摘要：為了解決工控領域多路交流電參數檢測，需要獨立進行單路測量電路設計的問題，給出了一種基于ADE7878芯片和嵌入式技術設計的多路電參教采集系統的硬件電路和程序流程。系統采用LPC2132作為主控芯片，適時控制4052多路開關，切換各路信號，通過I2C通信接口，讀取ADE7878電能芯片采集的電量參數，同時通過RS485通信接口，上傳電參數。實驗結果表明，該采集系統最多可采集4路三相電的電壓，電流，功率，功率因數，電能均能實現1％的計量精度，具有應用靈活，外圍電路簡單，可靠性高，成本低的特點。本電路設計亦可為相關產品的測試系統研發提供參考。
關鍵詞：ADE7878；電量檢測；硬件電路設計；單片機

隨著社會用電容量的擴大，通過適時檢測用電信息，實現配電自動化和管理自動化，迫切需要電量檢測及配送向高精度，多功能，智能化方向發展。傳統設備存進行多路電量參數監測時，往往采用多個電量監測儀器的方法，區分檢測主回路和支路電量參數，系統復雜，成本高。因此，研制一種可以進行多路電量檢測系統是十分必要的。為此，三相數字電表是通過使用嵌入式系統，將采樣、DSP、ARM等技術集成在一起，實現復費率、多種參數的測量顯示、接口豐富、易于擴展的數字電表。文中基于ADE7878芯片設計了一種數控電量檢測系統，其可測量1路電壓，4路電流，4路功率，1路電能，檢測精度均可達1％，并給出了系統的軟硬件設計，該設計已在相關產品的研制中得到了應用。同時此設計方法也為相關產品的開發奠定了基礎。

1 ADE7878簡介
ADE7878是一款高精度、三相電能測量IC。ADE7878適合測量各種三線、四線的二三相配置有功、無功和視在功率，例如Y形或三角形等。各相均具有系統校準功能，即有效值失調校正、相位校準和增益校準。CF1、CF2和CF3邏輯輸出可提供許多功率信息：總／基波有功／無功功率、總視在功率或電流有效值和。
ADE7878具有波形采樣寄存器，允許訪問所有ADC輸出。該器件還提供電能質量測量，例如：短時低壓或高壓檢測、短時高電流變化、線路電壓周期測量以及相位電壓與電流之間的角度等。利用兩個串行接口SPI和I2C，可以與ADE7878通信，同時專用高速接口、高速數據采集(HSDC)端口可以與I2C配合使用，以訪問ADC輸出和實時功率信息。該器件還有兩個中斷請求引腳／IRQ0和／IRQ1，用來指示一個使能的中斷事件已經發生。

2 電量檢測系統設計
2．1 系統設計原理
整個檢測系統由LPC2132控制及數據存儲模塊、信號調理和采集模塊、多路信號切換模塊和通訊模塊組成。我們采用LPC2132控制芯片實現電量檢測系統的各項功能。交流電壓和電流信號，經過信號調理電路，經過4052多路信號切換電路，輸出ADE7878采樣范圍內的信號，ADE7 878將模擬量信號轉換為數字量，LPC2132芯片通過I2C通信接口，獲取ADE7878的數據，同時LPC2132適時切換4052多路開關，切換各個支路電流信號輸出到ADE7878芯片。檢測系統配有EEPROM掉電存儲單元，可以將ADE7878的校表參數及電能數據存儲。通訊模塊通過RS485通信接口，可以與計算機進行數據通信，上傳采集到的數據信息。電量檢測系統實現原理如圖1所示。

2．2 系統硬件設計
硬件系統設計主要分信號調理和采集模塊、多路信號切換模塊、MCU控制及數據存儲模塊和通信模塊3部分。
2．2．1 信號調理和采集模塊
電壓采樣采用電阻分壓的方式實現，用大電阻及小電阻串聯，采樣小電阻兩端電壓信號，這樣輸出端VA(VB，VC)輸出一個范圍在0～500 mV之間的模擬電壓。該模擬電壓信號輸入到ADE7878中。信號調理和采集電路原理圖，如圖2所示。

電壓采樣電路計算公式及電壓系數如式(1)、(2)所示。

電流采樣的傳感器采用電流互感器，一次側直接為實際測量線路，其二次側輸出為電流信號(具體輸出電流大小根據需要而定)，故電流采樣采用串聯電阻的方式實現，采用兩個電阻串聯實現，這樣可得到一個范圍在0～500 mV之間的交流電壓信號。該模擬電壓信號輸入到ADE 7878中電流采樣電路計算及電流系數計算公式如式(3)、(4)所示。

在進行多路電量信號采集時，需要通過適時切換4052接入ADE7878芯片的模擬信號。實際電路中由于選用電阻本身的誤差和輸入失調、溫漂等問題的存在，上述計算公式零位和線性系數會稍有偏差，可以通過標定得到準確的系數和零位。
2．2．2 MCU控制系統的設計
為了提高采集系統的可靠性，選用基于32位ARM7內核的LPC2132芯片作為主處理器及外部的復位電路實現可靠復位。這樣使用一個小的、廉價的處理器核就可實現很高的指令吞吐量和實時的中斷響應。MCU控制系統電路原理圖，如圖3所示。

為了使系統能夠正確復位，在此系統中，使用專用復位芯片CAT1025復位。CAT1025集成了系統電源監視電路。當系統電壓高于設定電壓時，延時200 ms啟動系統，這使系統在上電時的復位時間大于LPC2132芯片所需要的復位時間，使系統正常復位。
2．2．3 多路信號切換模塊的設計
本系統，采用一個電能芯片可采集4路的電流，功率或單路電流，功率，電能數據，其實現多路電流檢測的關鍵是通過CD4052／CC4052切換各路電流信號接入ADE7878芯片。
CD4052／CC4052是一個差分4通道數字控制模擬開關，有A、B 2個二進制控制輸入端和INH輸入，具有低導通阻抗和很低的截止漏電流。這些開關電路在整個電源范圍內具有極低的靜態功耗，與控制信號的邏輯狀態無關。二位二進制輸入信號選通4對通道中的一通道，可連接該輸入至輸出。其典型應用原理如圖4所示。

在采集多路電流時，LPC2132通過CD4052控制端控制各支路信號接入ADE7878采樣管腳，由于ADE7878芯片內部有DSP算法原理，存在數據建立時間問題，故檢測各支路電流信號的接入時間不要太短，否則正確數據沒有運算完成，數據誤差較大。為了防止CD4052控制信號線干擾現象發生，將控制信號線接上拉電阻，這樣對切換過程影響小，工作可靠。
2．2．4 通信模塊的設計
LPC2132芯片串行通信接口采用的是TTL電平，它不能直接與PC機標準串行通信接口連接通信，必須設計TTL電平到RS485協議電平信號的轉換電路。
MAX485是一種把TTL電平轉換為RS485電平的芯片。RS485總線標準采用平衡發送和差分接收的方式進行數據通訊，利用信號線A、B間的電壓差傳輸數據，屬于兩線制的信號傳輸方式。RS-485總線用于多點互聯時非常方便，可以省掉許多信號線，應用RS-485可以互聯構成分布式系統，允許最多并聯32臺驅動器和32臺接收器，但對同一信號線上同一時刻只允許一個驅動器工作。
2．3 系統軟件設計
本系統中，單片機程序由3個模塊組成，分別是初始化模塊，串口通信模塊及ADE7878通信及控制模塊。
系統復位后，單片機先進行各參數(如串口通信波特率)初始化設置．并從EEPROM芯片讀取ADE7878校準參數及存儲的電能參數，將校準參數寫入ADE7878芯片，實現電量參數的準確檢測。繼而間隔固定時間，適時操作4052開關電路，切換采集各路電量數據，并瀆取ADE7878采集的各路電量參數，及時將電能參數存儲到EEPROM芯片，并適時清看門狗。如果有正確通信事件發生，則將采集到的電量數據經RS485通信接口上傳數據。程序控制流程如圖5所示。

3 結論
本系統采用的電路，用一個電能計量芯片即可實現多路電量數據的采集工作，并且在各電量數據額定采樣范圍內，精度均可達1％，電路簡單，應用靈活、精度高、成本低廉。系統各項技術指標均達到了設計要求，工作可靠，并已投入使用，有較高的使用價值，對過程監控、數據采集等系統的開發具有借鑒意義。