單相電參數(shù)測量儀

李祖鋼+馬傳江+王映真+游超+徐建

【摘 要】本系統(tǒng)以STM32F103RC為控制核心，采用帶串口的單相雙向CS5460A電能計量芯片，能夠?qū)蜗嚯婋妷?電流瞬時值、電壓/電流有效值、瞬時功率、有功電能進(jìn)行測量，并通過TFT-LCD進(jìn)行顯示，采用GUI界面，利用觸屏進(jìn)行校準(zhǔn)、數(shù)據(jù)顯示等操作。據(jù)實驗，該系統(tǒng)測量結(jié)果精確、靈敏度高、使用可靠，具有很好的開發(fā)價值。

【關(guān)鍵詞】STM32F103RC單片機(jī)；CS5460A；單相電測量

0 引言

單相電參數(shù)的測量在工業(yè)控制、電力系統(tǒng)、電氣測量及各種機(jī)電一體化裝置中具有重要意義，傳統(tǒng)單相電參數(shù)測量儀笨重、功耗大、精度低。目前市場上電參數(shù)測量儀種類繁多，其中國產(chǎn)測量儀大多精度低，測試誤差大；而國外生產(chǎn)的數(shù)字測量儀價格昂貴，不適合一般的工業(yè)應(yīng)用單位；因此，設(shè)計一種集成性好、精度高、經(jīng)濟(jì)實用的電參數(shù)測量儀，具有重要意義。本研究基于STM32微處理器，以高精度電能芯片CS5460A為計量核心，設(shè)計出一種可精確測量工頻交流電電壓、電流、功率、電量等單相電參數(shù)的單相電參數(shù)測量儀。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計思想

該系統(tǒng)首先通過由互感器構(gòu)成的信號調(diào)理電路，將單相電轉(zhuǎn)換為CS5460A能接受的共模信號。通過單片機(jī)對系統(tǒng)進(jìn)行初始化后，電能計量芯片便能夠按照相應(yīng)的設(shè)置，對共模信號進(jìn)行處理，處理后的結(jié)果存放在相應(yīng)的寄存器中。STM32F103RC的相應(yīng)端口與CS5460A的SCLK、SDI、SDO、CS端口經(jīng)光耦隔離后相連。利用串口通信，單片機(jī)對相關(guān)寄存器進(jìn)行讀寫，將讀到的某些值進(jìn)行處理并顯示。采用GUI界面，通過觸屏可對系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)、選定量程等操作。其系統(tǒng)設(shè)計框圖如圖1所示：

1.2 測量原理

CS5460A接受由調(diào)理電路轉(zhuǎn)換得到的共模信號，對其進(jìn)行ADC采樣、濾波等操作。得到電壓/電流瞬時值、瞬時功率值以及電能值、IRMS值、VRMS值，并將測量/計算的結(jié)果以24位帶符號或無符號字存放在相應(yīng)的寄存器中。電能寄存器以及IRMS、VRMS 無符號結(jié)果輸出寄存器中的值每N次更新一次，N為周期計數(shù)寄存器中的值[1]。CS5460A可將電能轉(zhuǎn)化成與電能成正比的脈沖，將OUT口和EDIR口配置成正向電能和負(fù)向電能脈沖輸出，以便于電能表的檢定，同時指示電能方向。

2 硬件設(shè)計

2.1 信號調(diào)理電路

信號調(diào)理電路分為電流調(diào)理和電壓調(diào)理二部分，單相電參數(shù)測量儀利用2個電流式互感器將單相電路中的交流電壓、電流信號轉(zhuǎn)為低等級的電流信號，OP07和一個電阻I/V轉(zhuǎn)換，得到可供CS5460測量的共模信號。

2.2 CS5460A外圍電路

CS5460A外圍電路主要包括信號調(diào)理電路、以及與單片機(jī)通信的SPI電路。其中信號調(diào)理電路由電壓、電流互感器組成，通過使用不同阻值的電阻使得輸入的信號能夠在CS5460A允許的輸入范圍內(nèi)，為了適應(yīng)不同范圍內(nèi)的電平輸入，可設(shè)置電壓/電流通道增益寄存器。SPI通信電路，主要用于電能芯片與單片機(jī)通信，在使用的時候需要采用光耦隔離，以使測量端的參考地電位與外部接口的參考地電位互不沖突。

2.3 電源模塊

通過開關(guān)電源，獲得單片機(jī)所需要的+5V電源、以及CS5460A電能計量模塊的工作電源。

3 軟件設(shè)計

本系統(tǒng)硬件構(gòu)成較為簡單，主要工作量在于軟件的編寫。具體程序流程框圖如下，其中軟件部分組主要包括CS5460A的初始化程序、單片機(jī)數(shù)據(jù)采集及處理程序、TFT-LCD顯示程序、以及GUI操作界面。在編寫電量芯片初始化程序時要為相應(yīng)的時基寄存器、電流/電壓偏移寄存器、電壓/電流校準(zhǔn)寄存器等賦初值，以對CS5460A進(jìn)行量程的選擇及校準(zhǔn)，對于其具體的配置見[1]。CS5460A通過雙向SPI口與MCU進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時，需嚴(yán)格依照其操作時序。在命令和狀態(tài)的讀操作時，前8個SCLK周期用來對命令進(jìn)行解碼，為將要進(jìn)行讀操作的寄存器進(jìn)行準(zhǔn)備，在等待24個SCLK周期后，完成寄存器讀操作[2]。對相應(yīng)寄存器的寫操作類似。應(yīng)當(dāng)注意：上電時系統(tǒng)復(fù)位，自動進(jìn)入命令模式，等待輸入相應(yīng)命令，并且數(shù)據(jù)是由高到低進(jìn)行傳輸?shù)腫3]。對寄存器的讀寫，具體參照文獻(xiàn)[4]。

4 整體測試

使用VC9808+萬用表、ATTEN APS3003S-3D直流穩(wěn)壓可調(diào)電源、RIGOL DG1022信號發(fā)生器對本系統(tǒng)進(jìn)行測試。

輸入10V直流電壓，測量值為10.024V、輸入20V，測量值為20.031V；使用固定電阻，電流實際值為0.5A時，測量值為0.502A、實際值為1A時、測量值為1.003A；接入400Ω電阻測功率，當(dāng)電壓為20.031V，電流為0.050A，功率真實值為1.012W時，功率測量值為1.003W、當(dāng)電壓為39.977V，電流值為0.099A，真實值為4.01W時，測量值為3.995W；當(dāng)頻率為50HZ時，測量值為50.12HZ、頻率為60HZ時，測量值為60.15HZ；測量一小時，功率真實值為200W，測量值為0.2KWH、功率為500W時、測量值為0.5KWH。

5 結(jié)束語

通過合理的系統(tǒng)構(gòu)建和軟件編程，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對單向電的電壓、電流、電量、頻率等電參數(shù)測量的功能。實際測試表明，所設(shè)計的軟件和硬件系統(tǒng)具備良好的穩(wěn)定性，能夠快速精確的測量各電參數(shù)，實際測試與理論分析一致，完成了單相電參數(shù)測量儀的設(shè)計實現(xiàn)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]費(fèi)占軍，劉瑞峰.單相功率/電能芯片CS5460A的原理與應(yīng)用[J].電測與儀表，2001，02：42-45.

[2]孫秀娟，公茂法，張殿明.基于CS5460A的多功能單相電子式電能表[J].電子質(zhì)量，2003，06：30-31.

[3]尚春陽，張剛，徐愷，安英武.電壓電流電量測量芯片CS5460A及其應(yīng)用[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2003，18：83-84+86.

[4]劉軍.例說STM32[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2014，6.

[責(zé)任編輯：楊玉潔]