在電力監(jiān)測系統中對電壓、電流數據的采樣時由于電網的波動，電壓、電流并非嚴格的正弦波，僅按照50 Hz的1倍計算采樣率會導致精度下降及“跳字”(儀器測量值跳變較大)。同時電力系統受外界影響會存在各種瞬間的高頻干擾信號，所以也對A／D的采樣速度有較高要求。為此電力參數的采樣通常都采用較高精度和速度的A／D。如常見的國外產品中，應用于電力系統的專用A／D芯片有12位的ADS7864、16位的AD73360、24位的CS5451等，其中ADS7864采樣速度達500 kHz／s。
在采樣系統中，通常的做法是將采集到的數據讀取到MCU中，由MCU對大量的采樣數據進行處理，得到電壓、電流、相位、功率因數等參數。上述芯片均采用這種方式工作。由于大量的采樣和數據運算給MCU帶來很大的負擔，大大影響MCU處理其他問題的速度。ATT7028是一款國產的電能計量專用芯片，比進口電路價格低廉。除了A／D轉換部分，在芯片內還集成了數據運算電路，可以大大節(jié)省測量系統主控MCU的工作負荷。該芯片通過軟件校正可將誤差校正到0.5級以內，有效值測量誤差小于0.1％，數據采集及處理時間大約為1／3 s。為了保證測量精度他的采樣頻率為3.2 kHz。此芯片的接口簡單，使用方便。
1 ATT7028工作原理
ATT7028是QFP44封裝的44腳芯片，主要包括3大部分電路：A／D轉換部分、數字信號處理部分、通信及其他。
該芯片的A／D部分集成6路二階——A／D轉換器，采用過采樣技術，6個通道可同步采樣，采用雙端差分信號輸入方式分別針對三相電壓、三相電流檢測，各路的采樣是16位模／數轉換，經過片內運算電路的處理，得到24位的參數輸出。同步采樣對于計算功率和功率因數等同時需要某瞬時電壓、電流值的參數尤其重要，可以保證測量的準確性。上述3種國外芯片中，AD73360和CS5451是同步采樣的，而ADS7864不能同步采樣。
數字信號處理部分對A／D轉換后的數據先經過數字濾波器濾波，然后分別計算各相的有效值、有功功率、相位、功率因數、電能和合相的有功功率、電能、頻率、功率因數等電力參數。同時還提供電阻網絡校正和軟件校正兩種方式作誤差校正用。軟件校表是通過相關的校表寄存器對增益、相位進行補償、從而保證三相電壓、三相電流的增益、相位精度要求。校表寄存器的參數由用戶提供。其內部單相采樣及計算框圖如圖1所示。
其在有功功率計量中由于ADC采用過采樣技術，可充分保證測量速度和精度，可包含高達21次的諧波信息。通信部分：ATT7028提供一個串行外設接口(SPI)，方便與外部MCU之間進行數據傳遞。所有計量參數都可以通過SPI接口讀出。另外，ATT7028內部提供電壓監(jiān)測電路，用以監(jiān)測工作電壓。
2 應用方案／硬件、軟件設計
根據以上特點，采用ATT7028設計一個電機運行的監(jiān)測系統。系統由ATT7028為核心的采樣部分和以TI公司的TMS320F206為核心的DSP信號處理系統組成，輔以鍵盤和顯示部分。該系統用以監(jiān)控電機的運行狀態(tài)，即時給出供電系統的參數，并運行預置的故障模型算法以確保電機的安全運行。由于電機故障模型的算法比較復雜，占據大量的MCU時間，如果要求其兼做供電系統參數的計算，顯然會大大降低整體的運行速度，一般市售監(jiān)控系統的采樣刷新時間只能在0.5 s左右。而ATT7028恰恰可以彌補這方面的不足。他可以直接對采樣參數進行運算得到供電系統的測量參數，MCU只需直接加以讀取并專注于故障模型的判斷即可，據估計，采用附帶參數計算電路的A／D可以節(jié)省約200 ms的MCU時間。
2.1 硬件設計
ATT7028提供一個SPI接口可方便地與MCU通信，其應用主要有2方面：
(1)在電壓、電流測量通常采用互感器輸入方式，這時各通道不可避免地存在增益、相位方面的誤差，在高精度測量時這些誤差不容忽視，針對互感器比差的非線性，ATT7028提供校正，可對比差進行分段補償，ATT7028也可對相位加以分段修正，還可對電壓、電流有效值進行修正。所有這些可通過SPI接口將校正的數據寫入ATT7028中實現。
(2)MCU可通過SPI接口將ATT7028經過運算得出的電壓、電流、有功、功率因數、相位等參數讀出。
ATT7028提供電阻網絡校正或軟件校正2種方式校正誤差，當采用軟件校正方式時，用戶必須將7028的SIG端子與MCU的INT腳連通，當ATT7028受干擾復位或內部錯亂時SIG端子給MCU信號以便MCU重新寫入修正數據。MCU的I／O口與ATT7028的SPI，RESET接口相連，既可對ATT7028復位、輸入校正數據，也可讀取數據。硬件連接圖如圖2所示。
MCU通過SPI接口與ATT7028通信讀取數據時序如圖3所示。工作過程：MCU先發(fā)出片選信號CS(低電平有效)，再給出串行時鐘SCLK(在SCLK的上升沿寫數據，下降沿讀取數據)，再通過SPI接口寫入1個8位的命令字，然后才能通過SPI讀取位的數據。
輸入數據說明：
Bit 7：為0，表示讀命令，用于外部MCU讀取ATT7028的計量數據；為1，表示寫命令，用于更新校正數據。
Bit6～0：表示數據地址，選擇寄存器。
2.2 軟件設計
ATT7028提供各相的有功功率、視在功率、電壓、電流、相角、電能等參數，分別采用不同的寄存器存儲，每項數據24位，采用二進制補碼形式存儲。
軟件編程可采用中斷方式或查詢方式。采用查詢方式時，可以檢測工作寄存器的相應狀態(tài)位，執(zhí)行讀取。因為測量中存在誤差，為了保證檢測數據的準確性，首先要校正誤差，本設計采用軟件校正方式來校正測量中的誤差。讀取數據流程圖與軟件校正流程圖如圖4所示。
2.3 注意問題
在設計電路時模擬電源和數字電源、模擬地與數字地應盡量分開接地，然后將模擬地與數字地連接。
因為ATT7028內部有效值、功率、相角、頻率等寄存器的更新是自動進行的，更新時間約1／3 s，所以數據讀取要保證在1／3 s以內完成，不然數據會部分丟失。對數據刷新要求速度較高的場合不適宜應用本芯片。同時該芯片只能讀取經過運算過的數據，不提供直接對A／D轉換過的數據的讀取。其3.2 kHz的采樣頻率只是為了保證參數的精度，用戶不能直接得到采樣值。
低電平復位信號要保持25μs左右，芯片復位后，一般等待200μs左右才能通過SPI進行讀寫操作。通過SH讀寫信號時傳輸信號會有抖動?？梢栽赟PI信號線上串聯一個小電阻，此電阻與輸入端的寄生電容C結合起來可構成一個低通濾波器來濾除抖動。
MCU發(fā)出的時鐘SCLK頻率低于200 kHz時，可直接讀取寄存器中的數據；SCLK頻率高于200 kHz時，則需要等待大約3μs才可讀取數據。通過SPI輸入校正數據時總是高位在前、低位在后，讀取數據時也是先讀出高位、再讀出低位。
3 結 語
ATT7028是一款功能較強的芯片，內部集成數字信號處理電路，提供所有電力參數計量相關的算法實現，具有強大的數字信號處理能力，大大減輕了主控MCU的工作壓力，同時提供方便的SPI通信接口便于數據讀取，性價比較高，適合于專用于三相電力系統監(jiān)控和測量采樣的應用場合。本文介紹的系統在應用獲得較好的效果。