1 引言
隨著電力事業及科學技術的高速發展，機械式電能表逐漸被電子式電能表取代。與傳統機械式電能表相比，電子電能表精度高、制造成本低，并且計量參數全，易于電源管理和電力運行過程的遠程監控。
本文給出了基于SAMES公司的SA9903B單相電能計量器件，并以宏晶公司的STC12C5410單片機為控制器設計開發的一款新型單相電能表。該器件具有SPI接口，單片機可通過SPI接口讀取內部的電參數。STC12C5410是新一代增強型、低功耗51單片機，具有2 KB非易失性E2PROM和SPI接口，易于與計量器件SA9903B接口，存儲電能累計量。
2 SA9903B的簡介
SA9903B的主要特性：實時測量單相有功／無功能量；實時測量電壓有效值和頻率；集成內置參考電壓源；具有SPI(串行外圍接口)總線接口；功耗低于60 mW，具有靜電保護功能；工作溫度范圍寬：符合IEC6103一級交流電能表要求。
SA9903B的內部結構如圖1所示。它由2路模數轉換器、4個24位寄存器、內部參考電壓基準和SPI串行通信接口控制器等組成。其中，寄存器用于存儲有功電能、無功電能、電壓有效值及頻率。GND為模擬地。VDD為電源正極，當采用分流電阻檢測電流時，接+2.5 V；當采用電流互感器時，接+5 V。VSS為電源負極，當使用分流電阻檢測電流時，接-2.5 V；當使用電流互感器時，接地。IVP為模擬電壓輸入端，當測量的電壓為額定電壓時，要保證流入到內部模數轉換器電流的有效值為14μA，峰值不超過+25μA。VREF為參考電源的外接電阻端，通常需要接對地24 kΩ電阻。FMO為電壓過零脈沖輸出端，在輸入電壓的上升沿產生占空比50％的脈沖。CS為片選信號輸入端，高電平有效。DI、DO為串行數據的輸入、輸出端。SCK為串行時鐘信號輸入端。OSC1、OSC2為外部晶體振蕩器的輸入、輸出端。
3 工作原理和SPI接口通信
3.1 SA9903B的工作原理
SA9903B為混合模擬／數字信號的CMOS集成電路，內部含有兩個16位二階的∑-△模／數轉換器，分別對電壓和電流模擬信號進行數字化處理，將瞬時電壓與瞬時電流直接相乘得到瞬時功率。瞬時功率經低通濾波處理可獲得瞬時有功功率，而瞬時無功功率是通過對電流信號移相90°后得到。瞬時有功功率和瞬時無功功率經過數字／頻率轉換器轉換成正比的脈沖信號。這個信號被有功電能和無功電能計數器隨時間累加。器件內部設有電壓過零檢測電路。電壓每過一次零點產生一個占空比為50％的脈沖，頻率寄存器將其累加。電壓有效值是通過累加每個瞬時電壓采樣值并進行數字處理后得到的，可直接測量電路的4個參數：有功電能、無功電能、電壓有效值和頻率值。
3.2 SPI接口通信
SA9903B具有SPI串行通信接口，易于實現與單片機的通信。SPI通信是通過DI、DO、CS和SCK等4個引腳實現的。為保證能正確讀取SA9903B的24位數據寄存器，要嚴格按照通信命令格式及時序的要求進行。讀取寄存器命令格式見表1，命令序列由9位二進制數組成，前導位是3位固定值“110”，不能更改，后6位A5～A0為寄存器的地址碼，表中“X”為0或1均可，未用位。圖2為9位數據的操作時序。每個寄存器可以單獨讀取，也可以連續讀取多個寄存器，DO引腳隨時鐘下降沿變為低電平，此后每個時鐘的下降沿，DO引腳數據有效。24位數據是以先高位后低位的順序移出。
為了與SA9903B的SPI通信對應。STC12C5410單片機選擇主模式作為主機工作，SA9903B作為從機工作。主機和從機的兩個移位寄存器可以看作是一個16位循環移位寄存器。當數據從主機移位傳送到從機的同時，數據以相反的方向移入。這意味著在一個移位周期中，主機和從機的數據相互交換。按照SA9903B的時序要求，STC12C5410配置為：控制位CPHA=1，前時鐘沿驅動，后時鐘沿采樣，CPOL=0，SPICLK空閑時為低電平，前時鐘沿為上升沿，后時鐘沿為下降沿。SPI時鐘速率選擇為CPU-CLK／32。
4 硬件電路設計
單相電能表的主電路如圖3所示，由電量計量器件SA9903B、輸入分流器、分壓電阻、光電隔離、單片機STC12C5410AD、鍵盤電路、顯示電路及通信RS485接口電路等組成。被測電壓和電流分別通過分壓和分流進入SA9903B的測量通道，內部兩路∑-△模／數轉換器，分別對電壓和電流模擬信號進行轉換，然后把累積的有功電能和無功電能存入兩個24位寄存器，同時把連續測量的電壓有效值及頻率值存入各自的24位寄存器。單片機與SA9903B通過4路光電隔離使SPI引腳對應連接，單片機設為主工作模式，完成SA9903B內部電參數的讀操作。單片機對電參數處理后，進行顯示，并響應遠程485命令實時發送讀取的電參數。通過鍵盤切換顯示和校準電能表采樣。電路設計中，為提高SPI通信的可靠性，應在時鐘CLK、DI、DO各線路上加100 pF的對地電容，濾除干擾毛刺。為保證采樣精度，SA9903B的引腳VDD和VSS對地各接一只820 nF的陶瓷電容，且應盡可能靠近SA9903B放置。
5 軟件設計
該電能表的軟件設計主要實現SPI數據讀取以及處理、參數的顯示、鍵盤的處理和485通信控制等功能。程序采用匯編語言編寫，程序流程圖如圖4所示。
6 結束語
該系統設計采用SA9903B，大大減少了外圍元件數目，提高了系統的測量精度。同時采用485總線傳輸實測數據，滿足遠程監控的需要。