基于CS5463的遠(yuǎn)程多功能電表的設(shè)計(jì)

李永明，郎 朗，陳躍東

（安徽工程大學(xué)安徽省電氣傳動(dòng)與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 蕪湖241000）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，各行各業(yè)對(duì)電力的需求越來(lái)越大。大力發(fā)展智能電網(wǎng)，加強(qiáng)電力需求管理和綜合電力資源管理，是電力供應(yīng)發(fā)展的方向。智能電力儀表作為智能電網(wǎng)的基礎(chǔ)配備之一將隨用戶端配電智能化和節(jié)能政策的推進(jìn)，市場(chǎng)需求量會(huì)逐步擴(kuò)大[1]。因此研究一種既可用于對(duì)電壓、電流、電能等重要的電力參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，同時(shí)又具有無(wú)線通信功能的多功能電表具有非常重要的意義。

本文研究的網(wǎng)絡(luò)型多功能電表，集測(cè)量、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存及處理、通訊于一體，完成三相電流、電壓、有功功率、無(wú)功功率、視在功率、功率因數(shù)、能量、頻率等參數(shù)的測(cè)量、顯示、記錄以及電流、電壓超限告警等，并利用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)，將各用戶的綜合信息傳至管理中心，從而實(shí)現(xiàn)電力參數(shù)的實(shí)時(shí)采集監(jiān)控。

1 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)型多功能電表由數(shù)據(jù)采集、微處理器控制、遠(yuǎn)程通訊3部分組成。因此電表整體電路結(jié)構(gòu)有計(jì)量單元、處理單元、存儲(chǔ)及顯示模塊、通訊模塊、電源等組成。電表結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 網(wǎng)絡(luò)型多功能智能電表結(jié)構(gòu)框圖

1.1 數(shù)據(jù)采集電路研究與設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集采用交流采樣方法，將電網(wǎng)電壓電流經(jīng)過(guò)電壓分壓電路和電流互感器等采樣電路轉(zhuǎn)化成較小的交流信號(hào)，輸入到專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的電量測(cè)量集成芯片的電壓電流通道，進(jìn)行數(shù)字化處理并計(jì)算后測(cè)得電網(wǎng)電壓、電流、功率等數(shù)據(jù)[2]。采用這種方法的硬件電路簡(jiǎn)單、成本低。

在電力測(cè)量中，對(duì)于周期為T(mén)的信號(hào)，在一個(gè)周期內(nèi)以有限等間隔采集到的電壓、電流瞬時(shí)值來(lái)代替連續(xù)周期的電壓、電流函數(shù)值。

對(duì)于交流信號(hào)，其電壓／電流有效值為：

式中：uk——第k個(gè)電壓采樣瞬時(shí)值；

ik—— 第k個(gè)電流采樣瞬時(shí)值；k＝1，2，…，n。

式中N是被測(cè)電網(wǎng)信號(hào)每個(gè)周期里的采樣點(diǎn)數(shù)，采樣點(diǎn)N越大，采樣精度越高，但是N過(guò)大又會(huì)影響采樣速度，因此，應(yīng)根據(jù)實(shí)際需求選擇合適的采樣點(diǎn)數(shù)。

數(shù)據(jù)采集采用美國(guó)Cirrus Logic公司的CS5463計(jì)量集成電路芯片。這種芯片集成了數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，支持硬件和軟件2種校表方式，不僅計(jì)量精確度高，而且硬件軟件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、性價(jià)比高。

CS5463包含2個(gè)?！獢?shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、功率計(jì)算功能、電能到頻率轉(zhuǎn)換器和一個(gè)雙向通訊串行接口。它可以精確測(cè)量和計(jì)算有功電能、無(wú)功電能、瞬時(shí)功率、IRMS和VRMS。芯片有高速電能計(jì)算引擎和電能—脈沖轉(zhuǎn)換功能，CS5463的E1、E2、E3即是能量輸出口、輸出頻率和能量成正比關(guān)系的脈沖，低電平有效。E1、E2、E3分別對(duì)應(yīng)有功功率、視在功率和無(wú)功功率[1]。

為了保證精度，本設(shè)計(jì)中電壓／電流采樣電路由精度較高的電壓／電流互感器和精密電阻及濾波電容組成。電網(wǎng)電壓／電流信號(hào)經(jīng)過(guò)電壓／電流互感器（變比根據(jù)測(cè)量要求設(shè)定）、電阻、電容等采樣電路得到小電壓信號(hào)輸入到CS5463的電壓VIN±和電流通道IIN±。電壓信號(hào)經(jīng)10倍增益放大器放大，再通過(guò)二階調(diào)制器數(shù)字化。電流信號(hào)為適應(yīng)不同電平的輸入電壓，電流通道集成有增益可編程放大器（PGA），使輸入電平滿量程可選擇為±250mVrms或±50mVrms，再通過(guò)四階Δ－∑調(diào)制器來(lái)數(shù)字化[2]。本設(shè)計(jì)取PGA為10，使電壓、電流電平滿量程均為±250mVrms。為了滿足電流、電壓采樣通道的輸入信號(hào)范圍，在電流互感器二次側(cè)加一采樣電阻R3，將其輸出電流轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)；在電壓互感器二次側(cè)串入電阻R1，與采樣電阻R2形成電阻分壓網(wǎng)絡(luò)。

CS5463A的XIN、XOUT外接晶振為系統(tǒng)提供時(shí)鐘；SCLK為串行通信的時(shí)鐘信號(hào)；SDI＼SDO為串行通信的輸入／輸出；PFMON為電源掉電監(jiān)測(cè)[3]。采樣電路見(jiàn)圖2。在圖2中，C1～C6是高頻干擾信號(hào)的濾波電容，兩通道電容大小應(yīng)一致，避免電流、電壓兩通道產(chǎn)生附加的相位差[4]。

1.2 CS5463與單片機(jī)的接口設(shè)計(jì)

在硬件電路設(shè)計(jì)中，主控器采用單片機(jī)AT89S52。CS5463與單片機(jī)AT89S52是通過(guò)一個(gè)SPI口進(jìn)行通信。標(biāo)準(zhǔn)的SPI接口包括2條控制線和2條數(shù)據(jù)線CS、SDI、SDO和SCLK。其中CS為片選信號(hào)，低電平有效[4]，是允許訪問(wèn)串口的控制線；SDI和SDO是串行輸入／輸出線。CS5463將處理并計(jì)算測(cè)得到的電網(wǎng)電壓、電流、功率等數(shù)據(jù)通過(guò)SDI和SDO傳輸?shù)轿⑻幚砥鰽T89S52進(jìn)行總功率和電量的計(jì)算、監(jiān)控與記錄等處理；SCLK為串行時(shí)鐘，控制數(shù)據(jù)輸入／輸出AD轉(zhuǎn)換器的傳輸率。在SCLK的電平轉(zhuǎn)換能被端口識(shí)別之前，CS必須被置為邏輯0[3]，單片機(jī)與CS5463之間采用光耦隔離。接口電路見(jiàn)圖3。

圖2 采樣電路

圖3 CS5463與單片機(jī)接口電路

1.3 GPRS網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計(jì)及模塊選擇

本設(shè)計(jì)將GPRS無(wú)線通訊模塊加入到多功能電表中，實(shí)現(xiàn)電力數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能。GPRS采用分組交換技術(shù)，按流量計(jì)費(fèi)，僅在傳送和接受數(shù)據(jù)時(shí)才占用無(wú)線資源。對(duì)于間斷的、突發(fā)性且頻繁的，特別是點(diǎn)多分散、中小流量數(shù)據(jù)傳輸比較適合[5]。儀表通過(guò)GPRS方式向中心站發(fā)送電表所能輸出的各類(lèi)數(shù)據(jù)，并由中心站進(jìn)行分析、處理，實(shí)現(xiàn)無(wú)線抄表功能。由于GPRS通訊還可以實(shí)現(xiàn)電力參數(shù)的實(shí)時(shí)在線，所以當(dāng)線路出現(xiàn)異常時(shí)可以及時(shí)報(bào)警，便于管理人員及時(shí)處理，降低損失。

系統(tǒng)采用Sony Ericsson公司的GR47無(wú)線模塊實(shí)現(xiàn)GPRS的無(wú)線數(shù)據(jù)傳送功能。該模塊具有GSM／GPRS語(yǔ)音、短信等功能，內(nèi)嵌TCP／IP協(xié)議棧。GR47模塊有控制模塊和數(shù)據(jù)傳輸單元2部分，控制模塊用于對(duì)電表數(shù)據(jù)采集流程的控制和對(duì)數(shù)據(jù)或命令的分析處理。數(shù)據(jù)傳輸單元用于對(duì)數(shù)據(jù)、命令的無(wú)線傳輸[6]。

微處理器與GPRS模塊一般采用串行異步通信接口，通信速度可設(shè)定，通常為9 600bps。采用RS232電纜方式進(jìn)行連接時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃暂^好。微處理器通過(guò)電平轉(zhuǎn)換電路與GPRS模塊連接。本設(shè)計(jì)采用芯片MAX232用于串行通信接口與232通信接口之間的電平轉(zhuǎn)換。因?yàn)殡娏ο到y(tǒng)中干擾比較厲害，所以在設(shè)計(jì)時(shí)MAX232的電容值稍微大些，采用10uf。電路原理圖如圖4所示。

圖4 微處理器與GPRS模塊連接的電路原理圖

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

微控制器是整個(gè)智能儀器的控制核心。它主要完成系統(tǒng)的輸入／輸出人機(jī)接口控制，數(shù)字信號(hào)的控制，以及接入GPRS的數(shù)據(jù)傳輸控制，并負(fù)責(zé)系統(tǒng)中各系統(tǒng)電路的協(xié)調(diào)和管理，數(shù)據(jù)的再處理，軟／硬件的協(xié)調(diào)等。CS5463是單相計(jì)量芯片，因此三相的各種參數(shù)以及電能等只能通過(guò)控制器的程序計(jì)算實(shí)現(xiàn)?？刂破鞫〞r(shí)接收由計(jì)量芯片傳送來(lái)的數(shù)字信號(hào)，對(duì)它們進(jìn)行分析和計(jì)算，并將這些數(shù)據(jù)存入非易失存儲(chǔ)器中，以供顯示和查詢。同時(shí)，微控制器檢測(cè)電源電壓報(bào)警信號(hào)，如發(fā)現(xiàn)測(cè)量參數(shù)超限，立即進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)，將運(yùn)行數(shù)據(jù)存入存儲(chǔ)器，由微處理器中的程序決定它將哪些參數(shù)經(jīng)過(guò)處理后送到存儲(chǔ)器中儲(chǔ)存，最后將結(jié)果保存并傳送給管理中心。并送到顯示部分進(jìn)行顯示。在系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中，程序采用模塊化結(jié)構(gòu)。主程序框圖如圖5所示。

圖5 主程序流程圖

網(wǎng)絡(luò)型多功能電表在現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)采集和處理完后，移動(dòng)模塊可通過(guò)指令來(lái)完成與微處理器之間的數(shù)據(jù)通訊以及與電力監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收，進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。

監(jiān)控中心的服務(wù)器首先申請(qǐng)獲得一個(gè)固定的IP地址，并且以此IP地址接入Internet。多功能電表GPRS通訊模塊是以浮動(dòng)IP地址的方式連接到Internet的，其IP地址每次連接時(shí)都不一樣[7]。首先，服務(wù)器向模塊發(fā)送帶有IP地址的短消息，然后等待模塊端與服務(wù)器的連接。一旦連接成功，即可以向模塊端發(fā)送查詢實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，讀取定時(shí)抄讀文件以及遠(yuǎn)程I／O控制等命令。然后，對(duì)接收到的電力數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)分析、存儲(chǔ)和管理。

作為用戶端的電表，多數(shù)情況下GPRS通訊模塊處于節(jié)能模式狀態(tài)，只有在遠(yuǎn)程抄表和本地異常喚醒時(shí)才工作。當(dāng)接到服務(wù)器端的IP短消息，從中提取出IP地址，然后向服務(wù)器端發(fā)起連接。一旦連接成功，模塊開(kāi)始等待服務(wù)器端發(fā)送來(lái)的相應(yīng)命令開(kāi)始上傳數(shù)據(jù)，其工作流程如圖6所示。

3 提高電力參數(shù)計(jì)量精度的策略

作為電力測(cè)試儀表，尤其要計(jì)量電能的儀表，在結(jié)算用電量時(shí)其儀表是否精準(zhǔn)，關(guān)系到電力系統(tǒng)和客戶的經(jīng)濟(jì)利益。所以，智能電表在設(shè)計(jì)過(guò)程中要充分考慮電表的精度要求。針對(duì)計(jì)量準(zhǔn)確度問(wèn)題，本設(shè)計(jì)通過(guò)以下幾個(gè)方面解決：

圖6 通信流程圖

（1）在硬件設(shè)計(jì)過(guò)程中，盡可能地減小干擾源，抑制干擾：采取隔離、抑制共模干擾等切斷干擾傳播路徑，提高敏感器件的抗干擾性能；電路板布線時(shí)，將晶振與單片機(jī)引腳盡量靠近，而將強(qiáng)電和信號(hào)線分開(kāi)布線，盡可能讓干擾源遠(yuǎn)離敏感元件。（2）在軟件設(shè)計(jì)中，采用模塊化設(shè)計(jì)和采樣周期動(dòng)態(tài)調(diào)整來(lái)提高采樣的精度。（3）通過(guò)相位補(bǔ)償位來(lái)消除電壓、電流2個(gè)通道的數(shù)字采樣信號(hào)的相位畸變。（4）CS6453具有系統(tǒng)校準(zhǔn)功能，采取開(kāi)機(jī)校準(zhǔn)方法提高精度。（5）CS6453具有溫度傳感器，可以利用溫度傳感器補(bǔ)償溫度漂移引起的誤差。

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的多功能電能表由于采用了集成測(cè)量芯片，硬件軟件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，在不減少功能的前提下，改進(jìn)了整個(gè)電路系統(tǒng)的性能，使電參數(shù)測(cè)量?jī)x表的體積大大減小，功耗明顯降低。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，該電能表具有運(yùn)行穩(wěn)定、可靠性和精度高的優(yōu)點(diǎn)。另外，將GPRS無(wú)線通訊模塊加入到智能電表當(dāng)中，可以改變由于用戶分散、監(jiān)控難度大、通訊維護(hù)成本高的狀況，提升電力信息化管理水平，有很好的實(shí)用開(kāi)發(fā)價(jià)值。

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