基于SA9903B的单相电能表的设计

　　1 引言

　　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。

　　3 工作原理和SPI接口通信

　　3.1 SA9903B的工作原理

　　SA9903B为混合模拟/数字信号的CMOS集成电路，内部含有两个16位二阶的∑-△模/数转换器，分别对电压和电流模拟信号进行数字化处理，将瞬时电压与瞬时电流直接相乘得到瞬时功率。瞬时功率经低通滤波处理可获得瞬时有功功率，而瞬时无功功率是通过对电流信号移相90°后得到。瞬时有功功率和瞬时无功功率经过数字/频率转换器转换成正比的脉冲信号。这个信号被有功电能和无功电能计数器随时间累加。器件内部设有电压过零检测电路。电压每过一次零点产生一个占空比为50%的脉冲，频率寄存器将其累加。电压有效值是通过累加每个瞬时电压采样值并进行数字处理后得到的，可直接测量电路的4个参数：有功电能、无功电能、电压有效值和频率值。