流的真有效值，但受限于这类芯片需要较长的建立时间，对于多路交流电流检测，每一路交流电流检测都需要一片这样的RMS-DC变换芯片，而RMS-DC变换芯片价格较高，使多路交流电流采集仪表总体成本也较高。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于克服现有技术之不足，面向电力自动化领域需求，提供一种低成本、结构简单、检测精度高、易于校准、易于扩展、稳定可靠，基于三相电能计量芯片的数字输出多路交流电流真有效值的检测电路，最高检测精度可达0.2%。
[0005]本发明采用如下技术方案实现发明目的:
一种高精度多路交流电流真有效值检测电路，由I至7路电流互感器、I至7路取样电阻、I至7路抗混叠滤波电路、I片三相电能计量芯片ATT7022X以及I片单片机构成。其中:电流互感器与采样电阻相连接，采样电阻与抗混叠滤波电路相连接，抗混叠滤波电路与三相电能计量芯片ATT7022X的电流通道或电压通道相连接，三相电能计量芯片ATT7022X通过SPI接口与单片机相连接。与三相电能计量芯片电压通道相连接的取样电阻阻值为与三相电能计量芯片电流通道相连接的取样电阻阻值的5倍，使输入至三相电能计量芯片ATT7022X电流通道和电压通道的信号电平满足三相电能计量芯片ATT7022X的特性要求，并保证检测精度。
[0006]电路工作过程为:电流互感器的交流电流信号经采样电阻后，转换为交流电压信号，再经抗混叠滤波电路进行滤波，输入至三相电能计量芯片ATT7022X的电流通道或电压通道，三相电能计量芯片ATT7022X对来自电流通道或电压通道的交流电压信号进行采集与处理，将交流电流的真有效值采样结果存储于对应通道的内部真有效值寄存器中；与三相电能计量芯片ATT7022X相连接的单片机通过SPI接口，能够从三相电能计量芯片ATT7022X的对应通道内部真有效值寄存器中读取交流电流真有效值数据。对应于三相电能计量芯片ATT7022X电流通道的真有效值寄存器码值，将补码转换成原码，即得到对应电流通道的交流电流真有效值检测结果；对应于三相电能计量芯片ATT7022X电压通道的真有效值寄存器码值，在将补码转换成原码后，再缩小5倍，即得到对应电压通道的交流电流真有效值检测结果。
[0007]与现有技术相比，本发明的优点和有益效果是:
(1)本发明采用三相电能计量芯片ATT7022X实现交流电流真有效值检测，一片芯片能够完成I至7路的交流电流真有效值的检测；
(2)本发明具有较高的检测精度，交流电流真有效值检测精度可达0.2% ；
(3)本发明采用的三相电能计量芯片ATT7022X价格低廉，能够有效降低大数量交流电流真有效值检测仪表的总体成本；
(4)根据实际需要，通过增加前端电路的路数和三相电能计量芯片ATT7022X的芯片数量，能够以每增加I片三相电能计量芯片扩展7路交流电流真有效值检测的能力进行扩展。
[0008]本发明结构简单、检测精度高、易于校准、易于扩展，作为多路交流电流真有效值检测电路的参考设计，能够广泛应用于电力自动化领域的智能仪表应用领域。
[0009]【专利附图】
【附图说明】:
图1是本发明的组成结构示意图。
[0010]图2是本发明的实施例1主要部分电原理图。
[0011]图3是本发明的实施例2主要部分电原理图。
[0012]【具体实施方式】:
实施例1:
适用于3.3V供电，交流电流真有效值测量精度优于0.2%，三相电能计量芯片为ATT7022E，单片机为 STC15L2KxxS2 的电路。
[0013]如图2所示，电路中:
5A/5MA的交流互感器CTl的两端连接至串接的20欧姆取样电阻Rsl_l和Rsl_l的两端，再连接至由1.2K电阻Rl_l和R2_l以及0.0luF电容Cl_l和C2_l组成的抗混叠滤波电路的输入端，取样电阻Rsl_l和Rsl_l的中心点与C1_1、C2_1的中心点连接后接模拟地；抗混叠滤波电路的输出端连接至三相电能计量芯片ATT7022E的电流通道I信号管脚VlP和V1N，构成对应于三相电能计量芯片ATT7022E电流通道I的前端电路。按照同样方式，可以构造出对应于三相电能计量芯片ATT7022E另外3个电流通道V3P和V3N、V5P和V5N、VOP和VON的前端电路。
[0014]5A/5MA的交流互感器CT5的两端连接至串接的100欧姆取样电阻Rsl_5和Rs2_5的两端，再连接至由1.2K电阻Rl_5和R2_5以及0.0luF电容Cl_5和C2_5组成的抗混叠滤波电路的输入端，取样电阻Rsl_5和Rsl_5的中心点与Cl_5、C2_5的中心点连接后接模拟地；抗混叠滤波电路的输出端连接至三相电能计量芯片ATT7022E的电压通道I信号管脚V2P和V2N，构成对应于三相电能计量芯片ATT7022E电压通道I的前端电路；按照同样方式，可以构造出对应于三相电能计量芯片ATT7022E另外2个电压通道V4P和V4N、V6P和V6N的前端电路。
[0015]对应三相电能计量芯片ATT7022E电流通道与电压通道的前端电路的差别是取样电阻取值的不同，对应电压通道的取样电阻阻值是对应电流通道的取样电阻阻值的5倍。
[0016]三相电能计量芯片ATT7022E的工作时钟通过5.5296MHz的晶振Yl提供。
[0017]三相电能计量芯片ATT7022E的SPI接口信号DOUT、DIN、SCLK, CS分别与单片机STC15L2KxxS2的SPI接口信号MISO、MOS1、SCLK以及GPIO信号P2.0相连接。如果再扩展I片三相电能计量芯片ATT7022E，则该片芯片的SPI接口信号CS连接至单片机STC15L2KxxS2 的 GPIO 信号 P2.1，依此类推。
[0018]三相电能计量芯片ATT7022E和单片机STC15L2KxxS2采用3.3V供电。三相电能计量芯片ATT7022E的模拟电源和数字电源通过磁珠LI进行连接，模拟地和数字地直接连接。
[0019]单片机STC15L2KxxS2的GPIO 口 P2.6连接至三相电能计量芯片ATT7022E的RESET管脚，由单片机STC15L2KxxS2控制对三相电能计量芯片ATT7022E进行复位。
[0020]单片机STC15L2KxxS2通过SPI接口，从三相电能计量芯片ATT7022E地址为的0DH-12H及29H共7个内部真有效值寄存器中读取所检测的7路交流电流的真有效值的补码。其中，从地址为10H-12H和29H共4个寄存器中读出的补码值分别对应三相电能计量芯片ATT7022E的4路电流通道的交流电流真有效值，将补码转换为原码，即得到对应电流通道的交流电流真有效值检测结果。从地址为0DH-(FH共3个寄存器中读出的补码值分别对应三相电能计量芯片ATT7022E的3路电压通道的交流电流真有效值，将补码转换为原码后，再缩小5倍，即得到对应电压通道的交流电流真有效值检测结果。
[0021]实施例2:
适用于5V供电，交流电流真有效值测量精度优于0.5%，三相电能计量芯片为ATT7022B，单片机为 STC15F2KxxS2 的电路。
[0022]如图3所示，电路中:
5A/5MA的交流互感器CTl的两端连接至20欧姆取样电阻Rs_l的两端，再连接至由
1.2K电阻Rl_l和R2_l以及0.0luF电容Cl_l和C2_l组成的抗混叠滤波电路的输入端，C1_1、C2_1的中心点连接后接模拟地；抗混叠滤波电路的输出端分别连接IOK电阻R3_l和R4_l, R3_l和R4_l的另一端并接后接至三相电能计量芯片ATT7022B的参考电压输出端REFOUT ;同时，抗混叠滤波电路的输出端连接至三相电能计量芯片ATT7022B的电流通道I信号管脚VlP和V1N，构成对应于三相电能计量芯片ATT7022B电流通道I的前端电路。按照同样方式，可以构造出对应于三相电能计量芯片ATT7022B另外3个电流通道V3P和V3N、V5P和V5N、VOP和VON的前端电路。
[0023]5A/5MA的交流互感器CT5的两端连接至100欧姆取样电阻Rs_5的两端，再连接至由1.2K电阻Rl_5和R2_5以及0.0luF电容Cl_5和C2_5组成的抗混叠滤波电路的输入端，Cl_5、C2_5的中心点连接后接模拟地；抗混叠滤波电路的输出端分别连接IOK电阻R3_5和R4_5，R3_5和R4_5的另一端并接后接至三相电能计量芯片ATT7022B的参考电压输出端REFOUT ;同时，抗混叠滤波电路的输出端连接至三相电能计量芯片ATT7022B的电压通道I信号管脚V2P和V2N，构成对应于三相电能计量芯片ATT7022B电压通道I的前端电路；按照同样方式，可以构造出对应于三相电能计量芯片ATT7022B另外2个电压通道V4P和V4N、V6P和V6N的前端电路。
[0024]对应三相电能计量芯片ATT7022B电流通道与电压通道的前端电路的差别是取样电阻取值的不同，对应电压通道的取样电阻阻值是对应电流通道的取样电阻阻值的5倍。
[0025]三相电能计量芯片ATT7022B的工作时钟通过24.576MHz的晶振Yl提供。
[0026]三相电能计量芯片ATT7022B的SPI接口信号DOUT、DIN、SCLK, CS分别与单片机STC15F2KxxS2的SPI接口信号MISO、MOS1、SCLK以及GPIO信号Ρ2.0相连接。如果再扩展I片三相电能计量芯片ΑΤΤ7022Β，则该片芯片的SPI接口信号CS连接至单片机STC15F2KxxS2 的 GPIO 信号 P2.1，依此类推。
[0027]三相电能计量芯片ATT7022B和单片机STC15F2KxxS2采用5V供电。其中，三相电能计量芯片ATT7022B的模拟电源和数字电源通过磁珠LI进行连接，模拟地和数字地直接连接。
[0028]单片机STC15F2KxxS2的GPIO 口 P2.6连接至三相电能计量芯片ATT7022B的RESET管脚，由单片机STC15F2KxxS2控制对三相电能计量芯片ATT7022B进行复位。
[0029]单片机STC15F2KxxS2通过SPI接口，从三相电能计量芯片ATT7022B地址为的0DH-12H及29H共7个内部真有效值寄存器中读取所检测的7路交流电流的真有效值的补码。其中，从地址为10H-12H和29H共4个寄存器中读出的补码值分别对应三相电能计量芯片ATT7022B的4路电流通道的交流电流真有效值，将补码转换为原码，即得到对应电流通道的交流电流真有效值检测结果。从地址为0DH-(FH共3个寄存器中读出的补码值分别对应三相电能计量芯片ATT7022B的3路电压通道的交流电流真有效值，将补码转换为原码后，再缩小5倍，即得到对应电压通道的交流电流真有效值检测结果。
[0030]上述说明并非对本发明的限制，本发明也不仅限于上述实施例，本【技术领域】专业技术人员在本发明实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也属于本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种闻精度多路交流电流真有效值检测电路，其特征在于电路是由I至7路电流互感器、I至7路取样电阻、I至7路抗混叠滤波电路、I片三相电能计量芯片以及I片单片机构成；其中，电流互感器与采样电阻相连接，采样电阻与抗混叠滤波电路相连接，抗混叠滤波电路与三相电能计量芯片的电流通道或电压通道相连接，三相电能计量芯片的SPI接口与单片机的SPI接口或GPIO 口相连接；单片机通过SPI接口从三相电能计量芯片的真有效值寄存器中直接读取所检测各路交流电流对应真有效值数字结果。
2.权利要求1所述的高精度多路交流电流真有效值检测电路，其特征在于所述电路能够以每增加I片三相电能计量芯片及相应前端电路而增加7路交流电流真有效值检测的能力进行扩展。
3.权利要求1所述的高精度多路交流电流真有效值检测电路，其特征在于与三相电能计量芯片电压通道相连接的取样电阻阻值为与三相电能计量芯片电流通道相连接的取样电阻阻值的5倍。
4.权利要求1所述的高精度多路交流电流真有效值检测电路，其特征在于所述三相电能计量芯片是具有4个电流通道和3个电压通道的高精度三相电能计量芯片ATT7022X。
【文档编号】G01R19/25GK103941078SQ201410130300
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2014年4月2日 优先权日:2014年4月2日
【发明者】周永录, 代红兵, 杨艳华, 王康华, 苏红军, 徐斌, 黄燕燕 申请人:云南大学, 昆明华奥航星电气有限公司, 昆明理工大学