基于CS5460A的数字电能计量表的设计研究
2009-07-29
作者：晏 政1， 刘正元2
摘 要：在分析∑?鄄?驻A/D转换器工作原理的基础上，设计了一款单相数字电能表。以AT89S52单片机为控制核心，采用带有串行接口的单相双向功率电能集成芯片CS5460A，能实现单相电量的检测、显示、存储和查询功能。实验结果表明，该电能表具有高灵敏度、准确、防窃电等优点，有很好的实用开发价值。
关键词：∑-Δ调制；电能计量； 单片机；AT89S52
随着我国电力市场的形成，供电已成为一种商业行为，经济的发展促使各行各业及家庭用电量的增多，电费已成为企业、家庭不可忽视的经济成本和支出。结算用电量的电能计量设备是否精准，关系到电力系统和客户的经济利益。同时，电能管理的现代化也需要访问电能表诸多信息，要求其具有人机通信、远程抄表等功能。
本文基于∑-Δ调制原理，采用具有串行接口的单相双向功率电能集成芯片CS5460A[1]，设计了一款以AT89S52为控制核心的电能表，具有功耗低、体积小、成本低、易于集成化的特点，可以较好地适应现代电能计量管理的要求。
1 系统结构及原理
本设计系统结构如图1所示，它是将被测电压和电流采样转换后，送至数字乘法器输入端，可以输出一个与功率成正比的信号，利用转换器转换成脉冲频率信号，一路送MCU处理，另一路通过分频器分频输出供检测用[2]。构成数字乘法器的关键器件为模数转换器(A/D)和数字相乘，一般采用DSP或高速MCU实现数字相乘。本文采用一种新型的∑-Δ A/D转换器实现，它是一种基于数字信号编码处理技术的转换器，非常适合与DSP、高速MCU接口，测量精度高、成本较低、抗干扰能力强。
转换器由∑-Δ A/D调制器和数字抽取滤波器组成。∑-Δ A/D调制器的结构如图2所示，量化过程是用一个间隔阶梯波函数x1(t)去逼近一个时间连续函数
x(t)。要求采样频率高于被测信号频率的2倍以上。当采样频率很高，间隔很小，可以认为各个间隔的阶梯波之差很小（近似相等）。若把增量作为量化单位，可以用1位来表示，当阶梯波上升时，增量为1，当阶梯波减小时，增量为0。由于∑-Δ采样频率远高于奈奎斯特的采样频率，在采样时钟频率kfs下，将连续输入变成1位“1”或“0”的数据流输出，1位DAC输出与输入连续信号相减，构成负反馈电路。若回路放大倍数足够大，输入A和反馈输入B平均值将相等，如果输入为0时，4个采用周期内，有2个“1”，即2/4；8个采样周期内，有4个“1”，即4/8，如图3所示；输入为 Vref/2时，4个采样周期内，有3个“1”，即3/4；8个采样周期内，有6个“1”，即6/8。数字抽取滤波器是将采样频率降低N倍，每n个点抽取1次，得到新的数字序列，将1位的数码流转换成为位数据，用数字低通滤波器实现数据抽取。抽取后的数字序列就是A/D采样结果。∑-Δ A/D转换器分辨率很高，从0.1级到1级均可实现，对采样信号具有滤波和抗混频叠加作用。
2 应用电路及软件设计
本设计采用美国的CS5460A芯片[3]，原理框图如图4所示。它是基于∑-Δ A/D调制原理的集成电能测量芯片，包含1个可编程增益放大器、2个∑-Δ A/D转换器、高速滤波器、系统校准和功率计算功能，可以测量电能、电压、电流有效值和瞬时功率。内部集成了1个简单的三线串行口，便于外接MCU的通信，可以送出各项数据，进行自动校对精度。四条串行接口线：
、SDI、SDO和SCLK。为片选控制线，低电平有效；SDI为串行数据输入线；SDO为串行数据输出线；SCLK为串行时钟，用于控制CS5460A与AT89S52之间数据传输同步。每次数据读写操作都要通过SDI引脚写入1个8位的命令字节，该操作需要8个SCLK时钟。如果写入的是“寄存器读写”命令，那么接下来应通过SDI脚写入24位数据或通过SDO脚输出8、16、24位数据。SCLK时钟周期的个数由数据位数决定，在通过SDO脚读取数据时，必须同时向SDI脚写入与8、16、24位数据大小相对应的1、2、3个空操作（NOP）命令字节(0xFE)。CS5460A在每个计算周期后可以计算电压、电流有效值以及电量。内部有多个寄存器，通过调节这些寄存器，可以校准精度，进行参数的调整。系统应用电路如图5所示。
AT89S52[4]的P3.0、P3.1分别与时钟芯片DS1302的SCLK、数据I/O相连，P1.4连接复位/片选端CE/RST。 单片机的P1.0、P1.1、P1.4分别与I2C总线接口E2PROM芯片AT24C02的SDA、SCL、WP相连，AT24C02的A0、A1、A2接地。AT89S52的P1.2，P3.2(INT0)分别与PS2接口DATA、CLK相连，接收用户按键指令。液晶显示模块的数据线与AT89S52的P0.4、P0.5、P0.6、P0.7、P2.0、P2.1、P2.2、P2.3口相连，指令/数据选择端RS、读/写选择端R/W、使能端E分别与P2.7、P2.6、P2.5相连。人机接口以PS2键盘加上16×2的液晶显示代替矩阵按键和数码管显示。电能表的软件设计部分可分为功能操作模块和CS5460A控制模块。功能操作模块的主要功能是为系统与工作人员之间提供友好的交互界面,对系统进行有效的管理。其工作流程如图6所示。
其中初始化系统参数包括电能常数、电流档系数、电压系数及功率系数等。系统参数自校正模块主要为该表的系统参数自校正提供一个控制界面，以便于工作人员进行各种参数校正和存储。主功能模块主要是电能检定模块、电能测量模块、参数设置模块以及时钟显示模块等，其中电能检定模块是用于送出数据以便于与标准表进行比较。CS5460A控制模块主要是控制测量参数的初始化。其工作流程如图7所示。
3 实验结果及分析
通过实验所得参数如表1所示。
从所测量结果表明：该电能表所测量的电压、电流有效值以及功率值的精度可达到0.2%以上，与传统电能表相比精度有较大的提高，满足实际工作的需要，充分体现了采用CS5460A的好处就是能最大限度地减少测量误差，而且系统采用AT89S52作为控制核心，带有并口电路，易于实现编程，便于参数修改，适应现代电力设备小型化的要求。
本设计采用了基于∑-Δ调制式的电能计量芯片CS5460A，大大减轻了单片机的负荷，用户操作接口简单方便、功能完备，并能查询电量和电费等相关信息。系统具有功耗低、体积小、成本低特点，可以较好地适应现代电能计量的需求。
参考文献
[1] 费占军,刘瑞峰.单相功率/电能芯片CS5460A的原理与应用[J].电测与仪表， 2001(2):42-45.
[2] 钱云,庄严,鲁子卉.基于CS5460A芯片的智能电能表设计[J].仪表技术， 2007(5):8-10.
[3] 吴安岚,李书跃,郑小平. 电能计量基础及新技术[M].北京:中国水利水电出版社,2004.
[4] 余永权.ATMEL89系列单片机应用技术[M].北京:北京航天航空大学出版社,2002.