近年来，随着国家电网大规模的改造与建设，电子式多功能电能表技术正在快速发展。电子式多功能电能表采用电子计量原理，具有高精度、高速率、多参数、长寿命计量、性能稳定、操作方便等优势。美国ADI公司最新推出ADE78xx系列高精度三相电子式电能测量IC,超越了工业上对电能计量0.2S级表的精度和动态的要求，可用于提高商业、工业及住宅智能电表的精度和性能，其中ADE7878功能最全,性能最好。因此，本文采用ADE7878作为核心计量芯片。

    LPC2212是恩智浦公司推出的一款基于16/32位ARM7TDMI-S核、支持实时仿真和跟踪的微控制器芯片，并带有16 KB片内SRAM和128 KB嵌入的高速Flash存储器,具有独特的加密功能。128 bit宽度的存储器接口和独特的加速结构使32 bit代码能够在最大时钟速率下运行。LPC2212采用144脚封装、极低的功耗、多个32 bit定时器、多个串行接口、8路10 bit ADC、PWM输出以及多达9个外部中断,其单片可用GPIO为112脚,这些特性使其非常适用于工业控制,对本文所设计的电子式多功能电能表也是非常适合的。
    基于本文所设计的电子式多功能电能表的样机已经在逐步完善设计之中,在不久之后即可顺利投入使用。
1 电能计量原理
1.1 ADE7878的性能特点
    ADE7878是一款高精度电能测量IC，其电压和电流通道均为24 bit Σ-Δ型ADC，提供I2C、SPI、HSDC多种串行数据接口和3个灵活的脉冲输出，可以同时提供基波有功和无功功率、总（基波+谐波）有功和无功功率、视在电能、基波有功和无功电能计量和有效值计算。
    ADE7878适合测量多种接法下的有功、无功和视在电能，同时支持微分式电流互感器（CT），支持所有通道的波形数据输出。芯片也集成了功率质量测量，如短时欠电压或过电压检测、中性线电流失配检测。对于ADE7878，三种特殊设计的低功耗电源模式能保证当发生窃电状态时电能累积的连续性。ADE7878还支持灵活的校表方式，通过调节电压电流的增益或功率的增益都能使误差达到要求[1]。
1.2 ADE7878计量算法[1-2]
　    ADE7878有7个模拟输入构成电流和电压通道。来自信号预处理电路的小电压信号通过可配置的PGA放大，经ADC变换转换为数字信号，然后进入内部DSP进行数字信号处理，在经过相位校正和HPF滤波后，分别对各路电压或电流进行均方根值计算、对各相电压和电流进行总有功/无功功率计算、基波有功/无功功率计算。
    对于含有谐波的交流系统，其瞬时电压、电流的数学表达式分别为：
 
  　 

    为保护电能表内部主要电路的安全运行，提高系统的抗干扰性、可靠性，电源部分设计成3个独立电源：MCU及相关部分电源、计量模拟部分电源以及RS485通信部分电源,各部分电源之间采用有效的隔离技术。MCU通过SPI总线对ADE7878的各个寄存器进行访问，得到计量所需的各项数据，经过处理之后通过SPI总线将数据存储到Flash中长期保存。RTC、LCD、铁电存储部分通过I2C总线与MCU进行数据交换。根据多功能电能表通信规约的要求,系统设计采用了2种通信方式：红外通信和RS485通信。除此之外，系统还设计了开盖检测、电池欠压检测和系统掉电检测，以实现实时监视外部的异常情况，对检测到的异常进行相关记录，同时进行声光报警[4]。
2.2 ADE7878模拟信号输入电路
    电压取样可采用传统的电压互感器或电阻分压网络。电压互感器虽然具有非常良好的隔离性能，但是同时会带来相位误差，影响测量精度，而且体积大、成本高[2]。因此，本设计采用无相位误差且成本较低的电阻分压的方法。ADE7878的最大模拟输入信号电平峰峰值为±0.5 V，此次设计的电表额定电压为100 V，为留有一定裕量并提高安全性，取样电阻选择1 kΩ，分压电阻采用5个270 kΩ和1个51 kΩ的电阻，因此，加额定电压时得到的输入取样信号电平峰峰值为100 mV。为了保证精度，采样电阻全部采用误差为25 ppm的高稳定度的精密电阻。A相电压采样电路如图2所示。

    电流取样采用传统的电流互感器方案。电流互感器选用量程为0～5 A的微型精密电流互感器,其规格为5 A/10 mA，采样电阻选用精密电阻120 Ω，因此额定采样电压有效值为1.2 V，ADE7878电流输入通道采样信号范围为峰值±0.5 V，因此采样电阻比为0.5/(1.414×1.2)=0.29，为留有一定余量，保证采样精度，选用40 Ω、220 Ω两种金属膜电阻，这样采样电阻比就是40/(220+40)=0.15，具体电路见图3。

2.3 LPC2212与ADE7878接口电路
    为保护以LPC2212为主的核心控制电路的安全可靠，以及减少数字电路对ADE7878模拟采样的干扰，在设计这两部分的接口电路时，有必要考虑电气隔离的问题。
　 本设计中采用的是ADI公司的采用iCoupler技术的四通道数字隔离器ADUM1411芯片，额定电介质隔离电压为2.5 kV(有效值)，持续1 min。该隔离器将高速CMOS与单芯片空芯变压器技术融为一体，具有优于光耦合器等替代器件的出色性能特征，隔离效果非常好。iCoupler器件不用LED和光电二极管，因而不存在一般与光耦合器相关的设计困难。简单的iCoupler数字接口和稳定的性能特征，可消除光耦合器通常具有的电流传输比不确定、非线性传递函数以及温度和使用寿命影响等问题。这些iCoupler产品不需要外部驱动器和其他分立器件。此外，在信号数据速率相当的情况下，iCoupler器件的功耗只有光耦合器的1/10至1/6[5]。
　 ADE7878提供两种串口通信模式：SPI接口模式；I2C接口+HSDC接口模式。本设计采用速度较高的SPI接口模式。在上电或硬件复位后，通过SS引脚上连续拉高置地三次，ADE7878进入SPI通信模式，其最高的通信速度为2.5 MHz。SS引脚的具体操作可以通过两种方式来实现：一是由MCU使用一个I/O引脚触发SS引脚切换3次；二是对ADE7878没有分配特定寄存器的地址(例如0xEBFF)执行3次SPI写操作。在串口选择完成后，必须进行端口锁定，对CONFIG2[7:0]寄存器的任何写操作即可锁定端口，一旦锁定，串口模式将无法更改，直到复位为止[1]。
3 整体软件设计

    本设计的软件是基于Keil uVision3开发环境编写的，主要包括系统主程序设计以及软件校表设计。
3.1 主程序设计
    系统主程序流程如图4所示。主程序分为初始化部分和主循环部分。

    初始化部分包括对FRAM、Flash两种存储器的格式化，对MCU的ADC、SSP、I2C、UART各种端口的设置，对GPIO引脚的功能设定与方向选择，对内部中断、外部中断的设置，对RTC时钟的设置，等以上均初始化完毕之后，将相关参数导入FRAM中，然后配置ADE7878，启动电量信息的采集。
    主循环部分依次对外设的情况进行检测，按键扫描处理，计算各种电量信息并通过LCD显示、存储数据以及RS485通信。当外设出现异常情况，或者检测到开盖、电池欠压、掉电情况时，进行相应声光报警以及参数存储。
3.2 软件校表设计[3]
    ADE7878的校准有两种方法可供选择。一种方法是利用ADE7878的三路校表脉冲输出，通过校表台来进行校准。这种方式最为常用，但是效率较低。另一种方法是利用精密基准源，通过设置ADE7878使其工作在线路周期累计模式下。这种模式的优点是效率高，校准比较快，但对基准源的要求比较高。
    ADE7878简化了校表方式，一般流程为：电表外接PF=1的额定电流、额定电压，依次校准电流增益IGAIN、电压增益VGAIN。根据电流、电压修正的结果相应修改WTHR的阈值，同时设置芯片工作于线周期累积模式，接入PF=1的额定电流、额定电压之后，校准有功功率增益WGAIN。然后将PF调至0.5L，进行相位修正。无功功率增益VARGAIN、视在功率增益VAGAIN理论上可以等于有功功率增益WGAIN。
    校准完成之后，可以采用如下方法检测校准的精度：将校准后的电能表接入标准源额定值，对比其与标准表的电能脉冲输出，通过观察两路脉冲的周期是否十分接近，可以初步得知校准的成功与否，然后再通过观察规定时间内两路脉冲的个数是否一致，从而得知此次校准的实际精度。
    由于在芯片复位之后，所有的校表寄存器都会恢复到缺省值，因此，必须将求得的各个校准寄存器的值存放在FRAM中长久保存，在系统复位后由LPC2212控制将这些修正值依次写入相关寄存器中。
    本系统采用LPC2212和ADE7878组合设计，将ADE7878的高精度测量能力与ARM7强大的控制能力相结合，提高了测量结果的精确性，简化了硬件设计过程，加大了各个任务调度的灵活性，增强了整体系统的可靠性。
参考文献
[1] Analog Device, Inc. ADE7878 datasheet poly phase multifunction energy metering IC with per phase information.2010.
[2] 郭忠华. 基于ADE7878芯片的电力参数测量仪的设计[J]. 电工电气, 2010(12):25-30.
[3] 胡志刚, 许凯, 崔永峰. 电能计量芯片ADE7878在智能表中的应用[J]. 电测与仪表, 2010(7):128-131.
[4] 王翠青, 陈未如, 任子真,等.基于ATmega128L和ADE7758的电子式多功能电能表的设计与实现[J].沈阳化工学院学报, 2008(1):81-84.
[5] Analog Device, Inc. ADUM141x datasheet quad-channel digital isolators. 2006.