基于CS5460芯片的便攜式數(shù)字電能表研制

黃麗霞

（寧德師范學(xué)院 物理與電氣工程系，福建 寧德 352100）

隨著電能開發(fā)及利用的加快，對電能管理和電能表性能提出了更高的要求.電力系統(tǒng)的不斷擴(kuò)大以及對電能合理利用的探索，傳統(tǒng)的感應(yīng)式和機(jī)械式電能表逐漸暴露出準(zhǔn)確度低、適用頻率范圍窄和功能單一等缺點(diǎn).感應(yīng)式電能表由于受其原理和結(jié)構(gòu)等因素的制約，要對它進(jìn)行較大的改進(jìn)是很困難的[1,2].目前市場上已經(jīng)出現(xiàn)了多種型號的電子式電能表，雖然那些電子式電能表發(fā)揮了一定的實(shí)用價(jià)值，但是一方面電子式電能表功能單一、精度不能滿足高精度計(jì)量場合的要求；另一方面，在一些特殊場合，要求電能表體積要小，便于攜帶等.為此，文章針對目前現(xiàn)有的電子式電能表不足，提出一種高精度的攜帶式電能表設(shè)計(jì)方法.

1 交流電能參數(shù)算法原理

1.1 電壓電流的計(jì)算

對周期為T的工頻信號，通過對電壓、電流在一周期內(nèi)均勻采樣N點(diǎn)，得到離散采樣序列i(n)、u(n).當(dāng)滿足采樣定理時(shí)離散采樣序列中將包含工頻交流信號中有關(guān)電參量的信息，由數(shù)值積分理論可計(jì)算出工頻交流電信號的電參量.如果對交流電壓信號在一周期內(nèi)均勻采樣N點(diǎn)，只要N足夠大，則可將交流電壓有效值公式.

將其離散化，以一周期內(nèi)的采樣序列來代替連續(xù)變化的電壓值.根據(jù)數(shù)值積分中的矩形算法，有：

式中ΔT—交流采樣間隔（采樣周期）；um—電壓采樣樣本值；N—一個(gè)周期內(nèi)采樣點(diǎn)數(shù).如果相鄰兩次采樣的時(shí)間間隔都相等，則ΔT為一常數(shù)，有：

將式（式3）代入式（式2）則得到交流采樣電壓有效值的計(jì)算公式：

同理可以得到交流采樣電流有效值計(jì)算公式

1.2 有功功率計(jì)算

如果對交流電流信號在一周期內(nèi)均勻采樣N點(diǎn)，只要N足夠大，且N取適當(dāng)，則可將有功功率的公式

將其離散化，以一周期內(nèi)的采樣序列來代替連續(xù)變化的電壓、電流值，經(jīng)過推導(dǎo)，就可得到交流采樣有功功率的計(jì)算公式：

1.3 電能計(jì)算

電量的計(jì)算是電能利用程度和用電管理水平的一項(xiàng)重要指標(biāo).根據(jù)前面計(jì)算得到的有功功率和電壓，電流有效值，在一定的時(shí)間內(nèi)就可求出電能了.電能的計(jì)算公式為：

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)以STC89C52單片機(jī)[3,4]和電能計(jì)量芯片CS5460為控制中心，由電壓互感電路、電流互感電路、CS5460與STC單片機(jī)接口電路、掉電保護(hù)電路、復(fù)位電路以及顯示電路等電路組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.1 電壓互感器和電流互感器電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)計(jì)部分是取樣電路的設(shè)計(jì)，考慮到測試安全，采用DIDV-001作電壓互感器對交流電壓進(jìn)行取樣，電壓互感器的比例系數(shù)是1mA:1mA,其互感電路如圖2所示.

圖2 電壓互感器電路

假設(shè)電壓最大有效值為Vmax,電壓互感器工作電流I，那么限流電阻R0=Vmax/I.其中Vmax=270V，根據(jù)電路的實(shí)際情況,相線電壓額定有效值V=220V/50Hz，其變化幅度大致為（±20%），所以取Vmax=270V；I=1mA,根據(jù)電壓互感器的比例系數(shù)是1mA:1mA,所以選取I=1mA.假設(shè)CS5460的電壓差分電壓的輸入最大值為Umax，電壓互感器工作電流 I，所以 R7=Umax/I，其中 Umax=150mV，I=1mA.這樣可以安全的得到CS5460電壓輸入所需要的幅值范圍,滿足采樣所需.

2.2 CS5460芯片與單片機(jī)接口電路設(shè)計(jì)

2.2.1 CS5460芯片[5,6]

CS5460是CRYSTAL公司最新推出的帶有串行接口的單相雙向功率/電能計(jì)量集成電路芯片，該芯片比目前比較流行的電子電度表芯片如AD7750、AD7755更容易實(shí)現(xiàn)與微處理器的連接.用CS5460可以方便的組成多功能電子式電度表和分布電度表和分布式電能計(jì)量管理系統(tǒng).CS5460是帶能量計(jì)算引擎的CMOS單芯片功率測量芯片.其內(nèi)部結(jié)構(gòu)電路如圖3所示.

圖3 CS5460內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

CS5460包括一個(gè)可編程的增益放大器，兩個(gè)△-∑調(diào)制器，兩個(gè)高速濾波器，具有系統(tǒng)校正標(biāo)準(zhǔn)和計(jì)算功能，IRMS,VRMS和瞬時(shí)功率的計(jì)算功能.CS5460可以用于功率表，可用于分流器和電流邊緣器相連來測量電流.為了適應(yīng)由不同的分流器取得的不同電壓等級的不同，電流提到包括一個(gè)可編程的增益放大器（PGA），它可以使用戶測量150mVRMS或30mVRMS信號.CS5460包括兩個(gè)高速數(shù)字濾波器，它以（MCLK/K）/1024的字速率（OWR）輸出數(shù)據(jù).每個(gè)通道都有一個(gè)高通濾波器，它可以將直流分量過濾掉.為方便CS5460和微處理器之間的通信，CS5460提供了SPI串口.串行時(shí)鐘允許一個(gè)施密特觸發(fā)器輸入到串上的（SCLK）串行時(shí)鐘，也允許低上升沿的信號.

2.2.2 CS5460芯片與單片機(jī)接口電路

用STC單片機(jī)控制CS5460A進(jìn)行電網(wǎng)參數(shù)測量的電路如圖4所示.

圖4 CS5460芯片與單片機(jī)接口電路

CS5460A與單片機(jī)連接是通過其內(nèi)部集成的1個(gè)簡單的三線串行接口實(shí)現(xiàn)的，該串行接口由串行時(shí)鐘SCLK,串行數(shù)據(jù)輸入SDI,串行數(shù)據(jù)輸出SDO和片選CS組成，CS是芯片選擇控制端，當(dāng)為低電平時(shí)，端口可以識(shí)別SCLK;當(dāng)為高電平時(shí)，SDO管腳處于高阻態(tài)SCLK是串行時(shí)鐘輸入管腳，該管腳決定串行數(shù)據(jù)的速率SDI,SD是串行數(shù)據(jù)輸入、輸出端，CS5460A的數(shù)據(jù)以及命令字的輸入和輸出都是通過這2個(gè)管腳實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)SCLK為上升沿時(shí)在SDI上的數(shù)據(jù)可以寫入，SDO上的數(shù)據(jù)可被讀出本設(shè)計(jì)直接使用串行口讀取能量寄存器.而沒有用EOUT和EDIR引腳提供的1個(gè)能量積累代數(shù)值的接口.被測量的電壓和電流信號通過變壓和變流器接入IIN+,IIN-,UIN+,UIN-管腳以供進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，模/數(shù)轉(zhuǎn)換的基準(zhǔn)電源由UREFIN給出，結(jié)果數(shù)據(jù)可通過顯示器或傳到PC上查閱.

2.2.3 電能數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路設(shè)計(jì)

作為電能表，如果碰到電網(wǎng)斷電或者短路時(shí)，必須對掉電前的數(shù)據(jù)進(jìn)保護(hù)，以便供工作人員查詢，為了縮小體積，本設(shè)計(jì)采用了串行EEPROM AT24C02，電路原理圖如圖5所示.

圖5 電能數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路

單片機(jī)STC的P1.0腳接AT24C02的SCL口作為它的串行移位時(shí)鐘，STC的P1.1腳接AT24C02的SDA口作為它的串行數(shù)據(jù)或地址輸入輸出.該電路要注意的SCL、SDA必須加上一個(gè)上拉電阻，阻值為5.1K.

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)中采用的是將幾個(gè)主要功能模塊的順序執(zhí)行的，在主程序中對數(shù)據(jù)的處理需要調(diào)用相應(yīng)功能子程序.在通過鍵盤將不同數(shù)據(jù)送到顯示緩沖區(qū)來完成功能鍵，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的總體功能.系統(tǒng)在進(jìn)入主循環(huán)之前，要先進(jìn)行一系列的初始化.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的具體工作流程見流程圖6.

圖6 系統(tǒng)軟件主程序工作流程圖

4 結(jié)果分析

經(jīng)過對系統(tǒng)的硬件調(diào)試和軟件調(diào)試以及整機(jī)調(diào)試，整個(gè)系統(tǒng)就基本調(diào)試完成，電能表有基本上實(shí)現(xiàn)了它的電能檢測功能.在本設(shè)計(jì)過程中使用40W和100W的白熾燈泡對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了調(diào)試檢查，得到部分?jǐn)?shù)據(jù)如表1所示.

表1 部分檢測數(shù)據(jù)

經(jīng)分析可知，表1中的這些數(shù)據(jù)還存在一定的誤差，但是都是在誤差允許范圍內(nèi).

5 結(jié)束語

為滿足市場對電能計(jì)量表高精度和攜帶方便等方面的要求，提出一種高精度的攜帶式電能表設(shè)計(jì)方法.以STC89C52單片機(jī)和電能計(jì)量芯片CS5460為核心，配合電壓電流互感電路，顯示電路等實(shí)現(xiàn)對電參量進(jìn)行高精度計(jì)量.該電子式電能表不僅可以測量電能，還可以測量電壓有效值，電流有效值，功率等電參量，通過切換按鍵進(jìn)行顯示，滿足精度要求，電路結(jié)構(gòu)簡潔，功能較強(qiáng)，有較高的應(yīng)用價(jià)值，市場前景廣泛.

〔1〕曾乃鴻.電子式電度表應(yīng)用現(xiàn)狀和展望[J].電測與儀表,2001（8）:5-6.

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