ООО ЭФО
Поиск по складу
Программа поставок 2016
Сегодня
www.powel.ru
источники питания
www.korpusa.ru
конструктивы и корпуса РЭА
www.wless.ru
беспроводные технологии
www.mymcu.ru
микроконтроллеры
altera-plis.ru
микросхемы Altera
www.infiber.ru
волоконно-оптические
компоненты в
промышленности
www.efo-power.ru
силовая электроника
www.efo-electro.ru
электротехническая
продукция
www.efometry.ru
контрольно-измерительные приборы
www.golledge.ru
кварцевые резонаторы и генераторы Golledge
www.sound-power.ru
профессиональные усилители класса D
Поиск по сайту
Подписка на новости

Система менеджмента
качества сертифицирована на соответствие требованиям:
ISO 9001, ГОСТ Р ИСО 9001 и СРПП ВТ - подтверждено сертификатами соответствия в системах сертификации Русского Регистра, ГОСТ Р, международной сети IQNet, "Оборонсертифика" и "Военный Регистр".

ООО "ЭФО" в 2011г. получило Лицензию Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору на изготовление оборудования для ядерных установок.


Rambler s Top100



ChipFind - поисковая система по электронным компонентам
EEN
webmaster
Санкт-Петербург: (812) 327-86-54  zav@efo.ru Москва: (495) 933-07-43  moscow@efo.ru Екатеринбург: (343) 278-71-36  ural@efo.ru Пермь: (342) 220-19-44  perm@efo.ru
Казань: (843) 518-79-20  kazan@efo.ru Ростов-на-Дону: (863) 220-36-79  rostov@efo.ru Н. Новгород: (831) 434-17-84  nnov@efo.ru Новосибирск: (383) 286-84-96  nsib@efo.ru
о нас склад библиотека статьи
 

Специализированные микросхемы производства ATMEL для построения промышленных энергосчетчиков

Кривченко И.В.
"Компоненты и технологии" N8, 2001г.

Микросхемы сняты с производства в марте 2003 года,
см. новость на нашем сайте от 16.09.2002

Корпорация Atmel с 1999 года выпускает микросхемы, предназначенные для использования в различных приборах контроля параметров электрических сетей, и в первую очередь в энергосчетчиках. Современному рынку требуются новые приборы, способные производить автоматизированные измерения, обработку измеряемых данных и обладающие возможностью работы в распределенных системах. Высокий технологический уровень производства интегральных микросхем позволяет корпорации Atmel успешно решать поставленные задачи.

Atmel Corp. предлагает специализированный набор микросхем "Power Metering", в который входят предназначенные для совместной работы цифровой сигнальный процессор (DSP) AT73C500 и аналого-цифровые преобразователи (АЦП) AT73C501 и AT73C502. "Power Metering" предназначен для построения приборов учета электроэнергии разного класса - от простейших бытовых однофазных однотарифных счетчиков энергии до сложных промышленных энергосчетчиков для трехфазных сетей переменного тока. Набор "Power Metering" обладает следующими чертами и особенностями:

  • работа с соответствии со стандартом IEC 1036 (класс точности 1);
  • работа в соответствии со стандартом IEC 687 (классы точности 0.5 и 0.2) в случае использования внешнего термокомпенсированного источника опорного напряжения для микросхемы АЦП;

  • одновременное измерение активной, реактивной и полной мощности и энергии;

  • измерение частоты сети, силы тока, напряжения и коэффициента мощности;

  • одновременные измерения по трем фазам;
  • три режима работы: автономный, с внешним микроконтроллером, многоканальный;

  • гибкий интерфейс с внешними устройствами: 8-разрядный микропроцессорный, восемь импульсных выходов данных, восемь специализированных линий статуса;

  • цифровые калибровки по усилению и фазовому сдвигу, не требующие применения внешних подстроечных элементов.

Нажмите на картинку для увеличения
Рис. 1. Конфигурация набора "Power Metering" в автономном режиме работы
(Нажмите на картинку для увеличения).

На рис. 1 и рис. 2 показаны практические схемы построения энергосчетчиков на микросхемах набора "Power Metering" в двух основных режимах. Рис. 1 иллюстрирует автономный режим работы совместно с внешней микросхемой EEPROM для хранения калибровочных коэффициентов. Рис. 2 иллюстрирует режим работы совместно с внешним 8-разрядным микроконтроллером управления. Третий (многоканальный) режим используется для реализации трех независимых однофазных счетчиков электроэнергии и на рисунках не показан.


Нажмите на картинку для увеличения
Рис. 2. Конфигурация набора "Power Metering" в режиме работы с внешним микроконтроллером.
(Нажмите на картинку для увеличения).

Рассмотрим подробнее предлагаемый корпорацией Atmel набор "Power Metering".

AT73C501/502 представляют собой микросхемы аналого-цифрового преобразования (рис. 3). Каждая из них содержит шесть 16-разрядных сигма-дельта АЦП второго порядка с последовательным выходом. Сигма-дельта АЦП в микросхеме AT73C501 имеют обычный вход, а в микросхеме AT73C502 - дифференциальный.


Нажмите на картинку для увеличения
Рис. 3. Блок-схема микросхемы АЦП AT73C501/502
(Нажмите на картинку для увеличения).

Для измерений в сетях переменного тока с частотой 50 Гц номинальная частота поступления измерительных выборок от АЦП к цифровому сигнальному процессору выбрана разработчиками Atmel равной 3200 Гц. Это соответствует 64-м выборкам за период сети частоты 50 Гц. Частота тактирования сигма-дельта модулятора в 1024 раза больше, чем частота выборок, и составляет 3,2768 МГц. Последующие вычисления процессора AT73C500 базируются именно на вышеуказанных частотных соотношениях. Результаты измерений по всем шести каналам (три канала для измерения фазных токов и три канала для измерения фазных напряжений) запоминаются во внутренних 16-разрядных регистрах микросхемы АЦП, а затем общая 96-битовая последовательность пересылается для последующей обработки в процессор AT73C500 по скоростному последовательному интерфейсу.

Микросхемы АЦП допускают работу и при других частотах дискретизации в диапазоне от 1,0 МГц до 6,0 МГц, но тогда вычисляемые результаты потребляемой мощности должны быть масштабированы. Подробные указания, формулы для пересчета и временные диаграммы работы микросхем можно найти в оригинальной технической документации Atmel Corp.

Три токовых входа микросхемы AT73C501 могут соединяться со вторичными обмотками измерительных трансформаторов тока, с датчиками Холла и т.п. Если же в качестве датчиков тока используются шунтирующие резисторы, то тогда требуется применение микросхемы АЦП AT73C502 с дифференциальным входом. В качестве нормирующих преобразователей для входов напряжений могут использоваться внешние резистивные делители.

Микросхемы также содержат встроенный источник опорного напряжения (ИОН) и модуль контроля напряжения питания. Встроенный ИОН обеспечивает работу АЦП по классу точности 1. Для использования АЦП AT73C501/502 в счетчиках, работающих по классу точности 0.5 (или 0.2), требуется подключение внешнего термокомпенсированного ИОН с меньшим температурным дрейфом.

Встроенный модуль контроля напряжения питания постоянно измеряет текущее напряжение питания микросхемы и, если оно падает ниже порога срабатывания 4.2В, выставляет сигнал логической "1" на выводе PFAIL. Сигнал PFAIL возвращается в исходное состояние, когда напряжение питания восстановится до значения 4.3В. Гистерезис 0.1В необходим для того, чтобы исключить ложные срабатывания модуля при колебаниях напряжения питания вблизи порога срабатывания. Сигнал PFAIL может быть подан на вход внешнего прерывания процессора AT73C500 для корректной обработки события пропадания напряжения питания. При этом шину питания AT73C500 необходимо шунтировать электролитическим конденсатором с емкостью не менее 470 мкФ, чтобы обеспечить гарантированную обработку этого события. После обработки процессор "засыпает" до восстановления нормального уровня напряжения и затем проходит через процедуру инициализации (аналогично ситуации, возникающей при подаче сигнала Reset).

Отметим, что аналого-цифровые преобразователи AT73C501 и AT73C502 могут быть использованы в конечном приложении самостоятельно, без специализированного DSP AT73C500, так как имеют синхронный последовательный выход данных. Существуют примеры сопряжения микросхемы АЦП AT73C501 с AVR-микроконтроллерами с помощью встроенного в AVR SPI-контроллера. При этом получается шестиканальный измерительно - управляющий блок сбора и обработки данных для встраиваемых приложений.


Нажмите на картинку для увеличения
Рис. 4. Блок-схема микросхемы DSP AT73C500
(Нажмите на картинку для увеличения).

AT73C500 - высокопроизводительный специализированный DSP (рис. 4), который поддерживает вычисления значений мощности и энергии в одно- и трехфазных электрических сетях. Для связи с внешним АЦП AT73С501/502 он имеет встроенный входной последовательный интерфейс. Для представления выходных результатов DSP AT73C500 имеет восемь выходных линий данных и восемь отдельных линий состояния (статуса). Линии данных могут конфигурироваться на работу в двух различных режимах, которые выбираются программно в зависимости от режима работы DSP. Если внешним устройством является микроконтроллер, то линии данных представляют 8-разрядную шину данных. Если для отображения выходной информации используется, например, электромеханический многоразрядный индикатор, то на выходные линии данных выдаются импульсные последовательности.

Микросхема AT73C500 может быть запрограммирована пользователем на работу в одном из шести различных режимов (табл. 1). Каждый из режимов выбирается путем активации трех сигналов на линиях состояния, которые процессор опрашивает во время инициализации после включения питания или после прохождения сигнала Reset. Отметим, что работа внешней микросхемы АЦП AT73C501/502 не зависит от режима, в котором функционирует DSP.

Таблица 1
N режима Бит "2" установки режима Бит "1" установки режима Бит "0" установки режима Режим работы процессора Место хранения калибровочных данных
0 0 0 0 - -
1 0 0 1 Обычный EEPROM
2 0 1 0 Многоканальный EEPROM
3 0 1 1 Обычный Микроконтроллер
4 1 0 0 Многоканальный Микроконтроллер
5 1 0 1 Тестовый -
6 1 1 0 - -
7 1 1 1 Обычный* EEPROM
* 10 выходных импульсов на 1 кВт-час; в остальных режимах 100 выходных импульсов на 1 кВт-час

AT73C500 поддерживает две конфигурации для работы - в автономном режиме и при совместной работе с внешним микроконтроллером. Калибровочные коэффициенты процессора, загружаемые при старте, могут храниться или в микросхеме последовательной энергонезависимой памяти EEPROM емкостью 128х8 (рис. 1), или обеспечиваться внешним микроконтроллером (рис. 2). Интерфейс связи внешней энергонезависимой памяти с DSP - трехпроводной (стандарт Microware). Процессор AT73C500 и внешний микроконтроллер обмениваются данными через 8-разрядный параллельный интерфейс. Отметим, что единственное отличие между автономной и микроконтроллерной конфигурациями состоит лишь в способе считывания калибровочных коэффициентов. Также возможно строить различные комбинации этих двух конфигураций для практического использования. Например, калибровочные коэффициенты могут храниться в EEPROM, а микроконтроллер читает выходные данные с DSP, преобразует и отображает их на внешнем индикаторе. Такое комбинированное включение обеспечивает энергосчетчику дополнительную гибкость при тестировании и калибровке а также облегчает реализацию интерфейса с микроконтроллером управления.

В любом случае при измерении в однофазных или в трехфазных сетях AT73C500 реализует одинаковый поток вычислений. Он включает в себя устранение постоянного смещения на входе; калибровку по фазе и усилению; вычисления по измеренным значениям и выдачу результатов на внешний микроконтроллер и/или импульсные выходы. Одновременно AT73C500 постоянно отслеживает возникновение конфликтных ситуаций и немедленно выставляет соответствующие сигналы на внешних линиях состояния в тех случаях, когда:

  • невозможно начать работу (например, не были считаны калибровочные коэффициенты);

  • невозможно вести учет потребляемой энергии (измеряемые величины силы тока во всех фазах меньше стартового порога 20 мА);

  • возникла аварийная ситуация (ненормальные уровни измеряемого напряжения в фазах, обратная фазовая последовательность, отсутствие одной из фаз и т.п.).

Помимо отображения конфликтных ситуаций, линии состояния в процессе работы постоянно информируют о том, что уровни напряжения во всех фазах находятся в допустимом диапазоне; выходные данные готовы к выдаче на внешний микроконтроллер; процессор AT73C500 находится в состоянии инициализации.

Во время процедуры инициализации (включение питания, сигнал Reset или пропадание напряжения питания) процессор определяет предписанный ему режим работы, считывает калибровочные коэффициенты и фиксирует другие необходимые для дальнейшей работы внутренние параметры. После этого начинается собственно измерительный процесс. Все измерения и вычисления, за исключением измерения частоты сети, выполняются за 10 периодов энергосети. Результаты обновляются и передаются на внешние устройства каждые 200 мс.

Первой операцией, выполняемой AT73C500, является цифровая фильтрация. Целью фильтрации является компенсация постоянного смещения во всех шести измерительных каналах, как по току, так и по напряжению. Затем на базе "очищенных" измерительных выборок простыми операциями умножения и сложения проводятся вычисления активной мощности P по каждой фазе (напомним, что на один период сети частотой 50 Гц приходится 64 измерения). Суммарная активная мощность вычисляется затем суммированием измерений по каждой из фаз. Процесс вычисления реактивной мощности Q осуществляется по такому же алгоритму. Но перед тем, как перемножить мгновенные значения фазных тока и напряжения, процессор выполняет частотно-независимый сдвиг сигнала напряжения по фазе на 90°. Наконец, основываясь на результатах вычислений активной и реактивной мощностей, определяется полная мощность S и коэффициент мощности.

Измерения текущей частоты сети проводятся параллельно основным измерениям и вычислениям путем сравнения частоты сети и собственной внутренней частоты тактирования выходных счетчиков процессора AT73C500. Для базовой тактовой частоты процессора 3,2768 МГц дискретность временного отсчета периода сети составляет 1,25 мс. Отметим, что измерения частоты проводятся лишь в одной из трех фаз сети. Если по каким-либо причинам напряжение в этой фазе становится меньше установленного минимального уровня, то процессор самостоятельно идентифицирует это событие и автоматически переключается на измерение частоты в другой фазе.

Положительные и отрицательные результаты измерения и вычисления энергии накапливаются в четырех 32-разрядных счетчиках процессора. Это позволяет вести раздельный учет активной энергии, потребляемой (+Wp) и возвращаемой (-Wp) в сеть. Результаты вычислений реактивной мощности также сортируются раздельно в зависимости от характера нагрузки сети - емкостной (Wqcap) или индуктивной (Wqind). В номинальных условиях работы счетчики инкрементируются через каждые 0,4 Вт·ч (или 0,4 ВАр·ч) потребленной энергии.

Восемь импульсных выходов процессора AT73C500 разделены на две группы по четыре в каждой. Обе группы импульсных выходов связаны с внутренними 32-х разрядными счетчиками результатов вычислений +Wp, -Wp, Wqcap, Wqind. Первая группа имеет непосредственную связь и представляет калиброванную импульсную последовательность - в номинальном режиме работы 1250 выходных импульсов соответствуют 1 кВт·ч (1 кВАр·ч) потребленной энергии. Вторая группа импульсных выходов имеет более низкую частоту представления выходной информации и специально ориентирована на работу с внешними электромеханическими многоразрядными индикаторами. В режимах N1 - 4 работы процессора величина 1 кВт·ч (1 кВАр·ч) потребленной энергии соответствует 100 выходным импульсам, а в режиме N7 соответствует 10-ти импульсам (см. примечание к табл. 1). Номинальный режим работы предполагает, что тактовые частоты процессора и АЦП равны 3,2768 МГц. При использовании других тактовых частот все выходные импульсные параметры масштабируются.


Atmel Corp. также выпускает специальные аппаратно-программные отладочные комплексы для ознакомления с работой описанных микросхем - наборы разработчика ATEK500-50 (сеть 50 Гц) и ATEK500-60 (сеть 60 Гц) для построения трехфазных энергосчетчиков. Они также могут быть полезны как отладочные платформы для создания других измерительных устройств и систем в трехфазных четырехпроводных электрических сетях переменного тока.

ATEK500 предназначен для разработки на базе набора "Power Metering" энергосчетчиков в трехфазных четырехпроводных электрических сетях переменного тока. В его состав входит клеммный блок для подключения к фазам сети, токовые трансформаторы, измерительная плата EVAMET1, плата FIFO (с отдельным блоком питания) для связи с головным компьютером и электромеханический многоразрядный индикатор (рис.5). ATEK500 соединяется с параллельным портом компьютера, причем последний должен поддерживать двунаправленную передачу данных (т.е. должен быть ECP-портом). Измерительная плата EVAMET1 не требует специального источника питания, так как получает необходимую энергию от силовых линий, в которых проводятся измерения. На ней находятся контактные колодки для соединений по входу и выходу, светодиодные индикаторы для отображения состояния системы и возможных конфликтных ситуаций, а также набор переключателей, конфигурирующих режимы работы измерительной системы в целом.



Рис. 5. Состав отладочного комплекса ATEK500.

Программное обеспечение, входящее в состав ATEK500, позволяет персональному компьютеру управлять работой комплекса в ручном и автоматическом режимах, включая калибровку. Пользователь может осуществлять сброс всей системы, считывать измеренные значения силы тока и напряжения по всем трем фазам, а также регистрировать все усредненные величины и накопленные результаты за выбранный промежуток времени. Программное обеспечение позволяет также строить графики зависимости активной мощности, реактивной мощности и силы тока от времени по каждой из трех фаз на промежутке в 150 периодов сети. Это позволяет наблюдать за стабильностью измеряемых сигналов. Отдельно в программе выделены процедуры для калибровки энергосчетчика, причем пользователь имеет возможность корректировать любой из калибровочных коэффициентов. Выбранная конфигурация системы и некоторые калибровочные коэффициенты сохраняются в специальном файле, доступном для редактирования. Необходимо отметить, что входящее в состав отладочного комплекса ATEK500 программное обеспечение работает только под управлением DOS и непосредственно адресует параллельный порт компьютера.

В настоящее время корпорация Atmel активно работает над расширением номенклатуры микросхем для построения энергосчетчиков. Идя навстречу требованиям рынка, разработан новый набор микросхем для реализации бытовых однофазных энергосчетчиков. Он содержит две однокристальные микропроцессорные системы AT73C540 и AT73C550. В обеих микросхемах двухканальный сигма-дельта АЦП и цифровой сигнальный процессор размещены на одном кристалле. AT73C540 имеет только импульсные выходы данных, а AT73C550 имеет только микропроцессорный интерфейс. Новые комбинированные кристаллы будут доступны для заказа с января 2002 г. Отличительной особенностью новых микросхем AT73C540/550 является то, что они имеют на кристалле прецизионный термокомпенсированный источник опорного напряжения, что позволяет исключить дополнительные внешние компоненты при работе по классу точности 0.5. Уже сейчас выпускается и доступен для заказа аппаратно-программный комплекс поддержки разработок на микросхемах AT73C540/550, который имеет обозначение ATEK550.

В разработке также находится новый кристалл для измерений в промышленных трехфазных сетях. Это микросхема AT73C560, объединяющая на одном кристалле DSP AT73C500 и шесть 16-разрядных сигма-дельта АЦП класса точности 0.5 или 0.2 (выбирается программно). Микросхема AT73C560 имеет встроенный SPI интерфейс для связи с внешним микропроцессором и возможность цифровой калибровки в процессе работы.

Корпорация Atmel также уделяет внимание информационной поддержке данного направления. Полные версии технического описания на микросхемы AT73C500, AT73C501 и AT73C502 а также ряд пользовательских приложений - описаний (Application Notes) размещены на CD ROM Atmel Corp., который можно заказать в Интернете на странице http://www.efo.ru/cgi-bin/anketa/anketa.pl?action=print&anketa_id=33. Кроме того, данная техническая информация открыта для свободного доступа на сайте Atmel (страница "Power Metering") http://www.atmel.com/atmel/products/prod29.htm.

© 1999-2016 All Right Reserved. EFO Ltd. При использовании материалов ссылка на источник обязательна.
Контактная информация