基于CS5460A的單相電能計(jì)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

丁電寬 薛鵬輝 李立新

（1.安陽師范學(xué)院物理與電氣工程學(xué)院 河南省安陽市 455000 2.松翰科技(深圳)有限公司 廣東省深圳市 518101）

1 引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的飛躍發(fā)展，人們生活水平得到不斷提高，每戶人均用電量也得到大幅度的增加，已基本實(shí)現(xiàn)“一戶一表制”局面，同時(shí)針對(duì)電能計(jì)量表的需求和要求也得到進(jìn)一步的增加，電能表已是我國電工儀表行業(yè)中產(chǎn)量最大的產(chǎn)品之一。傳統(tǒng)的電能計(jì)量表功能單一，準(zhǔn)確性也低，頻率使用范圍窄，這些缺點(diǎn)都不利于未來人的社會(huì)生活。隨著微電子技術(shù)的高速發(fā)展以及用電負(fù)荷特性的不同，功能多、精度高、便于自動(dòng)抄表等需求的電子式電能表應(yīng)運(yùn)而生。

基于此，設(shè)計(jì)了一款集測(cè)電流、電壓、功率于一體的單相電能計(jì)量表[1]，該電能表能夠準(zhǔn)確的測(cè)量用戶的用電電流、電壓、功率和電能。與傳統(tǒng)的電能計(jì)量表相比，本電能表具有功能多、精度高、便于自動(dòng)抄表等特點(diǎn)。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

圖1：系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

電能計(jì)量系統(tǒng)由前端調(diào)理電路模塊、電能計(jì)量芯片模塊、微控制器、DS1302 時(shí)鐘、顯示模塊、AT24C02 存儲(chǔ)器和通信模塊等部分組成。系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。其中，前端調(diào)理模塊實(shí)現(xiàn)電壓、電流的轉(zhuǎn)換，電能計(jì)量芯片實(shí)現(xiàn)電能的計(jì)量，DS1302 時(shí)鐘芯片提供基準(zhǔn)時(shí)間，AT24C02 存儲(chǔ)芯片實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，MAX232 通信模塊為單片機(jī)和PC 機(jī)通信提供條件，微控制器選用STC89C52 單片機(jī)，對(duì)電能計(jì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和實(shí)時(shí)顯示、存儲(chǔ)和通信。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 電能計(jì)量芯片模塊設(shè)計(jì)

電能計(jì)量芯片CS5460A 是美國CIRRUS LOGIC 公司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，廣泛應(yīng)用于電流、電壓、功率和電能的測(cè)量。芯片具有方便的片上AC/DC 系統(tǒng)校準(zhǔn)和“自引導(dǎo)”功能[2,3,4]，系統(tǒng)上電后能自動(dòng)初始化，從外部EEPROM 中讀取校準(zhǔn)數(shù)據(jù)和啟動(dòng)指令，大大降低了電表成本。

有功電能、瞬時(shí)功率、電壓有效值和電流有效值的測(cè)量是通過把前端調(diào)理電路變換后的電壓、電流信號(hào)以不超過250mV 的差模電壓接到CS5460A 的差模電壓、電流輸入端，即CS5460A 芯片的VIN+、VIN-、IIN+、IIN-引腳上，采樣信號(hào)經(jīng)過芯片內(nèi)部的自動(dòng)處理后得到。

CS5460A 串行口接口有:CS、SDI、SDO 和SCLK。其中片選引腳CS 與單片機(jī)P1.5 口相連，SDI、SDO 和SCLK 三個(gè)引腳分別與單片機(jī)的P3.5、P1.6 和P1.7 引腳相連。電能計(jì)量芯片與單片機(jī)和前端調(diào)理電路的連接線路如圖2所示。

3.2 前端調(diào)理電路設(shè)計(jì)

在前端電壓調(diào)理部分，電壓互感器選用南京向上電子有限公司的DL-PT202D 型精密電壓互感器，互感器變比為2mA:2mA，額定輸入電流為2mA，額定輸出電流為2mA，最大輸入電流為10mA，可測(cè)量電壓范圍為0～1000V。電路如圖3所示，電壓互感器和串聯(lián)電阻并聯(lián)到用戶負(fù)載兩端。用戶供電為220V 的交流電，首先外接電阻R1=110k，得到電流2mA，再通過2mA:2mA 變比互感器，在二次側(cè)連接1 個(gè)精密電阻的R2=51Ω 將電流信號(hào)轉(zhuǎn)變成電壓信號(hào)，經(jīng)RC 濾波網(wǎng)絡(luò)，并加入防抖動(dòng)電容保護(hù)芯片。經(jīng)變換后的補(bǔ)測(cè)信號(hào)以差模電壓形式接到CS5460A 的差模電壓輸入端VIN+和VIN-引腳。

在前端電流調(diào)理部分，電流互感器采用南京向上電子有限公司的變比1000：1 的穿心式微型DL-CT03C1.0 系列電流互感器，額定輸入電流、輸出電流分別為5A、5mA，將線路從該互感器中穿過即可得到感應(yīng)電流。如果用戶用電電流為2A，經(jīng)過電流互感器轉(zhuǎn)換出2mA 的電流信號(hào)，然后在二次側(cè)連接1 個(gè)精密電阻R3=51Ω將電流信號(hào)轉(zhuǎn)變成電壓信號(hào)，經(jīng)RC 濾波網(wǎng)絡(luò)，并加入防抖動(dòng)電容保護(hù)芯片。經(jīng)變換后的補(bǔ)測(cè)信號(hào)以差模電壓的形式接到CS5460A的差模電流輸入端IIN+和IIN-引腳[5,6]。

3.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)芯片選用低功耗CMOS 存儲(chǔ)容量為2Kb 的串行EEPROMAT24C02。存儲(chǔ)芯片可編程地址輸入端A0～A2 和寫保護(hù)輸入端WP 接地，SCL、SDA 分別與單片機(jī)P1.3、P1.4 口相連，存儲(chǔ)芯片與單片機(jī)接線如圖4所示。

3.4 通信模塊設(shè)計(jì)

串口通信設(shè)計(jì)模塊電路如圖5所示，采用RS-232 串口通信，實(shí)際應(yīng)用中，VCC 對(duì)地加0.1uf 的去耦電容C10。C6、C7、C8、C9 電容取1.0uf/16V 的非極性瓷片電容，為提高抗干擾能力，PCB 設(shè)計(jì)時(shí)盡量靠近MAX232 芯片。T1IN、T2IN 接單片機(jī)的串行發(fā)送端TXD；R1OUT、R2OUT 接單片機(jī)的串行接收端RXD；T1OUT、T2OUT 連接PC 機(jī)的RS-232 串口的接收端RXD；R1IN、R2IN 連接PC 機(jī)的RS-232 串口的發(fā)送端TXD[7]。通過該串口，PC 機(jī)可以向單片機(jī)寫入程序，單片機(jī)也可向PC 機(jī)發(fā)送用戶用電數(shù)據(jù)。

圖2：電能計(jì)量芯片接線圖

圖3：前端調(diào)理電路

圖4：存儲(chǔ)芯片接線圖

圖5：串口通信設(shè)計(jì)圖

表1：測(cè)量數(shù)據(jù)表

圖6：主程序流程圖

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 數(shù)據(jù)處理與計(jì)算

首先，設(shè)電壓轉(zhuǎn)換常數(shù)為K1，電流轉(zhuǎn)換常數(shù)為K2。在剛校準(zhǔn)了CS5460A 之后，通過測(cè)量電力線上電壓和電流的轉(zhuǎn)換值，與CS5460A 內(nèi)部電壓/電流有效值寄存器內(nèi)獲得的信號(hào)讀數(shù)值相比較，確定K1、K2。

設(shè)芯片測(cè)量滿量程FulScale 為250mV，假設(shè)測(cè)量電壓為220V，經(jīng)過電壓互感器后得到100mV 的采樣電壓，則電壓轉(zhuǎn)換常數(shù)K1=220V/(100mV/fulscale)=550。則電壓有效值寄存器的值乘以K1 便為實(shí)際測(cè)量的電壓值。同理可以得到電流轉(zhuǎn)換常數(shù)K2[8,9]。

下面把能量寄存器的讀數(shù)換算成如千瓦時(shí)等標(biāo)準(zhǔn)化單位。假定從CS5460A 讀取的N（周期計(jì)數(shù)寄存器的值）個(gè)瞬時(shí)電壓和電流采樣值分別以Rvk和Rik（k=0，1，2，…，N-1）。根據(jù)公式（1）和（2）可以得到實(shí)際電壓和電流值Vk和Ik：

每個(gè)計(jì)算周期之后，時(shí)基校準(zhǔn)寄存器的值用TBC 表示，從CS5460A 能量寄存器中讀取值用Re表示，則：

有功能量E 為：

設(shè)主時(shí)鐘頻率MCLK=4.096MHz，主時(shí)鐘分頻值K=1，TBC=1，N=4000，來求出能量轉(zhuǎn)換常數(shù)K3 的值。

有功能量是時(shí)間區(qū)間上對(duì)有功功率的積分，時(shí)間區(qū)間是CS5460A 完成一個(gè)計(jì)算周期所花費(fèi)的時(shí)間[10]。計(jì)算周期為：

時(shí)間區(qū)間上平均功率Pavg可以通過公式（6）獲得：

通過對(duì)在此時(shí)間區(qū)間上有功（平均）功率積分，求得所耗費(fèi)的有功能量。

根據(jù)公式（4）～（7）可以得到K3 的值為：

則可以通過把能量寄存器的值乘以K3，然后除以一個(gè)計(jì)算周期的時(shí)長得到有功能量。測(cè)量到的功率將以瓦特為單位。

4.2 軟件流程圖

系統(tǒng)軟件采用模塊編程，主程序流程圖如圖6所示。系統(tǒng)上電初始化之后，單片機(jī)實(shí)時(shí)讀取時(shí)鐘芯片內(nèi)的時(shí)鐘數(shù)據(jù)，接著從單相電能計(jì)量芯片CS5460A 中讀取用戶用電數(shù)據(jù)、用電電壓和用電電流有效值，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，將用戶用電數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到存儲(chǔ)芯片內(nèi)，最后送液晶顯示。通過串口中斷方式，送上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)控。

5 實(shí)驗(yàn)與結(jié)論

調(diào)試時(shí)根據(jù)模塊化設(shè)計(jì)對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行逐個(gè)調(diào)試。依次完成顯示模塊、實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊、電能計(jì)量模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和通信模塊等功能，最后完成整機(jī)調(diào)試。表1是人工測(cè)量數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)值數(shù)據(jù)對(duì)比統(tǒng)計(jì)表。

從表1中可以看出，測(cè)量數(shù)據(jù)存在儀表測(cè)量和外界突發(fā)干擾等因素引起的隨機(jī)誤差，單相電能計(jì)量表存在一定的誤差，電壓誤差和電流誤差都小于3.4%。經(jīng)過多次測(cè)試運(yùn)行，系統(tǒng)操作方便，性能穩(wěn)定，能實(shí)現(xiàn)用戶電能、電壓有效值、電流有效值的測(cè)量和顯示。