基于SA9903B的单相电能表的设计

　　随着电力事业及科学技术的高速发展，机械式电能表逐渐被电子式电能表取代。与传统机械式电能表相比，电子电能表精度高、制造成本低，并且计量参数全，易于电源管理和电力运行过程的远程监控。

　　本文给出了基于SAMES公司的SA9903B单相电能计量器件，并以宏晶公司的STC12C5410单片机为控制器设计开发的一款新型单相电能表。该器件具有SPI接口，单片机可通过SPI接口读取内部的电参数。STC12C5410是新一代增强型、低功耗51单片机，具有2 KB非易失性E2PROM和SPI接口，易于与计量器件SA9903B接口，存储电能累计量。

　　2 SA9903B的简介

　　SA9903B的主要特性：实时测量单相有功／无功能量；实时测量电压有效值和频率；集成内置参考电压源；具有SPI(串行外围接口)总线接口；功耗低于60 mW，具有静电保护功能；工作温度范围宽：符合IEC6103一级交流电能表要求。

　　SA9903B的内部结构如图1所示。它由2路模数转换器、4个24位寄存器、内部参考电压基准和SPI串行通信接口控制器等组成。其中，寄存器用于存储有功电能、无功电能、电压有效值及频率。GND为模拟地。VDD为电源正极，当采用分流电阻检测电流时，接+2.5 V；当采用电流互感器时，接+5 V。VSS为电源负极，当使用分流电阻检测电流时，接-2.5 V；当使用电流互感器时，接地。IVP为模拟电压输入端，当测量的电压为额定电压时，要保证流入到内部模数转换器电流的有效值为14μA，峰值不超过+25μA。VREF为参考电源的外接电阻端，通常需要接对地24 kΩ电阻。FMO为电压过零脉冲输出端，在输入电压的上升沿产生占空比50％的脉冲。CS为片选信号输入端，高电平有效。DI、DO为串行数据的输入、输出端。SCK为串行时钟信号输入端。OSC1、OSC2为外部晶体振荡器的输入、输出端。

　为了与SA9903B的SPI通信对应。STC12C5410单片机选择主模式作为主机工作，SA9903B作为从机工作。主机和从机的两个移位寄存器可以看作是一个16位循环移位寄存器。当数据从主机移位传送到从机的同时，数据以相反的方向移入。这意味着在一个移位周期中，主机和从机的数据相互交换。按照SA9903B的时序要求，STC12C5410配置为：控制位CPHA=1，前时钟沿驱动，后时钟沿采样，CPOL=0，SPICLK空闲时为低电平，前时钟沿为上升沿，后时钟沿为下降沿。SPI时钟速率选择为CPU-CLK／32。

　　4 硬件电路设计

　　单相电能表的主电路如图3所示，由电量计量器件SA9903B、输入分流器、分压电阻、光电隔离、单片机STC12C5410AD、键盘电路、显示电路及通信RS485接口电路等组成。被测电压和电流分别通过分压和分流进入SA9903B的测量通道，内部两路∑-△模／数转换器，分别对电压和电流模拟信号进行转换，然后把累积的有功电能和无功电能存入两个24位寄存器，同时把连续测量的电压有效值及频率值存入各自的24位寄存器。单片机与SA9903B通过4路光电隔离使SPI引脚对应连接，单片机设为主工作模式，完成SA9903B内部电参数的读操作。单片机对电参数处理后，进行显示，并响应远程485命令实时发送读取的电参数。通过键盘切换显示和校准电能表采样。电路设计中，为提高SPI通信的可靠性，应在时钟CLK、DI、DO各线路上加100 pF的对地电容，滤除干扰毛刺。为保证采样精度，SA9903B的引脚VDD和VSS对地各接一只820 nF的陶瓷电容，且应尽可能靠近SA9903B放置。

　　5 软件设计

　　该电能表的软件设计主要实现SPI数据读取以及处理、参数的显示、键盘的处理和485通信控制等功能。程序采用汇编语言编写，程序流程图如图4所示。

　　6 结束语

　　该系统设计采用SA9903B，大大减少了外围元件数目，提高了系统的测量精度。同时采用485总线传输实测数据，满足远程监控的需要。