摘要： 介绍了ADE7758电能计量芯片的主要特点，提出了基于ADE7758和AT89C52的电机数据采集系统硬件和软件设计方案。数据采集系统适用于电机监控系统的要求，具有精度高、实时性好，价格低的特点。
Abstract： The characteristics of ADE7758 are introduced， and the hardware and software design of the motor data acquisition system based on ADE7758 and AT89C52 is also given. This termina unit is high characteristics， accurate with real-time and low price.
关键词： 数据采集；SPI；ADE7758
Key words： data acquisition；SPI；ADE7758
中图分类号： TH-3 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2012）31-0026-02
0 引言
电机是我国工业生产中广泛使用的动力装置。对电机进行实时监测，不仅能实时了解电机负荷及运行状况，还可提前发现电机故障并采取保护措施，避免和减小电机故障所带来的损失。目前国内的电机监控系统中，电机电参数数据采集大多是以普通AD转换芯片配合单片机进行数据采样，靠软件模拟计算获得电机运行状态相关电参数数据，该方法计算量大、精度低、实时性较差。本文提出的基于ADE7758电能计量芯片和单片机组成的精度高、实时性好的数据采集系统，可为电机快速监控提供可靠的实时监测信息。
1 电机数据采集系统工作原理
本文着重介绍三相交流电机电参数采集电路的设计。利用前端电压、电流调理电路，将电机的交流电压、交流电流信号处理为符合ADE7758模拟输入端电压要求的电压信号。处理后的电压信号输入到ADE7758芯片中，通过芯片内高速A/D采样电路完成同步采样。ADE7758的数字信号处理器（DSP）对实时电压信号进行各种判断、处理和运算，并将结果储存在片内18个只读寄存器中。单片机通过SPI串行接口对ADE7758进行读写操作，读取电机各种运行参量，同时通过RS485通信接口将电动机实时参数传送给上位机。
2 ADE7758的简介
ADE7758是一种高精度三相电能测量芯片[1]，内嵌了模数转换器（ADC）和固定模式的数字信号处理器（DSP），带有六路模拟量输入，两路脉冲输出和一个SPI串行接口。不仅能测量电压、电流有效值，还可计量电机的有功、无功电率，视在功率，电压周期等，并且可以对波形进行采样。在1000∶1的动态范围内线性误差小于0.1%。
ADE7758的所有功能都是通过读、写片内寄存器来实现的，即ADE7758的各种设定和操作主要是对其众多寄存器的读和写。ADE7758有一个存储来自ADC数据输出的波形取样寄存器，该寄存器集成了可用于短时持续低电平或高电平的监测电路，用户可以通过对波形取样寄存器编程来改变门槛电平和持续时间。
ADE7758自带一个SPI兼容的串行通讯接口，对芯片的设置、计量数据的传输均通过此通讯接口来完成。适用于三相三线制或四线制，50/60Hz的标准频率电网系统。
3 接口电路设计
3.1 前端信号调理电路的设计 ADE7758有六路模拟信号输入，分别为VAP、VBP 和VCP三路模拟电压输入通道，输入电压范围0～±0.5V；和由IAP、IAN，IBP、IBN，ICP、ICN组成的三对模拟电流输入通道，输入为模拟差分电压，范围0～±0.5V。因此，要进行电机电压、电流参数的测量，必须要在测量信号和ADE7758模拟输入端之间增加信号调理匹配电路[2]。
电压、电流信号调理电路见图2，被测电压信号经过电阻R1、R3分压，由R2与C1组成的滤波电路滤波后送
至ADE7758的VAP端子，D1和D2组成电压过压保护电路。被测电流信号经过精密电流互感器CT，将大电流转换为小电流信号，再经取样电阻以差分电路形式转换为电压信号并滤波，输入到ADE7758的电流输入端，其中D3、D4，D5、D6组成过压保护电路。
3.2 单片机与ADE7758的接口设计 单片机CPU采用AT89C52[3]，与ADE7758通过光耦进行串口信号传输。硬件接口电路如图3所示。ADE7758的SPI端口由端子DOUT、SCLK、DIN、CS、IRQ构成。IRQ为ADE7758向CPU发出的中断申请输出，低电平有效。APCF为有功能量脉冲输出端子，可用来实现有功能量的计量。CS逻辑输入端为片选输入端，下降沿信号使串行接口复位，并将ADE7758置于通讯模式。在数据传输时如果片选信号提高为高电平则中止传输，并将串行总线置于高阻抗状态。SLK为串行时钟信号输入端。此逻辑输入为施密特触发输入结构，允许使用较慢的上升（下降）时钟沿。SLK信号为下降沿时，CPU通过ADE7758的DIN引脚输入数据，当SLK信号为上升沿时，ADE7758从DOUT引脚输出数据给CPU。
4 软件设计
4.1 主程序设计 采用嵌套的方法设计软件程序[4]。程序分为主程序和中断服务程序两大部分。主程序用于初始化各个功能模块，中断服务程序用于处理及响应对应事件，完成对ADE7758的配置，包括工作模式、测量模式、中断模式等。ADE7758通过中断方式与CPU进行数据交换。根据不同中断类型，产生响应信号并将标志位置1，使IRQ引脚输出从高电平变为低电平，CPU检测到IRQ引脚的电压变化，提出中断请求并转入中断处理程序。中断源主要有电压、电流过零，电压电流过大，断相错误等。 4.2 ADE7758串口数据读/写 ADE7758测得的各种电参数及运算处理结果，都存在片内众多的寄存器中，ADE7758通过对这些寄存器的读/写来完成各种设定和操作，从而实现所有功能。在对每个寄存器进行数据读、写操作时，首先要对通讯寄存器执行一个写操作，然后才开始数据传输。在CS为低电平时，写入通讯寄存器一个8位命令字节，最高位为1表示进行写入操作，为0表示读出操作，命令字节的后7位为将写入/读出的寄存器地址。写入操作时，ADE7758在时钟信号SCLK的下一个下降沿时开始将DIN端信号写入寄存器，在读出数据操作时，在SCLK的下一个上升沿，数据在DOUT逻辑端移出。所有数据的传输都与SCLK信号同步，无论是数据的读出还是写入，都遵循高位数据在前，底位数据在后的原则。
4.3 ADE7758校准 在ADE7758实际使用之前必须经过校准过程，否则会出现较大误差。校准流程包括电压增益校准、电流增益校准、电流失调校准、有功增益校准、相位校准和有功、无功功率失调校准等。以三相电压、电流有效值校准为例，校准算法为：
IRMS=■
VRMS=V■■+V■×64
式中：IRMS，VRMS为电流、电压测量值；IRMS0，VRMS0为电流、电压准确值；IRMSOS，VRMSOS为需要得到的电流、电压的误差补偿量（offset）。根据该算法，在获得准确值和测量值后，可以得到误差补偿量。在实际校准过程中，为进一步降低误差，可采用更加准确的多次测量求平方根的方法得出测量值，获得相应的误差补偿量。
5 结束语
本文提出了用专用计量芯片ADE7758代替通用AD芯片的电机数据采集系统方案，充分利用了ADE7758芯片的内置功能模块，在硬件上使外围电路得到简化，降低了成本，提高了产品的可靠性。通过芯片内部强大的信号处理功能，减少了软件程序的计算量，并通过ADE7758自身的校准功能，使系统校准变得更加简单，同时也提高了对电机电参数测量的精度和实时性。该系统具有很好的应用前景，不但可用于电机实时监控、还能用于电机电能测量、故障记录、分析等。
参考文献：
[1]Analog Devices ADE7758 data sheet www.analog.2006.
[2]黄聚永，袁慧梅，张志忠，等.基于ADE7758芯片的GPRS网络电能表的设计.微计算机信息，2007，23（1）：166-167，227.
[3]吴伟奇.STC89系列高性能单片机及其信息[J].微机算机应用，2004，20（7）：92-94.
[4]张万忠.可编程控制器入门与应用实例[M].北京：中国电力出版，2004：1-5.
