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引言
隨著電力事業(yè)及科學技術(shù)的高速發(fā)展，機械式電能表逐漸被電子式電能表取代。與傳統(tǒng)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(shù)全，易于電源管理和電力運行過程的遠程監(jiān)控。
SA9903B為混合模擬／數(shù)字信號的CMOS集成電路，內(nèi)部含有兩個16位二階的∑-△模／數(shù)轉(zhuǎn)換器，分別對電壓和電流模擬信號進行數(shù)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(jīng)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(jīng)過數(shù)字／頻率轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)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(shù)器隨時間累加。器件內(nèi)部設(shè)有電壓過零檢測電路。電壓每過一次零點產(chǎn)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(shù)字處理后得到的，可直接測量電路的4個參數(shù)：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(xiàn)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(xiàn)的。為保證能正確讀取SA9903B的24位數(shù)據(jù)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(shù)組成，前導(dǎo)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(shù)據(jù)的操作時序。每個寄存器可以單獨讀取，也可以連續(xù)讀取多個寄存器，DO引腳隨時鐘下降沿變?yōu)榈碗娖�，此后每個時鐘的下降沿，DO引腳數(shù)據(jù)有效。24位數(shù)據(jù)是以先高位后低位的順序移出。
為了與SA9903B的SPI通信對應(yīng)。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(huán)移位寄存器。當數(shù)據(jù)從主機移位傳送到從機的同時，數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(qū)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(shè)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(nèi)部兩路∑-△模／數(shù)轉(zhuǎn)換器，分別對電壓和電流模擬信號進行轉(zhuǎn)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(xù)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(yīng)連接，單片機設(shè)為主工作模式，完成SA9903B內(nèi)部電參數(shù)的讀操作。單片機對電參數(shù)處理后，進行顯示，并響應(yīng)遠程485命令實時發(fā)送讀取的電參數(shù)。通過鍵盤切換顯示和校準電能表采樣。電路設(shè)計中，為提高SPI通信的可靠性，應(yīng)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(yīng)盡可能靠近SA9903B放置。
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