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隨著(zhù)城農網(wǎng)改造的逐步深入，各種各樣的計量工具不斷出現在市場(chǎng)上。各種不同的計量工具所使用的計量方法也不一樣。河南金雀電氣股份有限公司經(jīng)反復的軟件和硬件調試研制出了一種新型的功率和電能計量方法，那就是用CS5460實(shí)現功率測量和用μPD75P3116單片機實(shí)現電能計量。 1 CS5460功能簡(jiǎn)介 CS5460是在一個(gè)芯片上包含2個(gè)△∑模擬一數字轉換器(ADC)、高速電能計算功能和一個(gè)串行接口的高度集成的△∑模擬一數字轉換器。他可以精確測量瞬時(shí)電壓、瞬時(shí)電流、瞬時(shí)功率等；他還具有與單片機通訊的雙向串口。上電后CS5460可被初始化并可執行全部功能，包括在用戶(hù)程序控制下的系統校準。 1．1 結構 CS5460的結構如圖1所示。其中IN十，IN一為模擬電流輸入通道；VIN+，VIN一為模擬電壓輸入通道輸；而為了和輸入電壓的不同量級匹配，電流通道還集成有一個(gè)增益可編程放大器(PGA)，使輸入信號的滿(mǎn)量程范圍可選擇；2個(gè)△∑模擬一數字轉換器對系統采樣的信號進(jìn)行模一數轉換；2個(gè)數字高速濾波器以(MCLK／K)／1024的字輸出速率輸出數據；2個(gè)高通濾波器可以在能量計算前將輸入信號的直流分量濾除；校準單元實(shí)現對模擬輸入通道的校準；功率計算單元用于計算瞬時(shí)功率和電壓電流有效值等。串行接口(Serial Interface)單元提供了CS5460與外部的數據通訊接口。 1．2 工作原理 CS5460是具有能量計算引肇的CMOS單片功率測量芯片。電壓模擬信號由VIN+，VIN一輸入后由△∑模擬一數字轉換器進(jìn)行轉換，轉換后的信號經(jīng)高速濾波器及高通濾波器后送人功率計算器。電流模擬信號由VIN+，VIN一輸人后由△∑模擬一數字轉換器進(jìn)行轉換，轉換后的信號經(jīng)高速濾波器及高通濾波器后送人功率計算器。功率計算器將兩路信號進(jìn)行處理運算后輸出測量到的電壓、電流、功率等。所有這些數據由串行接口和單片機進(jìn)行數據交換。 1．2．1 模擬信號輸入 采樣部分的外部電路與CS5460的接口如圖2所示。 采樣電路是實(shí)現測量瞬時(shí)電壓、瞬時(shí)電流、瞬時(shí)功率的基礎。各電阻和電容不但精度要求高，而且其作用也不相同。電路中的RPl用于在出現浪涌電流時(shí)對電流通道的輸入管腳進(jìn)行限流保護；在VlN+腳不需要保護電阻是因為采用了電阻分壓器作為傳感器，電阻分壓器串聯(lián)的電阻已被引到VIN+腳，如果CS5460電壓輸入通道的負端沒(méi)有接地(VIN+和VIN一接成差分輸入方式)在信號的輸入端加保護電阻是非常必要的。CPl和CP2的作用是吸收耦合到輸入線(xiàn)路中的高頻噪聲。 各電阻和電容應最終保證電壓通道輸入的信號滿(mǎn)量程幅值為150mV，而電流通道輸入的信號滿(mǎn)量程幅值為30mV或150mV可選擇(通過(guò)增益可編程放大器由程序實(shí)現)。 1．2．2 校 準 對輸入通道的校準，主要有圖3所示的幾個(gè)軟件校準過(guò)程。 采樣通道全部的校準過(guò)程均通過(guò)計算機校準軟件進(jìn)行，應按順序由圖3中自左向右依次校準。校準完成后可通過(guò)用更高級別的校驗設備來(lái)做比對，來(lái)保證所測量數據的精度。 1．2．3 運算處理 電壓和電流通道輸人的信號被校準后送到功率計算單元，由測得的電壓和電流計算出功率。同時(shí)還由測得的瞬時(shí)電壓和瞬時(shí)電流計算出電壓和電流的有效值。 2 系統硬件設計 本系統由CS5460實(shí)現瞬時(shí)電壓、瞬時(shí)電流、瞬時(shí)功率的測量，由單片機μPD75P3116實(shí)現電能計量及其他功能，接口電路如圖4所示。 CS5460的串行接口包括4個(gè)控制線(xiàn)即：CS，SDI，SDO和SCLK。CS為片選信號，是允許訪(fǎng)問(wèn)串口的控制線(xiàn)，低電平有效，高電平時(shí)SDO端呈高阻狀態(tài)；SDI為串行數據輸入端，用來(lái)把從單片機的數據傳輸到CS5460；SDO為串行數據輸出端，用來(lái)將數據輸出到單片機；SCLK是控制數據輸入或輸出的串行位時(shí)鐘，在SCLK的電平轉換能被端口識別之前CS必須被置為邏輯低電平。單片機就是通過(guò)這4條控制線(xiàn)來(lái)實(shí)現與CS5460的數據交換。 單片機從CS5460中讀取的瞬時(shí)電壓、瞬時(shí)電流和瞬時(shí)功率等數據經(jīng)處理后存在存儲器內，上電后單片機從存儲器內讀數據到內存中。所有這些數據可以通過(guò)外部通訊接口由上位機讀出，也可以由液晶顯示器上方便地查詢(xún)。 為了保證系統運行的安全可靠，在系統中加入"看門(mén)狗"電路。由CMOS元件HCF4060和部分分立元件組成的"看門(mén)狗"電路，其成本低、使用簡(jiǎn)單、穩定可靠。當程序運行出錯或進(jìn)入死循環(huán)時(shí)，可保證系統快速安全可靠地復位。 3 系統軟件設計 根據設計電路編寫(xiě)程序，其流程圖如圖5所示。 程序開(kāi)始運行時(shí)，先啟動(dòng)看門(mén)狗電路，然后測試存儲器。如果測試不成功則重新測試，若成功則讀CS5460。將所讀數據處理后，將瞬時(shí)電壓、瞬時(shí)電流、瞬時(shí)功率、累計電能和電壓、電流有效值顯示在液晶顯示器上。 4 結 語(yǔ) 這種利用CS5460和t~PD75P3116實(shí)現功率和電能計量的方法，以操作簡(jiǎn)單、使用方便、性能價(jià)格比高等特點(diǎn)受到了廣大設計開(kāi)發(fā)部門(mén)的青睞，有很好的市場(chǎng)前景。目前，我公司已根據這一方法研制出了單相電子表、三相多功能電子表以及單相現場(chǎng)校驗儀等產(chǎn)品，已被電力部門(mén)廣泛使用。 |
