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引言 SA9904B芯片是Sames公司推出的三相功率/電量測量專用集成電路芯片（ASIC），可直接測量單相、雙相和三要輸電線路的有功電能、無功電能、電壓有效值和頻率值。該芯片具有SPI接口，外部微處理器可通過此接口讀取原始值，再根據相應的計算公式進行計算，最后得到各項電力參數的測量值。 此芯片的功能包括： 實時測量三相有功/無功能量； 電壓有效值和頻率的測量； 片內集成基準參考電壓源； 具有SPI（串行外圍接口）總線接口； 芯片功耗低于60mW，具有靜電保護功能，工作溫度范圍寬。 1 SA9904B內部結構及工作原理 SA9904B為混合模擬/數字信號的CMOS集成電路，其內部結構如圖1所示。 
內部兩個16位二階的∑-Δ模/數轉換器，分別對電壓和電流模擬信號進行數字化處理，得到的瞬時電壓與瞬時電流直接相乘得到瞬時功率。瞬時功率進行低通濾波處理得到瞬時有功功率，而瞬時無功功率通過對電流信號進行移相90°處理后得到。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著時間進行累加。芯片內部設有電壓過零檢測電路，電壓每過零點產生一個寬度是1ms的脈沖，被頻率寄存器累加起來。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。 該芯片直接測量每相電路的四個參數：有功電能、無功電能、電壓有效值和頻率值。其余電力參數，如電流、功率等，需要通過微控制器根據相應的公式計算才能得到。 為了提高輸入信號的測量精度，SA9904B的模數轉換器采用了∑-Δ調制技術，以提高其在基帶內輸入信號的信噪比。 2 SA9904B引腳及功能 SA9904B的引腳如圖2所示。
GND為模擬地。 VDD為電源的正極。當使用分流電阻檢測電流時，接+2.5V電壓；當使用電流互感器時，接+5V電壓。 VSS為電源負極。當使用分流電阻檢測電流時，接-2.5V電壓；當使用電流互感器時，接0V電壓。 IVP1、IVP2、IVP3分別是1、2、3相的模擬電壓輸入端。當測量的電壓為額定電壓時，要保證輸入到內部A/D轉換器的電流有效值為 14μA，需要通過一個分壓電阻網來滿足這一要求。 IIP1、IIN1、IIP2、IIN2、IIP3、IIN3分別是1、2、3相的模擬電流輸入端。當測量的電流為額定電流時，要保證輸入到芯片上的A/D轉換器的電流有效值為16μA，需要通過一個分流電阻網來滿足這一要求。 VREF為參考電源的外接電阻端，通常需要接47kΩ電阻到地。 F50為電壓過零脈沖輸出端，輸出的脈沖頻率為交流電壓的頻率，脈沖寬度為1ms。 CS為芯片的片選信號輸入端，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為外部晶振的輸入、輸出端。 3 SA9904B的SPI接口 微控制器通過SPI端口實現對SA9904B內部數據的訪問。SPI接口由四根信號線組成：串行時鐘輸出端SCK、片選信號輸入端SC、串行數據輸入端DI、串行數據輸出端DO，時序如圖3所示。
當CS為高電平時，DI引腳在SCK時鐘的上升沿輸入9位地址信號。其中高三位為寫入地址的標志位；A5、A4為保留位，可選0或1；有效地址為低4位。在SCK的上升沿檢測到地址的最低有效位A0輸出后，DO引腳在SCK的下降沿輸出相應寄存器地址里的24位數據，高位在前，低位在后。當24 位數據輸出后，如果CS信號仍然有效，則DO引腳將繼續輸出下一個地址的寄存器數據，直到所有的數據輸出為止。 4 SA9904B在電力參數遠程監測系統中的應用 電力參數遠程監測系統的硬件組成結構如圖4所示。待測的三相四線線路各相電壓、電流經過電壓分壓網絡和電流互感器，轉化成符合SA9904B芯片要求的輸入信號，再經過芯片內部對電壓和電流進行A/D轉換、數字運算和能量累加，從而得到各相的有功電能、無功電能、電壓有效值和頻率值的原始寄存器值。這些值通過SPI接口傳送到微控制器。 本系統選用高性價比的微控制器W78E58，完成各種電力參數的計算、通信命令處理和控制功能。W78E58內部集成了32KB的ROM，程序存儲穴是滿足系統的需求，因而不需要外部擴展ROM。片外擴展了128KB的RAM，用以存放電壓參數值，并有掉電保護電路，以保證數據在掉電時不會丟失。 DS12B887能夠提供實時時間，以便進行時間及時段判斷，從而執行相應的電能累計程序。CPLD（復雜可編程邏輯器件）EPM7032的內部設計了讀取8路遙信量輸入、執行4路遙控量輸出以及產生各芯片片選信號的邏輯選信號有：DS12B887片選信號、SA9904B片選信號、 X25045片選信號、628128RAM片選信號、DI選通信號和DO選通信號等。 2片74LS164芯片驅動16路發光二極管（LED）。這些發光二極管用于指示數字量輸入/輸出狀態、通信狀態、電源狀態、自檢/錯誤狀態等。芯片X25045作為看門狗設置，加強系統的抗干擾性能。另外，該芯片還存儲了模擬的地址號。 系統的通信有兩種方式可以選擇：一種是通過RS485總線通信，芯片75LBC184實現TTL與RS485之間的電平轉換；另一種是通過 LonWorks總線通信，LonWorks主控制模塊的Neuron芯片采用RS232半雙工異步串行通信模式，采用網絡變量和網絡消息的方式進行數據交換。 微控制器W78E58采用主從方式傳輸數據，由監控主機或其它的智能節點（主）發送命令；本模塊（從）做出相應的應答，在協議幀中加入CRC- 16校驗碼，以保證通信數據的正確性。 5 系統軟件 電力參數遠程測控系統的軟件包括系統初始化、時間讀取與時段判斷程序、電力參數計算、通信命令處理、產生各種歷史及報警記錄、顯示狀態等模塊。軟件流程如圖5所示。
其中電力參數計算模塊將完成電力參數濾波、電力參數計算以及電能累加功能。系統實時讀取SA9904B芯片內部存儲的各相有功電能、無功電能、電壓有效值和頻率原始值。經過濾波處理，獲得正確的電力參數，并通過計算公式完成三相電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數、頻率等測量。 結語 該系統中采用SA9904B芯片，大大減少了軟件中的計算工作，提高了系統的測量精度。同時采用LonWorks總線傳輸實測數據，也有效地提高了系統的抗干擾能力及穩定性。 參考文獻 1. Sames公司 SA9904B 2. 何立民 單片機高級教程 2000 3. 楊育紅 LON 網絡控制技術及應用 1999 4. 黃益莊 變電站綜合自動化技術 1999 5. 劉健 配電自動化系統 1999 作 者：廣東歐宇信息控制計劃有限公司 熊勇 廣東工業大學 李桂樺 陳星擴 來 源：單片機與嵌入式系統應用 2003（12） |
