基于71M6534H的新型多功能电能表的设计与实现

0引言电能计量是电力企业经营活动的基础以及电力生产管理和电网安全运行的重要环节，其技术水平的高低不仅关系到电力工业的发展和电力企业的形象，而且影响电量交易结算的公平、公正和准确、可靠，直接关系到电力企业和电力用户的经济利益。

近年来，电子式电能表在国际、国内得到了迅速推广。

国外许多IC（Integrate Circuit）厂家不失时机的推出了各种电子式电能表专用芯片。

目前国内较为常用的电子式电能表芯片有美国CIRRUS LOGIC公司的CS5460A、CS5463A、美国ADI公司的ADE7758、珠海炬力公司的ATT7022等。

随着集成电路工艺的进步和人们对集成电路性能以及上市时间要求不断提高，集成电路技术发展到了系统级芯片（System-on-Chip,SoC）[1]。

基于嵌入式系统与微电子技术的飞速发展，SoC芯片得以将CPU、存储器和I/O设备集成到一个硅片上，并以其集成度高、可靠性好、产品问世周期短等特点逐步成为当前嵌入式系统设计技术的主流[2]。

71M6534是TERIDIAN半导体公司推出的一款专用电能计量芯片，外围电路简单，设计方便，计量精度高：在超过2000:1范围内（71M6534H型）有功计量精度优于0.1%。

本文基于电能计量SoC芯片71M6534H设计了一款新型三相电子式多功能电能表。

该电能表具有计量正向与反向有功电能、正反向无功电能、四象限无基于71M6534H的新型多功能电能表的设计与实现韦朝云1,2，桂卫华1，李先怀2，彭熹1,3（1.中南大学信息科学与工程学院，长沙410083；2.威胜集团有限公司，长沙410205；3.湖南省超高压管理局，长沙410004）摘要：系统级计量芯片（SoC）的走向实用为多功能电能表的设计提供了提高精度、增强功能、降低成本的空间。

本文提出了一种基于71M6534H计量芯片的新型多功能电能表的设计方法，通过说明71M6534H芯片的工作原理，简化了多功能电能表的电路设计，并给出了该多功能电能表的实际电路结构。

该新型多功能电能表已进行了样表研制，测试结果表明该设计提高了计量精度、简化了电路结构、提高了电路稳定性，并可以缩短开发周期，降低企业成本。

关键词：71M6534H；计量芯片；SoC；多功能电能表中图分类号：TM933文献标识码：A文章编号：1001-1390（2009）11-0046-06Design and Implementation of Electronic Watt-hour Meter Based on71M6534HWEI Zhao-yun1,2，GUI Wei-hua1，LI Xian-huai2，PENG Xi1,3（1.School of Information Science and Engineering,Central South University,Changsha410083,China.2.Wasion Group Limited,Changsha410205,China.3.Hunan Extra High Voltage Administration,Changsha410004,China)Abstract:Practical applications of metering System-on-Chip（SoC)provide space of improving accuracy,enhancing function and reducing costs on design of multi-function electronic watt-hour meter.This paper puts forward a design method of new multi-function meter based on71M6534H.It simplifies circuit design and gives actual circuit configuration by clarifying principle of71M6534H.This sample of new multi-function meter has been developed and through test.Results show that this design improves metering accuracy,simplifies circuit structure,enhances circuit stability,shortens development cycle and finally reduces enterprise cost.Key words:71M6534H,metering chip,SoC,multi-function electronic Watt-hour meter46--功电能的功能；能够测量A 、B 、C 各相电压、电流、视在功率、有功功率、无功功率、功率因数、相角、频率；计量正向与反向有功需量及8费率分时需量；能分时计量多费率的电能量及需量数据；能计量变压器铜损、铁损；具有电能冻结功能、显示与抄表功能、监控与事件记录功能、自检功能、负荷曲线记录功能、权限与安全管理功能；具有两路独立的RS-485通信接口，一路红外光通信接口。

具有低成本、高精度、高可靠性和集成度高等特点，适合为电力市场化下的电力公司提供新的增值服务。

1基于SoC 芯片电能表的结构设计电子式电能表的常规设计结构如图1所示。

通常情况，电能表由采样电路单元、电源电路单元、存储单元、显示单元、键盘处理单元、通信单元、脉冲输出单元、时钟电池单元等8个部分组成[3]。

输入电压经过分压电路转换为小电压信号输入到计量芯片的电压通道输入管脚。

输入电流经过电流互感器转换为小电流信号，再通过电流采样电路得到小电压信号输入到芯片的电流通道输入管脚。

计量芯片将转换后得到的信号进行数字计算处理得到输入的电压、电流、功率等数据，再通过一个SPI 口与计量微处理器进行通信，将测量到的数据传输到计量微处理器进行处理，如计算功率因数角、频率；判断有功无功功率方向、电压是否逆相序；进行数制转换等。

计量图1电子式电能表的常规设计结构图Fig.1Conventional design structure diagram of electronic energy meter微处理器再通过一个SPI 口与管理微处理器进行通信，进行一系列功能实现，如电量累加、最大需量计算、监控与事件记录。

71M 6534H 集成电能计量和管理于一体，工作可靠，性能优越，成本低廉，功能模块丰富。

本电能表设计以该芯片作为多功能电能表的核心。

电能表的硬件结构框图如图2所示。

271M6534H 芯片的工作原理2.171M 6534H 的特点TERIDIAN 71M6534H 是一款用于高端多相计量的系统级芯片，包括一个10MHz 的兼容8051MPU 内核、高精度RTC 、FLASH 和LCD 驱动器。

该芯片还配备了1个22位的delta-sigma （△-Σ）A/D 转换器、3相电压和4个差分电流输入、数字温度补偿、精密参考电压和32位计算引擎（CE ），只需极少数外部元器件就能广泛地应用于电能计量领域。

其内部结构和工作原理，如图3所示。

32kHz 晶体（用于整个系统）和内部电池备份（用于RAM 和RTC ），进一步降低了系统成本。

一般来讲，单相芯片有2到3个A/D 转换器，三相芯片有6个A/D 转换器，而Teridian 的71M 6534H 系列内部只有1个A/D 转换器，样本间的时间差由CE 自动对齐。

这样做的好处有两个方面：一是节省硅片面积，最终节省成本；二是可以最大限度地降低通道间的串扰，达到超过2000:1的非常优越的动态范围，是迄今为止为业界最高水平。

图2基于SoC 芯片的电子式电能表设计结构图Fig.2Design structure diagram of electronic energymeter based on SoC47--2.271M6534H 的工作原理71M6534H 需要同时进行计量和管理操作，因此数据在计量和管理之间的协调至关重要。

芯片采用类似于双核模式下的数据处理逻辑。

其工作时内部的数据流程如图4所示。

首先通过计量模拟前端模块对电网的取样信号进行实时采样，并把采样得到的数据存放到共享XRAM 中实时采样数据的存放位置。

CE 读取得到的采样实时数据，运行电能计量算法程序对数据进行处理，并进行电能累积，经过一段时间的电能累积周期之后（一般设置为1s ），向MPU 发生一个IRQ 中断请求，告知M PU 当前周期电能累积已完成，同时把累积得到的电能数据保存到其它位置的共享XRAM 中电能数据相应位置，更新覆盖上一个电能累积周期计量的电能数据，并重新开始下一个累积周期的电能计量。

M PU 在收到CE 发过来的IRQ 中断信号之后，读出XRAM 内的累积电能数据，并进行电能数据的后续处理。

这样芯片的三个核心单元对XRAM 中的数据操作互相不会发生冲突，能够有条不紊地进行电能计量和管理。

2.371M6534H 芯片优缺点71M 6534H 是一款三相专用电能计量系统芯片，芯片结构设计严谨、功能强大并经过了严格测试。

使用71M6534H 进行电能表的开发具有如下一些明显的优势：（1）由于高度集成，芯片对温度、湿度以及电磁干扰的敏感度大幅度降低，系统的性能和可靠性一定程度上得到了提高。

（2）管理单元功能模块丰富，在应用该芯片进行电能表设计时可以省掉很多外围的功能芯片（如硬件看门狗、实时时钟芯片、LCD 液晶驱动芯片、掉电检测芯片等），系统成本能够进一步得到降低。

该芯片也有一个明显的缺点，即在停电的情况下无法对时钟进行温度补偿。

在正常工作模式下，MPU 工作频率为5MHz ，电源供应电压为3.3V 时，71M 6534H 的典型工作电流为9mA 。

芯片设计时进行了低功耗模式的考虑。

有三种低功耗模式，如表1所示。

3多功能电能表的硬件电路设计多功能电能表需要实现的功能较多，电路结构复杂，主要有：电源电路、电压/电流采样电路、脉冲及状态指示电路、时钟及时钟电池电路、掉电检测电路、远红外通信电路、485通信电路、IC 卡接口板电路、负控电路等。

由于电能表空间有限，逻辑板功能过于复杂，所以硬件电路的设计通常情况下分为电源板、逻辑板和液晶显示板三大块来进行：电源板以计量芯片为中心实现数据采集、计量以及为整个系统提供电源；逻辑板以管理微处理器为中心，实现电量累加、最大需量计算、数据存储等管理功能；液晶显示板则以液晶显示驱动芯片及液晶显示屏为中心完成数据显示功能。