基于CS5460芯片的便携式数字电能表研制

黄丽霞

（宁德师范学院 物理与电气工程系，福建 宁德 352100）

随着电能开发及利用的加快，对电能管理和电能表性能提出了更高的要求.电力系统的不断扩大以及对电能合理利用的探索，传统的感应式和机械式电能表逐渐暴露出准确度低、适用频率范围窄和功能单一等缺点.感应式电能表由于受其原理和结构等因素的制约，要对它进行较大的改进是很困难的[1,2].目前市场上已经出现了多种型号的电子式电能表，虽然那些电子式电能表发挥了一定的实用价值，但是一方面电子式电能表功能单一、精度不能满足高精度计量场合的要求；另一方面，在一些特殊场合，要求电能表体积要小，便于携带等.为此，文章针对目前现有的电子式电能表不足，提出一种高精度的携带式电能表设计方法.

1 交流电能参数算法原理

1.1 电压电流的计算

对周期为T的工频信号，通过对电压、电流在一周期内均匀采样N点，得到离散采样序列i(n)、u(n).当满足采样定理时离散采样序列中将包含工频交流信号中有关电参量的信息，由数值积分理论可计算出工频交流电信号的电参量.如果对交流电压信号在一周期内均匀采样N点，只要N足够大，则可将交流电压有效值公式.

将其离散化，以一周期内的采样序列来代替连续变化的电压值.根据数值积分中的矩形算法，有：

式中ΔT—交流采样间隔（采样周期）；um—电压采样样本值；N—一个周期内采样点数.如果相邻两次采样的时间间隔都相等，则ΔT为一常数，有：

将式（式3）代入式（式2）则得到交流采样电压有效值的计算公式：

同理可以得到交流采样电流有效值计算公式

1.2 有功功率计算

如果对交流电流信号在一周期内均匀采样N点，只要N足够大，且N取适当，则可将有功功率的公式

将其离散化，以一周期内的采样序列来代替连续变化的电压、电流值，经过推导，就可得到交流采样有功功率的计算公式：

1.3 电能计算

电量的计算是电能利用程度和用电管理水平的一项重要指标.根据前面计算得到的有功功率和电压，电流有效值，在一定的时间内就可求出电能了.电能的计算公式为：

2 系统硬件设计

系统以STC89C52单片机[3,4]和电能计量芯片CS5460为控制中心，由电压互感电路、电流互感电路、CS5460与STC单片机接口电路、掉电保护电路、复位电路以及显示电路等电路组成，系统结构框图如图1所示.

图1 系统结构框图

2.1 电压互感器和电流互感器电路设计

系统关键设计部分是取样电路的设计，考虑到测试安全，采用DIDV-001作电压互感器对交流电压进行取样，电压互感器的比例系数是1mA:1mA,其互感电路如图2所示.

图2 电压互感器电路

假设电压最大有效值为Vmax,电压互感器工作电流I，那么限流电阻R0=Vmax/I.其中Vmax=270V，根据电路的实际情况,相线电压额定有效值V=220V/50Hz，其变化幅度大致为（±20%），所以取Vmax=270V；I=1mA,根据电压互感器的比例系数是1mA:1mA,所以选取I=1mA.假设CS5460的电压差分电压的输入最大值为Umax，电压互感器工作电流 I，所以 R7=Umax/I，其中 Umax=150mV，I=1mA.这样可以安全的得到CS5460电压输入所需要的幅值范围,满足采样所需.

2.2 CS5460芯片与单片机接口电路设计

2.2.1 CS5460芯片[5,6]

CS5460是CRYSTAL公司最新推出的带有串行接口的单相双向功率/电能计量集成电路芯片，该芯片比目前比较流行的电子电度表芯片如AD7750、AD7755更容易实现与微处理器的连接.用CS5460可以方便的组成多功能电子式电度表和分布电度表和分布式电能计量管理系统.CS5460是带能量计算引擎的CMOS单芯片功率测量芯片.其内部结构电路如图3所示.

图3 CS5460内部结构图

CS5460包括一个可编程的增益放大器，两个△-∑调制器，两个高速滤波器，具有系统校正标准和计算功能，IRMS,VRMS和瞬时功率的计算功能.CS5460可以用于功率表，可用于分流器和电流边缘器相连来测量电流.为了适应由不同的分流器取得的不同电压等级的不同，电流提到包括一个可编程的增益放大器（PGA），它可以使用户测量150mVRMS或30mVRMS信号.CS5460包括两个高速数字滤波器，它以（MCLK/K）/1024的字速率（OWR）输出数据.每个通道都有一个高通滤波器，它可以将直流分量过滤掉.为方便CS5460和微处理器之间的通信，CS5460提供了SPI串口.串行时钟允许一个施密特触发器输入到串上的（SCLK）串行时钟，也允许低上升沿的信号.

2.2.2 CS5460芯片与单片机接口电路

用STC单片机控制CS5460A进行电网参数测量的电路如图4所示.

图4 CS5460芯片与单片机接口电路

CS5460A与单片机连接是通过其内部集成的1个简单的三线串行接口实现的，该串行接口由串行时钟SCLK,串行数据输入SDI,串行数据输出SDO和片选CS组成，CS是芯片选择控制端，当为低电平时，端口可以识别SCLK;当为高电平时，SDO管脚处于高阻态SCLK是串行时钟输入管脚，该管脚决定串行数据的速率SDI,SD是串行数据输入、输出端，CS5460A的数据以及命令字的输入和输出都是通过这2个管脚实现的，当SCLK为上升沿时在SDI上的数据可以写入，SDO上的数据可被读出本设计直接使用串行口读取能量寄存器.而没有用EOUT和EDIR引脚提供的1个能量积累代数值的接口.被测量的电压和电流信号通过变压和变流器接入IIN+,IIN-,UIN+,UIN-管脚以供进行模/数转换，模/数转换的基准电源由UREFIN给出，结果数据可通过显示器或传到PC上查阅.

2.2.3 电能数据存储电路设计

作为电能表，如果碰到电网断电或者短路时，必须对掉电前的数据进保护，以便供工作人员查询，为了缩小体积，本设计采用了串行EEPROM AT24C02，电路原理图如图5所示.

图5 电能数据存储电路

单片机STC的P1.0脚接AT24C02的SCL口作为它的串行移位时钟，STC的P1.1脚接AT24C02的SDA口作为它的串行数据或地址输入输出.该电路要注意的SCL、SDA必须加上一个上拉电阻，阻值为5.1K.

3 系统软件设计

在本系统的软件设计中采用的是将几个主要功能模块的顺序执行的，在主程序中对数据的处理需要调用相应功能子程序.在通过键盘将不同数据送到显示缓冲区来完成功能键，从而实现系统的总体功能.系统在进入主循环之前，要先进行一系列的初始化.系统软件设计的具体工作流程见流程图6.

图6 系统软件主程序工作流程图

4 结果分析

经过对系统的硬件调试和软件调试以及整机调试，整个系统就基本调试完成，电能表有基本上实现了它的电能检测功能.在本设计过程中使用40W和100W的白炽灯泡对整个系统进行了调试检查，得到部分数据如表1所示.

表1 部分检测数据

经分析可知，表1中的这些数据还存在一定的误差，但是都是在误差允许范围内.

5 结束语

为满足市场对电能计量表高精度和携带方便等方面的要求，提出一种高精度的携带式电能表设计方法.以STC89C52单片机和电能计量芯片CS5460为核心，配合电压电流互感电路，显示电路等实现对电参量进行高精度计量.该电子式电能表不仅可以测量电能，还可以测量电压有效值，电流有效值，功率等电参量，通过切换按键进行显示，满足精度要求，电路结构简洁，功能较强，有较高的应用价值，市场前景广泛.

〔1〕曾乃鸿.电子式电度表应用现状和展望[J].电测与仪表,2001（8）:5-6.

〔2〕周浩民.PS35型电子式单相标准电能表[J].电测与仪表,1989（12）:40-41.

〔3〕张迎新.单片微型计算机原理、应用及接口技术[M].北京:国防工业出版社,2004.

〔4〕胡伟，等.单片机C语言程序设计及应用实例[M].北京:人民邮电出版社,2003.

〔5〕高中文,黄玲，等.基于电能计量芯片 CS5460的电子式电能表设计 [J].哈尔滨理工大学学报,2001（5）:98-101.

〔6〕李健炜.CS5460A在电子式电能表中的应用[J].电子技术,2003（6）:56-58.