基于CS5460A芯片的電網(wǎng)電流表設(shè)計
西安電子科技大學(xué) 邊晶瑩 郎崢 李曉峰
摘要： 傳統(tǒng)的電網(wǎng)電流表一般都采用指針式表頭，且都存在著測量范圍小，穩(wěn)定性差，精度低，表頭指針指示不便于讀數(shù)且誤差大等缺點，已經(jīng)不適應(yīng)社會發(fā)展的需要。而隨著智能化測控技術(shù)的迅速發(fā)展．以單片機為核心的數(shù)字電表的優(yōu)勢已十分明顯。為此，本文采用單片機作為儀表的主控制器，并用Cirrus Logic公司的電能計量芯片負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)，給出了一款性價比高、抗干擾能力強、測量精度很的電網(wǎng)電流表的設(shè)計方法。
Abstract：
Key words :
傳統(tǒng)的電網(wǎng)電流表一般都采用指針式表頭，且都存在著測量范圍小，穩(wěn)定性差，精度低，表頭指針指示不便于讀數(shù)且誤差大等缺點，已經(jīng)不適應(yīng)社會發(fā)展的需要。而隨著智能化測控技術(shù)的迅速發(fā)展．以單片機為核心的數(shù)字電表的優(yōu)勢已十分明顯。為此，本文采用單片機作為儀表的主控制器，并用Cirrus Logic公司的電能計量芯片負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)，給出了一款性價比高、抗干擾能力強、測量精度很的電網(wǎng)電流表的設(shè)計方法。
1 系統(tǒng)工作原理
在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中，準(zhǔn)確、實時的測量電網(wǎng)電流是必不可少的。本文采用開關(guān)穩(wěn)壓電源將220 V交流市電整流穩(wěn)壓為模擬、數(shù)字兩路+5 V電源，來為整個電表電路供電。然后通過電流互感器檢測電流信號，再將其轉(zhuǎn)換為電壓信號，并送入單相功率／電能集成芯片CS5460A內(nèi)，同時在片內(nèi)完成信號的采樣、計算和誤差校正。整個過程可在MCU控制下進(jìn)行。該儀表系統(tǒng)的工作原理及結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
本系統(tǒng)中的開關(guān)穩(wěn)壓電源具有功耗小、穩(wěn)壓范圍寬、體積小、重量輕、安全可靠等優(yōu)點。由于系統(tǒng)檢測電路部分要用到CS5460A，因此，為了避免模數(shù)間的干擾，該開關(guān)穩(wěn)壓電源部分需要有兩路+5 V輸出。
2 基于CS5460A的電流檢測電路
系統(tǒng)中的電流檢測電路是該電流表設(shè)計的核心部分．其主要功能是在AT89C52的控制下由CS5460A檢測電流信號并輸出瞬時值給單片機，本電路選用X5045來存放標(biāo)準(zhǔn)校正值。以供單片機隨時校準(zhǔn)電流值。檢測電路中的主要器件有電流互感器、CS5460A、AT89C52、X5045等。
2．1 CS5460A功能概述
CS5460A是一個包含有兩個△∑模一數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、高速電能計算功能和一個串行接口的高集成△∑模一數(shù)轉(zhuǎn)換器。它可以精確測量和計算有功電能、瞬時功率、IRMS和VRMS，可用于研制開發(fā)單相二線或三線電表。CS5460A可以使用低成本的分流器或電流互感器來測量電流，而使用分壓電阻或電壓互感器測量電壓。CS5460A具有與微控制器通訊的雙向串口。芯片的脈沖輸出頻率與有功能量成正比。此外，CS5460A還具有方便的片上AC／DC系統(tǒng)校準(zhǔn)功能。“自引導(dǎo)”的特點使CS5460A能獨自工作，可在系統(tǒng)上電后自動初始化。在自引導(dǎo)模式，CS5460A可從一個外部：EEPROM中讀取校準(zhǔn)數(shù)據(jù)和啟動指令。使用該模式時，CS5460A在工作時不需要外加微控制器，因此，當(dāng)電表用于大批量住宅電能測量時，可降低電表的成本。
CS5460A可以提供瞬時電壓／電流，功率數(shù)據(jù)采樣以及有功能量、IRMS、VRMS的周期計算結(jié)果。為適應(yīng)低價測量應(yīng)用，CS5460A也能在給定引腳上輸出脈沖串，其輸出的脈沖數(shù)與有功能量寄存器的數(shù)值成正比。同時，CS5460A還專為功率測量進(jìn)行了優(yōu)化，非常適合與分流器或電流互感器相連來測量電流：或與分壓電阻或電壓互感器相連來測量電壓。為適應(yīng)不同電平的輸入電壓，其電流通道集成有一個增益可編程的放大器(PGA)，從而使輸入電平滿量程可選擇為±250 mVRMS或±50 mV RMS。電壓通道的PGA可適應(yīng)±250mV的輸入電壓范圍。對于VA+和VA-兩端接單+5V電源的情況．兩個通道的差模輸入引腳間所加的共模信號電壓為-0．25 V到+5 V。另外，設(shè)計時可以在某一個信道或兩個信道實現(xiàn)雙端差模輸入，此時，輸入信號的共模電壓加在AGND上。
CS5460A每通道都有一個高速數(shù)字濾波器，可將兩個△∑調(diào)制器的輸出衰減10倍并積分。濾波器以(MCLK／K)／1024的字輸出速率(OWR)輸出24位數(shù)據(jù)。為了方便與外部微控制器的通訊，CS5460A還集成有一個簡單的三線串行接口，該串口與SPPM和MicrowireTM標(biāo)準(zhǔn)兼容。串口的串行時鐘(SCL)和RESET引腳內(nèi)包含的一個施密特觸發(fā)器，允許使用上升速度較慢的信號。
CS5460A特性如下：
電能數(shù)據(jù)的線性度在1000∶1動態(tài)范圍內(nèi)為±0．1％：
片內(nèi)可以測量電能(有功)、I*V、IRMS和VRMS，并具有電能一脈沖轉(zhuǎn)換功能；
可以從串行EEPROM智能“自引導(dǎo)”，不需要微控制器：
可AC或DC系統(tǒng)校準(zhǔn)：
具有機械計度器／步進(jìn)電機驅(qū)動器：
符合IEC687／1036，JIS工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)；
功耗<12mW：
帶有優(yōu)化的分流器接口：
具有V對I的相位補償：
單電源地參考信號
片內(nèi)帶有2．5 V參考電壓(最大溫漂60ppm／℃)；
有簡單的三線數(shù)字符串行接口和看門狗定時器：
內(nèi)帶電源監(jiān)視器：
電源配置為VA+=+5 V；VA-=0V；VD+=+3．3V～+5 V
圖2所示為CS5460A在單電源單相二線系統(tǒng)的功率測量方案電路圖。該電路可用監(jiān)控電源線電流的電阻分流器聯(lián)接在電源的火線端。
2．2電流檢測電路
通過電流互感器可獲取高壓電路的互感電流。采用電流互感器這種形式的主要優(yōu)點在于可實現(xiàn)高壓與低壓的隔離。圖3所示是本系統(tǒng)的電流檢測電路。由于CS5460A的電流檢測實際上是將電流信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘柡蟮碾妷簷z測，所以，圖2電路中由R1、R2將互感電流轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?，再通過R3、R4限流和C3、C4濾波后輸入到CS5460A的電流檢測管腳(16、15)。另外，在兩路輸入中。還分別使用二極管進(jìn)行電壓嵌位，以避免電壓過高時損壞CS5460A。CS5460A的3、14腳分別為模擬、數(shù)字+5 V電源。同時為了濾除電壓波動，增加電源的穩(wěn)定性，可在兩路電源輸入端分別加一小濾波電容。由于此為電流檢測。所以電壓檢測的兩輸入腳9、10(為了避免干擾)也應(yīng)接模擬地。另外，將13腳VA接模擬地，4腳DGND接數(shù)字地，模擬地和數(shù)字地之間用電感連接。1、24(XOUT，XIN)兩腳接4．096 MHz的晶振。以用過程控制CS5460A自動完成輸入信號的檢測，并通過6腳SDO輸出數(shù)據(jù)；同時分別由5腳SCLK、7腳CS、19腳R＼E＼S＼、20腳I＼N＼T、23腳SDI輸出單片機的時鐘脈沖、片選信號、復(fù)位信號、中斷信號和單片機對CS5460A的控制信號。由于CS5460A可以完成對模擬信號的檢測并以數(shù)字信號輸出檢測值．即一個芯片同時有模擬、數(shù)圖3 系統(tǒng)電流檢測電路字兩種信號，因此，它需要模擬數(shù)字兩路電源；同時。其需要接地的管腳一定要正確接相應(yīng)的地，不然將會引入很大的干擾。
3 控制電路
本儀表由AT89C52控制CS5460A的檢測過程和顯示數(shù)值，其控制電路如圖4所示。電路上電以后，可通過撥碼開關(guān)對電路進(jìn)行初始化，并通過撥碼開關(guān)輸入單片機要初始化的電量的代碼，然后由單片機根據(jù)設(shè)定好的編碼規(guī)則向CS5460A發(fā)出相應(yīng)的指令，CS5460A則根據(jù)單片機發(fā)來的指令將相應(yīng)的要初始化的電量的標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)值傳給單片機．此后單片機再將此數(shù)據(jù)傳給X5045并存儲在其中，以供CS5460A復(fù)位時再次獲得校準(zhǔn)值，并供單片機用于隨時校準(zhǔn)檢測值．這種方式可以大大提高精度。
4 顯示電路
本儀表系統(tǒng)采用七段LED顯示。移位寄存器74HCl64的時鐘信號由單片機的2腳P1．1／T2EX提供，并從單片機的P1．3引腳輸出數(shù)據(jù)信號(先輸出低位，后輸出高位)。數(shù)據(jù)首先傳輸?shù)綄?yīng)顯示高位數(shù)碼管的74HCl64，每當(dāng)?shù)絹硪粋€時鐘脈沖時，數(shù)據(jù)便移位一次，這樣，經(jīng)過一個周期，數(shù)據(jù)就能夠全部傳輸?shù)狡鋵?yīng)各位的74HCl64，最后由各位數(shù)碼管鎖存并顯示出來。
5 軟件設(shè)計
基于CS5460A的電網(wǎng)電流表的軟件設(shè)計主要是系統(tǒng)初始化、測量子程序和顯示子程序的設(shè)計。圖5所示是其幾個子程序的軟件流程圖。
6 結(jié)束語
本文給出了一款新型民用電流表的設(shè)計方案，詳細(xì)說明了電表的工作原理和設(shè)計思想，重點介紹了電流檢測電路的原理和實現(xiàn)電路，并給出了程序設(shè)計流程圖。經(jīng)使用證明，該電流表具有可靠性好，成本低，精度高，實用性強等優(yōu)點。此外，還可以針對不同用戶的需求，進(jìn)一步增強防雷保護(hù)措施等。
來源：現(xiàn)代電子技術(shù)
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