三相多功能計量芯片RN7302：功能、應用與校表方法詳解

在電力計量領域，三相多功能計量芯片起著至關重要的作用。今天，我們就來深入了解一下深圳市銳能微科技有限公司推出的三相多功能計量芯片RN7302，探討它的特性、功能、寄存器配置以及校表方法等內容。

文件下載：RN7302.pdf

一、芯片特性

RN7302具有諸多出色的特性，使其在電力計量應用中表現(xiàn)卓越。

計量方面

• 高精度電能計量：能提供全波、基波有功電能，在5000:1動態(tài)范圍內，非線性誤差 <0.1%，滿足0.5S和0.2S級有功電能表精度要求；同時提供全波、基波無功電能，同樣在5000:1動態(tài)范圍內，非線性誤差 <0.1%。還能提供全波、基波RMS、PQS視在電能，以及有功、無功功率方向，支持無功四象限判斷。
• 靈活的啟動與計數(shù)功能：具有潛動啟動功能，啟動閾值可調，電表常數(shù)也可調。并且提供有功、無功、視在的快速脈沖計數(shù)，以及3路全波、基波，有功、無功和視在脈沖輸出。

測量方面

• 多參數(shù)高精度測量：能提供全波、基波和諧波三相電壓電流有效值，在2000:1動態(tài)范圍內，測量誤差<0.2%；提供全波、基波有功、無功、RMS和PQS視在功率，在2000:1動態(tài)范圍內，測量誤差 <0.1%；提供全波、基波功率因數(shù)，測量誤差<0.2%；提供電壓線頻率，測量誤差<0.02%；提供6路相角，測量誤差<0.02°；提供7路ADC瞬時采樣數(shù)據(jù)，典型應用下采樣率8Khz；提供靈活地ADC同步采樣數(shù)據(jù)緩存768x24bit，64或128點每周波，便于諧波分析。
• 電能質量監(jiān)測：提供電壓矢量和有效值，2種電流矢量和有效值；提供7路過零檢測，過零閾值可設置；提供電壓相序錯檢測，提供失壓指示，失壓閾值可設置，提供電壓暫降檢測；提供過壓、過流檢測；提供諧波、三相不平衡度、閃變和電壓波動、電壓驟升驟降、電壓中斷等電能質量參數(shù)軟件庫。

軟件校表方面

• 全面的校正功能：提供7路ADC通道增益校正，7路ADC通道相位校正，其中A、B、C三路電流通道支持分段相位校正；提供功率增益校正，有功、無功功率分段相位校正；提供有功、無功、有效值Offset校正，直流offset自動校正功能；提供校驗和寄存器，對校表數(shù)據(jù)自動校驗。

其他特性

• 電源與接口：單+3.3V電源供電，具有電源監(jiān)控功能；內置1.25V±1% ADC基準電壓，溫度系數(shù)典型值5ppm/℃，最大15ppm/℃；具有高速SPI接口，傳輸速率可達3.5Mbps，提供寫保護功能；具有一個中斷輸出引腳。
• 工作范圍：工作電壓范圍為3.0V - 3.6V，工作溫度范圍為 -40℃ - 85℃，采用LQFP32綠色封裝。

二、系統(tǒng)功能

電源監(jiān)測

RN7302內置模擬3.3V電源監(jiān)測電路，連續(xù)對AVCC引腳電壓進行監(jiān)控。室溫下，當電源電壓低于2.70V芯片被全局復位，當電源電壓高于2.82V芯片正常工作。

工作模式

芯片具有睡眠模式（SLM）和計量模式（EMM）兩種工作模式。上電默認狀態(tài)為睡眠模式，計量模式用于各電力參數(shù)的測量和計量功能。不同模式下芯片功耗不同，室溫下，AVCC = DVCC = 3.3V時，計量模式功耗IEMM典型值為5mA（fosc = 8.192MHz），睡眠模式功耗ISLM典型值為2μA。工作模式切換通過SPI命令進行，系統(tǒng)狀態(tài)寄存器SYSSR（0x8A）的WMS[1:0]寄存器位表示RN7302當前工作模式。

系統(tǒng)復位

RN7302支持上下電復位、外部引腳復位、軟件復位和喚醒復位。上下電復位為全局復位，其他幾種復位方式為局部復位。復位完成后，系統(tǒng)狀態(tài)寄存器SYSR（B1 0x8A）中的復位標志位會發(fā)生變化。

計量模式

采樣通道

RN7302采樣通道包括七路ADC及其采樣數(shù)據(jù)處理電路。其中三路用于相線電流采樣，一路用于零線電流采樣，三路用于電壓采樣。ADC采用全差分方式輸入，電流、電壓通道最大差分信號輸入幅度為峰值800mVp。通過配置ADCCFG寄存器（B1 0x83），可以分別對七路ADC配置PGA放大倍數(shù)1/2/4/8倍，可選ADC基準電壓來自內置基準電壓還是外部基準電壓。還可通過配置PHS寄存器（B1 0x0C - 0x12）進行七路ADC的通道相位校正，通過配置GS寄存器（B1 0x13 - 0x19）進行七路ADC的通道增益校正，通過配置EMUCFG寄存器（B1 0x61）中的HPFOFF [6:0]寄存器位配置七路采樣通道的高通使能和關閉，通過配置AUTODC_EN寄存器（B1 0x91）自動計算DC_OS寄存器（B1 0x1A - 0x20）值進行七路ADC的直流OFFSET校正。七路ADC實時采樣數(shù)據(jù)輸出到波形采樣寄存器（B0 0x00 - 0x06）中。

采樣波形緩存

七路24bits ADC采樣數(shù)據(jù)可存放至內置的波形存儲單元中，供用戶進行FFT分析。緩存區(qū)共768個地址單元，最大能存儲六路ADC UA、UB、UC、IA或IN、IB、IC一個周波128點的數(shù)據(jù)。芯片提供固定采樣率模式和同步采樣模式，由SWAVECFG寄存器位（WSAVECON.7 B1 0x63.7）配置。各通道ADC數(shù)據(jù)是否寫入緩存以及在緩存區(qū)排列方式、各通道緩存區(qū)大小、啟停緩存以及啟動緩存動作后緩存的狀態(tài)，均由采樣數(shù)據(jù)寫緩存控制寄存器WSAVECON（B1 0x63）控制。用戶可通過SPI讀緩存區(qū)數(shù)據(jù)，當一次SPI讀波形緩存結束時，最后一次讀數(shù)據(jù)緩存的地址存放在波形緩存地址寄存器LRBufAddr（B1 0x8E）中。波形緩存在SLM模式下無效，在EMM下，上電復位或喚醒復位后波形緩存RAM值不定，寫緩存或清零命令后寫入值，軟件復位和硬件管腳復位，波形緩存RAM值不變。

功率計算

• 有功功率：分相有功功率Px（x = A, B, C）可通過寄存器進行有功功率增益校正、相位校正和Offset校正。合相有功平均功率寄存器PT（B0 0x17）為各分相平均有功功率代數(shù)和，可由三相四線和三相三線模式選擇寄存器MODSEL（B1 0x86）配置為三相四線算法和三相三線算法?；ㄓ泄β视幸惶缀腿▽挠泄β蕝?shù)、校正寄存器，MODSEL寄存器和全波共用。分相和合相有功功率方向由功率方向寄存器PQSign（0x66）提供。
• 無功功率：RN7302具有全波、基波的分相無功功率以及合相無功功率，并具有分相以及合相無功功率符號位用以進行四象限判斷，此外還具有無功功率增益校正、相位校正和Offset校正寄存器。合相無功功率可通過MODSEL寄存器配置為三相四線和三相三線模式。
• 視在功率：提供全波、基波的分相視在功率以及分相視在功率增益校正寄存器，提供RMS合相視在功率以及PQS合相視在功率。分相視在功率采用RMS法，合相視在功率可通過MODSEL寄存器配置為三相四線和三相三線模式。

能量輸出

RN7302具有三種能量輸出方式：電能寄存器、CF電能脈沖輸出與快速脈沖計數(shù)Fcnt。

• 電能寄存器：具有多種類型的能量寄存器，包括全波/基波、有功/無功/視在、分相/合相、正向/反向電能寄存器。
• 電能脈沖輸出：合相脈沖輸出可直接接到標準電能表進行誤差比對。RN7302具有3個CF引腳，每個CF引腳都可通過配置CFCFG寄存器（0x60）靈活配置為全波有功合相、全波無功、全波RMS視在、全波PQS視在、基波有功、基波無功、基波RMS視在、基波PQS視在中任一種合相脈沖輸出。缺省情況下，CF1為全波有功合相電能脈沖輸出，CF2為全波無功合相電能脈沖輸出，CF3為全波視在合相電能脈沖輸出。每個CF引腳均以HFCONST1為高頻脈沖常數(shù)輸出脈沖，也可配置為以HFCONST2為高頻脈沖常數(shù)輸出脈沖。在校表過程中，可通過配置計量控制寄存器EMUCON（B1 0x60）配置哪些相參與合相運算實現(xiàn)分相脈沖輸出。
• 快速脈沖計數(shù)寄存器：包括全波/基波、有功/無功/視在、分相/合相快速脈沖計數(shù)寄存器。

其他參數(shù)測量

• 有效值：包括全波電壓電流有效值、基波電壓電流有效值、諧波電壓電流有效值以及電壓矢量和有效值、電流矢量和有效值。有效值數(shù)據(jù)更新周期均為250ms。
• 啟動潛動設置：以電流有效值做全波有功、無功和視在以及基波有功、無功和視在潛動和啟動的判據(jù)。對于全波有功、無功和視在潛動和啟動功能，提供基于全波電流有效值和基于基波電流有效值的判據(jù)選擇；對于基波有功、無功和視在潛動和啟動功能，提供基于基波電流有效值的判據(jù)。提供兩個啟動電流閾值寄存器，全波、基波有功以及視在共用一個啟動電流閾值寄存器IStart_PS（B1 0x02），全波、基波無功共用一個啟動電流閾值寄存器IStart_Q（B1 0x03）。提供潛動啟動判斷結果寄存器Noload（B1 0x67）表示各分相全波有功視在/全波無功/基波有功視在/基波無功/基波視在潛動狀態(tài)。
• 功率因數(shù)：功率因數(shù)寄存器包括全波分相、合相功率因數(shù)PfA/PfB/PfC/PfTA/ PfTV，基波分相、合相功率因數(shù)FPfA/FPfB/FPfC/ FPfTA/ FPfTV。
• 相角：具有七路電壓電流間的相角測量功能，七路相角寄存器YUA、YUB、YUC、YIA、YIB、YIC 、YIN。額定輸入時（Un = 220 mV、Ib = 50 mV），相角測量誤差小于0.02°。
• 電壓線頻率：具有電壓線頻率測量功能，電壓線頻率寄存器UFeq（B0 0x57）分辨率達0.0001Hz，測量準確度達0.02%。
• 過零檢測：具有七路基波電壓和電流波形正向過零功能，提供電壓電流過零閾值寄存器ZXOT（B1 0x05），若該路電壓電流有效值
• 失壓檢測：提供失壓閾值寄存器LostVoltage（0x04）和各相的失壓狀態(tài)標志位LostVoltSA、LostVoltSB、LostVoltSC（B1 0x69.0 - 2）用于失壓檢測。
• 電壓相序檢測：具有電壓相序錯檢測功能，電壓相序錯標志位UPhSqErr（B1 0x69.3）表示檢測結果。
• 電壓暫降檢測：具有三相輸入電壓UA、UB、UC電壓暫降檢測功能。某相電壓暫降將導致PHASES寄存器（B1 0x69）中該相SAGUx（x = A, B, C）寄存器位置1，同時EMMIF寄存器（B1 0x64）中的SAGIF寄存器位置1。若EMMIE（B1 0x65）寄存器中的SAGIE = 1，SAGIF置1會導致INT中斷。
• 過壓過流檢測：具有三相輸入電壓電流的過壓過流判斷功能。某相電壓過壓或電流過流將導致PHASES寄存器（B1 0x69）中該相OVUx或OVIx（x = A, B, C）寄存器位置1，同時EMMIF寄存器中的OVIIF寄存器位置1。若EMMIE寄存器中的OVIIE = 1，OVIIF置1會導致中斷。

睡眠模式

睡眠模式SLM下僅SPI和AVCC電源監(jiān)測工作，用戶可通過SPI讀寫系統(tǒng)配置與狀態(tài)寄存器。上電復位后，系統(tǒng)處于SLM。在寫使能條件下，向工作模式切換寄存器（0x81）寫入GOEMM命令后，芯片自動切換到EMM；在寫使能條件下，向工作模式切換寄存器（0x81）寫入GOSLM命令，芯片自動切換到SLM。

中斷

RN7302在EMM模式下具有多種中斷，如過壓過流中斷、電壓暫降中斷、電流分段3分段狀態(tài)變化中斷、CF脈沖輸出中斷、IN正向過零中斷、IC正向過零中斷、IB正向過零中斷、IA正向過零中斷、UC正向過零中斷、UB正向過零中斷、UA正向過零中斷、波形采樣中斷等。中斷和工作模式相關，EMM下的中斷在SLM下不起作用。IF既是狀態(tài)寄存器也是中斷標志寄存器，IF不受IE中斷允許的控制。

三、寄存器

參數(shù)寄存器

參數(shù)寄存器分為全波計量參數(shù)寄存器和基波諧波計量參數(shù)寄存器，涵蓋了電壓采樣數(shù)據(jù)、有效值、功率、功率因數(shù)、快速脈沖計數(shù)、電能等多種參數(shù)。這些寄存器為電力參數(shù)的測量和計量提供了數(shù)據(jù)支持。

配置和狀態(tài)寄存器

配置和狀態(tài)寄存器用于配置芯片的各種功能和反映芯片的工作狀態(tài)。包括高頻脈沖常數(shù)寄存器、啟動電流閾值寄存器、失壓閾值寄存器、過零閾值寄存器、相位補償區(qū)域設置寄存器、電流分段區(qū)域設置寄存器、通道相位校正寄存器、通道增益寄存器、通道直流OFFSET校正寄存器、有效值OFFSET校正寄存器、功率增益寄存器、功率相位校正寄存器、功率OFFSET校正寄存器、電壓暫降閾值寄存器、過壓過流閾值寄存器、CF引腳配置寄存器、計量單元配置寄存器、計量控制寄存器、采樣數(shù)據(jù)寫緩存控制寄存器、EMMIE?IF寄存器、功率方向寄存器、潛動狀態(tài)標志寄存器、電流分段狀態(tài)寄存器、相電壓電流狀態(tài)寄存器、校驗和寄存器1、寫使能寄存器、工作模式切換寄存器、軟件復位寄存器、ADC配置寄存器、三相四線和三相三線模式選擇寄存器、系統(tǒng)狀態(tài)寄存器、SPI讀校驗寄存器、SPI寫校驗寄存器、波形緩存地址寄存器、直流OFFSET自動校正使能寄存器、IN波形緩存使能寄存器等。

四、校表方法

概述

RN7302提供了豐富的校正手段實現(xiàn)軟件校表，既支持功率校表法，也支持傳統(tǒng)的脈沖校表法。經(jīng)過校正的儀表，有功和無功精度均可達0.2S級。校正手段包括電表常數(shù)通過HFConst寄存器可調、ADC采樣通道增益校正、ADC采樣通道相位校正（其中三路電流通道支持分段相位校正）、有功、無功、視在功率增益校正、有功、無功功率相位校正（支持分段相位校正）、有功、無功功率和有效值的Offset校正以及校表數(shù)據(jù)自動校驗功能。

功率校表法

校表流程

1. 計算額定輸入時標準的U、I寄存器值，計算PF = 1.0和PF = 0.5 L時，標準有功功率值，并根據(jù)電表常數(shù)計算芯片的HFConst。
2. 按圖搭好校表環(huán)境并進行參數(shù)設置，如配置好芯片的ADC PGA增益、HFConst、閾值寄存器等。
3. 標準源額定輸出，讀出A相實際電壓、電流有效值，并計算與理論值的誤差，再根據(jù)此誤差計算出A相電壓、電流通道增益寄存器的值，填入并比對校正結果，完成A相U、I通道增益校正。
4. 標準源PF = 0.5 L，額定輸出，讀出A相有功功率并計算與理論值的誤差，再根據(jù)此誤差計算出通道相位寄存器或功率相位寄存器的值，填入并比對校正結果，完成A相通道相位校正。
5. 標準源電流空載，讀空載有效值、功率值，再根據(jù)空載值計算相應的OFFSET值填入相應的OFFSET寄存器的值，完成A相OFFSET校正（該項可選）。
6. 相同的方法完成其他相的增益、相位、OFFSET校正。
7. 校表結束。

標準電壓電流和有功功率值計算

• 計算和選擇標準的電壓有效值寄存器值，要滿足一定條件，既方便MCU轉換成LCD顯示值，又在通道增益校正的合理范圍內。
• 用同樣的原則計算電流額定輸入時，標準的電流有效值寄存器值。
• 計算PF = 1.0和PF = 0.5 L時，標準的有功功率寄存器值。

HFConst計算

根據(jù)PF = 1.0，標準的有功功率值P、電表常數(shù)EC等參數(shù)按下式計算理論HFConst值：HFConst = INT[P 3.6 10^6 *