基于CS5463的電力參數(shù)測(cè)試儀設(shè)計(jì)和校準(zhǔn)

高 翔，王雪梅

（西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610031）

0 引 言

目前，國內(nèi)外電能表多為傳統(tǒng)感應(yīng)式電能表，受其結(jié)構(gòu)和原理上的制約，通常存在著穩(wěn)定性差、精度低等缺點(diǎn)；其次，測(cè)量指標(biāo)不夠全面，因而常常不能滿足實(shí)際應(yīng)用的需要。為改善以上問題，本文設(shè)計(jì)了基于CS5463芯片的電力參數(shù)測(cè)試儀。該測(cè)試儀具有測(cè)量精度高、測(cè)量指標(biāo)全面等優(yōu)點(diǎn)，并且具有校準(zhǔn)方便、簡(jiǎn)單可行的特點(diǎn)。很多人對(duì)于CS5463芯片的校準(zhǔn)概念模糊，錯(cuò)誤的校準(zhǔn)方法會(huì)影響測(cè)試儀的測(cè)量準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性；因此，本文在介紹測(cè)試儀器總體結(jié)構(gòu)和硬件電路的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)論述了CS5463芯片需要校準(zhǔn)的原因和理論，以及校準(zhǔn)流程。在對(duì)測(cè)試儀進(jìn)行校準(zhǔn)后，各種電力參數(shù)的測(cè)量準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性均能夠達(dá)到較高指標(biāo)。

1 測(cè)試儀總體結(jié)構(gòu)

本文所設(shè)計(jì)的電力參數(shù)綜合測(cè)試儀，能夠方便地外接用電設(shè)施，采集電壓和電流信號(hào)，經(jīng)過處理后得到有效電壓、有效電流、有功功率、無功功率、視在功率和功率因數(shù)等相關(guān)參數(shù)的測(cè)量值，并直接顯示。該測(cè)試儀電壓測(cè)量量程為0～250 V，電流量程為0～2 A，測(cè)量準(zhǔn)確度在0.5%以上。

整個(gè)儀器主要由基于CS5463芯片的信號(hào)檢測(cè)處理電路和基于STM32單片機(jī)的顯示控制電路兩部分組成，儀器總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。CS5463芯片是專門用于電力參數(shù)測(cè)量的電子芯片，具有方便的片上AC/DC系統(tǒng)校準(zhǔn)功能。STM32為16位單片機(jī)，它是高性能、低成本、低功耗的ARM系列單片機(jī)[1]，是用低成本實(shí)現(xiàn)高端性能的絕佳選擇。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

本儀器電路原理如圖2所示。交流輸入接口為電源輸入端，頻率為50Hz，電壓范圍為0～250V，交流輸出接口外接用電設(shè)施。由于電流傳感器轉(zhuǎn)換精度較高，所以電壓傳感器由大功率電阻和電流傳感器構(gòu)成，R1和R2為62K/1W大功率電阻，將測(cè)量電壓轉(zhuǎn)換為測(cè)量電流，電流傳感器[2]轉(zhuǎn)換系數(shù)為2mA/2mA。電壓和電流信號(hào)經(jīng)過采樣電阻R3和R4后，轉(zhuǎn)換為采樣電壓。R5、R6、R7和R8為偏置電阻，將采樣電壓轉(zhuǎn)化為差分信號(hào)。R9、R10、C1和 R11、R12、C2分別組成低通抗混迭濾波器，濾掉不需要的高頻信號(hào)。由于CS5463芯片瞬時(shí)電壓值采樣數(shù)越多，有效值計(jì)算越精確[3]，因此本儀器設(shè)定瞬時(shí)電壓采樣頻率為4kHz，根據(jù)采樣定理，設(shè)計(jì)該低通抗混迭濾波器截止頻率為2kHz。最后采樣電壓進(jìn)入CS5463芯片的電壓和電流采樣通道VIN和IIN。利用CS5463芯片內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器將采樣電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過數(shù)字濾波，然后對(duì)電壓和電流進(jìn)行有效值和功率計(jì)算，得到有關(guān)電力參數(shù)值，并將結(jié)果存儲(chǔ)在CS5463芯片內(nèi)部寄存器中。

圖2 測(cè)試儀電路原理圖

CS5463芯片與STM32單片機(jī)之間采用SPI通信[4]。SPI是用于芯片間的一種同步串行通信標(biāo)準(zhǔn)，它采用3或4線制，收發(fā)數(shù)據(jù)獨(dú)立、可同步進(jìn)行。CS為SPI通信口片選管腳，SCLK為時(shí)鐘管腳，SDO為數(shù)據(jù)輸出口，SDI為數(shù)據(jù)輸入口，REST為復(fù)位管腳，INT為中斷輸出管腳。當(dāng)測(cè)量完成時(shí)，CS5463芯片內(nèi)部狀態(tài)寄存器相關(guān)狀態(tài)位置位，如果開通CS5463中斷寄存器，則CS5463芯片的INT管腳置低。因此，STM32單片機(jī)可以通過查詢方式或中斷方式獲取測(cè)量數(shù)據(jù)。由于CS5463芯片供電電壓為5 V，STM32單片機(jī)供電電壓為3.3 V，所以CS5463芯片向單片機(jī)傳送數(shù)據(jù)時(shí)，需要加1 kΩ的限流電阻R13和R14。單片機(jī)讀取數(shù)據(jù)后，將其轉(zhuǎn)換為實(shí)際測(cè)量值，并顯示測(cè)量結(jié)果。本設(shè)計(jì)使用迪文顯示器，采用USART通信，USART是一個(gè)全雙工通用同步/異步串行收發(fā)模塊[5]，圖2中TXD和RXD分別為STM32單片機(jī)USART串口發(fā)送和接收數(shù)據(jù)管腳。

3 CS5463芯片的校準(zhǔn)

3.1 CS5463芯片校準(zhǔn)原理

采樣信號(hào)在CS5463芯片中需要經(jīng)過放大器、A/D轉(zhuǎn)換器和濾波器等電子器件。采樣信號(hào)中含有噪聲信號(hào)，其有效值不為0，同時(shí)由于電子器件的溫漂特性[6]，CS5463會(huì)產(chǎn)生零點(diǎn)漂移現(xiàn)象，形成偏移電壓。采樣信號(hào)為模擬信號(hào)，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，A/D基準(zhǔn)電壓采用CS5463芯片內(nèi)部參考電壓，參考電壓存在一定誤差，同時(shí)由于A/D轉(zhuǎn)換位數(shù)為24位，轉(zhuǎn)換精度有限[7]，增益并非理想化，形成增益誤差。

未校準(zhǔn)前測(cè)量曲線見圖3，曲線1為理想測(cè)量曲線，實(shí)際值和測(cè)量值之間增益系數(shù)K1為1。曲線2為實(shí)際測(cè)量曲線，y3為偏移電壓，K2為增益系數(shù)?？梢钥闯?，由于偏移電壓的存在和增益系數(shù)不為1，造成了實(shí)際測(cè)量的不準(zhǔn)確。因此，校準(zhǔn)過程應(yīng)該先進(jìn)行偏移校準(zhǔn)，使測(cè)量曲線起始點(diǎn)為零點(diǎn)，再進(jìn)行增益校準(zhǔn)，否則可能越校越亂。在增益校準(zhǔn)過程中，如果標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)選取數(shù)值過大或過小，會(huì)造成測(cè)量曲線一端數(shù)值增益準(zhǔn)確度較高，而另一端數(shù)值增益準(zhǔn)確度較差的后果，因此應(yīng)選取量程中間值為校準(zhǔn)對(duì)象。圖4為CS5463校準(zhǔn)后曲線圖，可以看出，實(shí)際測(cè)量曲線和理想曲線已經(jīng)十分接近，但仍未完全重合，這是因?yàn)閷?shí)際測(cè)量誤差和校準(zhǔn)誤差無法完全消除，因此實(shí)際應(yīng)用中只能盡量將誤差降至最小。

圖3 CS5463校準(zhǔn)前曲線

圖4 CS5463校準(zhǔn)后曲線

CS5463有瞬時(shí)值測(cè)量和交流有效值測(cè)量。交流有效值測(cè)量過程是采取一定數(shù)量的瞬時(shí)值，經(jīng)過有效值公式運(yùn)算后取平均值。因此，CS5463校準(zhǔn)過程包括直流偏移及其增益校準(zhǔn)和交流偏移及其增益校準(zhǔn)[8]。由于可以開通CS5463自帶的高通濾波器濾掉直流分量，所以只需要進(jìn)行交流偏移及其增益校準(zhǔn)。

3.2 CS5463校準(zhǔn)過程

CS5463內(nèi)部含有校準(zhǔn)寄存器，只需要寫相關(guān)的校準(zhǔn)命令字，便可以方便地對(duì)其進(jìn)行校準(zhǔn)。交流電壓偏移校準(zhǔn)流程如圖5所示。外界不需接任何信號(hào)，校準(zhǔn)前清空CS5463內(nèi)部的偏移寄存器，并且設(shè)置增益為1，然后依次寫校準(zhǔn)時(shí)間即CYCLE COUNT寄存器、校準(zhǔn)命令字，等待校準(zhǔn)完成后，便可讀取數(shù)值。多次校準(zhǔn)后取平均值，并在下次測(cè)量前把該校準(zhǔn)值寫入交流偏移寄存器。需要注意的是，寫入CYCLE COUNT寄存器中的數(shù)值對(duì)校準(zhǔn)結(jié)果有直接影響，數(shù)值越大，校準(zhǔn)時(shí)間越長(zhǎng)，校準(zhǔn)越準(zhǔn)確[9]。

圖5 電壓偏置校準(zhǔn)流程

交流電壓增益校準(zhǔn)流程如圖6所示。先接入標(biāo)準(zhǔn)儀表，從測(cè)量通道輸入標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，將增益值設(shè)為1，讀取CS5463測(cè)量數(shù)值a，同時(shí)讀取標(biāo)準(zhǔn)儀表數(shù)值b，計(jì)算增益系數(shù)k1=b∶a，將增益系數(shù)寫入增益寄存器，再次進(jìn)行測(cè)量，計(jì)算增益系數(shù)k2，將比值k2/k1寫入增益寄存器。不斷重復(fù)以上操作，不斷減少增益誤差，直到獲得理想效果。

圖6 電壓增益校準(zhǔn)流程

3.3 校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

在對(duì)CS5463電壓通道和電流通道進(jìn)行校準(zhǔn)，消除了交流偏移誤差和增益系數(shù)誤差后，需進(jìn)行實(shí)際測(cè)量驗(yàn)證。電壓測(cè)量數(shù)據(jù)見表1，量程為0～250V，測(cè)量間隔為20V。電壓絕對(duì)誤差δU計(jì)算見式（1）。電流測(cè)量數(shù)據(jù)見表2，量程為0～2A，測(cè)量間隔為200mA，電流絕對(duì)誤差δI計(jì)算見式（2）。

式中：U0——標(biāo)準(zhǔn)萬用表測(cè)量電壓；

U——測(cè)試儀測(cè)量電壓。

式中：I0——標(biāo)準(zhǔn)萬用表測(cè)量電流；

I——測(cè)試儀測(cè)量電流

表1 電壓測(cè)量數(shù)據(jù)表

表2 電流測(cè)量數(shù)據(jù)表

通常測(cè)試儀表測(cè)量誤差要求范圍為±1%，由表中數(shù)據(jù)可知，校準(zhǔn)后本測(cè)試儀測(cè)量誤差δ遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于±1%，測(cè)量準(zhǔn)確度已經(jīng)達(dá)到要求。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了電力參數(shù)測(cè)試儀，利用該測(cè)試儀能實(shí)現(xiàn)有效電壓、有效電流、有功功率、無功功率、視在功率和功率因數(shù)等相關(guān)參數(shù)的測(cè)量。電力測(cè)量芯片CS5463測(cè)量交流信號(hào)時(shí)，結(jié)果中含有交流偏移誤差和增益誤差，需要進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)順序?yàn)橄冗M(jìn)行偏移校準(zhǔn)，再進(jìn)行增益校準(zhǔn)。校準(zhǔn)過程中應(yīng)該保證足夠長(zhǎng)的校準(zhǔn)時(shí)間和足夠多的校準(zhǔn)次數(shù)，才能獲得滿意的結(jié)果。經(jīng)過正確校準(zhǔn)后，結(jié)果表明由CS5463芯片組成的測(cè)試儀穩(wěn)定性好，測(cè)量精確度高，可以作為測(cè)試儀表使用。

[1]常霞，馬建偉.基于STM32的列車空氣動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].儀器儀表與傳感器，2011（4）：45-48.

[2]王化祥，張淑英.傳感器原理與應(yīng)用[M].天津：天津大學(xué)出版社，1999：65-68.

[3]徐曉軍，陳躍東，汪鵬飛，等.基于CS5460A的三相智能電能表的設(shè)計(jì)[J].安徽工程科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2010（9），25（3）：27-30.

[4]朱蕓，樂秀璠，高懸.高精度單相電能測(cè)量芯片在電力參數(shù)測(cè)量中的應(yīng)用[J]. 電力自動(dòng)化設(shè)備，2004（1），24（1）：50-53.

[5]郝云鵬.AVR單片機(jī)USART雙機(jī)通訊[J].鞍山師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2001（8），13（4）：60-62.

[6]Scherz P.Practical electronics for inventors[M].蔡聲鎮(zhèn)，譯.福州：福建科學(xué)技術(shù)出版社，2004：105-108.

[7]房莉，陳湘平，鄒正武.A/D、D/A接口轉(zhuǎn)換精度測(cè)試系統(tǒng)[J].儀器儀表與傳感器，2011（5）：67-69，85.

[8]周敏奇，張謙.基于CS5460A的智能電力控制系統(tǒng)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2010（312）：167-170.

[9]廖曉東.基于CS5460A的非正弦電參量的測(cè)量?jī)x表設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].福建師范大學(xué)學(xué)報(bào)，2005（6），21（2）：39-42.