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傳統的手工抄表費時(shí)、費力，準確性和及時(shí)性得不到可靠的保障，這導致了相關(guān)營(yíng)銷(xiāo)和企業(yè)管理類(lèi)軟件不能獲得足夠詳細和準確的原始數據。一般手工抄表都按月抄表，對于用戶(hù)計量來(lái)說(shuō)是可行的，但對于相關(guān)供應部門(mén)進(jìn)行更深層次的分析和管理決策卻不夠。隨著(zhù)大規模集成電路和通信技術(shù)的發(fā)展，在電能計量領(lǐng)域，數字電表以其自身的優(yōu)勢，逐漸取代了傳統的機械式電度表。高精度的電能計量芯片是數字電表的核心部分，CS5460A已經(jīng)廣泛應用于各種單、三相電能表以及電力系統測量控制領(lǐng)域。電力系統中計算機信息化管理程度越來(lái)越高，無(wú)線(xiàn)抄表系統正越來(lái)越得到廣泛應用。 1 總體結構 系統采用高精度電能采集芯片Cs5460A采集電量，采用DSP2812控制，處理后的數據通過(guò)無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊nRF2401A，實(shí)現數據的無(wú)線(xiàn)傳輸，接收模塊接收到前端采集系統采集的數據傳送給上位機，上位機可以顯示所需要的一些電參數，實(shí)現抄表收費一體化。系統結構如圖1所示。 2 電能采集系統設計 選用CS5460A作為電能采集芯片，選用TI公司的TMS320F2812作為控制芯片。Cs5460A是高度集成的A／D轉換器，它在單一芯片上結合了兩個(gè)A／D轉換器、高速功率計算功能和一個(gè)串行接口。該芯片是為精確測量和計算而設計的，可用于單相2或3線(xiàn)功率測量設備的能量、瞬時(shí)功率、瞬時(shí)電壓、瞬時(shí)電流、電流有效值、電壓有效值的測量。CS5460A可與一個(gè)低成本旁路電阻或變壓器相聯(lián)接以測量電流，也可與電阻分割器或測量用變壓器相聯(lián)接以測量電壓。CS5460A帶有一個(gè)與微控制器通信的雙向串口和一個(gè)與供電成正比的可編程頻率輸出。CS5460A的片上功能還包括交流或直流系統校準。 CS5460A可以在單+5 V電源及雙極性±5 V電源下運行，電流通道輸入范圍為50 mA或250 mA，電壓通道為250 mV。在單電源供電時(shí)CS5460A的共模信號為-0．25 V到VA+。圖2是CS5460A在單電源模式下單相2線(xiàn)系統的功率測量的電路圖。此接線(xiàn)方式實(shí)現與電源線(xiàn)隔離。隔離通過(guò)3個(gè)變壓器實(shí)現。一個(gè)是普通的變壓器，用于提供CS5460A的直流電源。第二個(gè)是高精度、低阻抗的變壓器(通常稱(chēng)為電壓互感器)，在較高的濾波下也具有很小的衰減和相位延遲。還有一個(gè)電流互感器用于測量電源線(xiàn)電流，一個(gè)電阻跨接在電流互感器的次極，對CS5460A的電流通道產(chǎn)生電流感應的電壓信號。 3 無(wú)線(xiàn)通信系統設計 nRF2401A及其外圍電路包括nRF2401A的芯片部分，穩壓部分、晶振部分、天線(xiàn)部分。電壓+5 V為芯片提供電壓；晶振部分包括Y4，C44,C45晶振Y1允許值為：4 MHz，8 MHz，12 MHz，16 MHz，該設計用1 Mb／s的通信速率，則必須選擇16 MHz晶振。天線(xiàn)部分電感L1，用來(lái)將nRF2401A芯片的ANT1，ANT2管腳產(chǎn)生2．4 GHz電平信號轉換為電磁波信號，或者將電磁波信號轉換為電平信號輸入芯片的ANT1，ANT2管腳。 nRF2401A通信模塊原理圖如圖3所示。該設計只利用通道1的收發(fā)通道，通道2為預留通道，PER_UP與DSP2812的GPIOB4口相連控制nRF2401A芯片上電，GPIOB5接CE控制芯片使能。GPIOB6連CS實(shí)現。nRF2401A片選，GPIOB7接DR1從而通過(guò)DSP控制芯片通道1數據請求，GPIOB8接CLK1控制通道1時(shí)鐘，GPIOB9和芯片DATA管腳相連，實(shí)現DSP與模塊之間的數據傳輸。 4 電能采集軟件設計 4．1 程序功能 程序功能包括兩方面的關(guān)鍵內容：一是，通過(guò)單片機對CS5460A芯片寄存器地址的定義和控制字的寫(xiě)入，另一方面是數據的讀取。 4．2 CS5460A的操作 CS5460A的操作主要是通過(guò)SPI口寫(xiě)命令，讀寫(xiě)不同的寄存器，執行不同的操作；CS5460A的寄存器主要包括狀態(tài)寄存器、配置寄存器、控制寄存器、各種校準寄存器、數據寄存器等。在進(jìn)行測量前，要恰當地設置寄存器，以便得到正確的結果。 4．3 系統校準 CS5460A提供數字校準功能，通過(guò)寫(xiě)指定的值到校準命令寄存器即可實(shí)現系統偏置校準和系統增益校準等。當執行校準時(shí)，必須把相應的校準信號到電壓電流通道。CS5460A具有一系列的校準寄存器，執行某一校準命令后，相應的寄存器就會(huì )保留校準產(chǎn)生的修正值，這些值可以讀出；若將其保存在外部非易失存儲器，在系統復位后把值寫(xiě)入相應的寄存器，不必重新校準。校準寄存器包括直流電壓／電流偏置寄存器，電壓／電流增益寄存器，交流電壓／電流偏置寄存器。校準之前必須使CS5460A處于活動(dòng)狀態(tài)，同時(shí)使其準備接收有效命令，并清除狀態(tài)寄存器的DRDY位，因為DRDY用于判斷校準是否完成。在執行偏置校準時(shí)，應該輸入零信號；在執行增益校準時(shí)，應該輸入滿(mǎn)刻度信號。校準完成后，就可以進(jìn)行測量。 4．4 數據的讀寫(xiě) 在進(jìn)行數據的讀寫(xiě)前，應該進(jìn)行串口的初始化。因為有效指令不會(huì )產(chǎn)生動(dòng)作或者產(chǎn)生錯誤動(dòng)作，此時(shí)需重新初始化串口。當命令包含寫(xiě)操作時(shí)，串口將在下面24個(gè)SCLK周期對SDI引腳的數據(從高位開(kāi)始)記錄。寄存器寫(xiě)指令后必須跟24位的數據。比如，寫(xiě)配置寄存器，應先寫(xiě)命令字(0x40)啟動(dòng)寫(xiě)操作，然后，隨著(zhù)24個(gè)連續的串行時(shí)鐘脈沖，CS5460A將從串行輸入引腳SDI接收串行輸入數據，一旦收到數據，狀態(tài)機便將數據寫(xiě)入配置寄存器，等待下一個(gè)命令。當啟動(dòng)了讀命令，串口將在下8個(gè)、16個(gè)或24個(gè)SCLK周期啟動(dòng)SDO腳上的寄存器內容的轉移(從高位開(kāi)始)。寄存器讀指令可以終止在8位的邊界上(例如，讀出時(shí)可只讀8，16或24位)。同樣，數據寄存器讀出允許采用“命令鏈”。因此讀寄存器時(shí)，微控制器可同時(shí)發(fā)送新指令，新指令將被立即執行，并可能終止讀操作。例如，命令字送入狀態(tài)機讀取某一輸出寄存器，進(jìn)行16個(gè)連續的讀數據串行時(shí)鐘脈沖后，執行寫(xiě)命令字(如狀態(tài)寄存器清零命令)，數據從SDI引腳輸入，同時(shí)剩下的8位讀出數據被傳送到SDO引腳。又如，用戶(hù)僅需從讀操作中獲取16位有效位時(shí)，可在SDO讀出8位數據后從SDI輸入第2個(gè)讀命令。注意：在讀周期，當從SDO引腳輸出數據時(shí)，必須用SYNC0指令(NOP)，使SDI引腳處于選通態(tài)。其程序流程如圖4所示。 下面是在TI公司的CCS2000編譯系統下的讀寫(xiě)程序： 5 結 語(yǔ) 這里深入介紹電能采集、傳輸、接收的過(guò)程，系統以TMS320F2812為控制核心，其具有功能強大、功耗低、運算速度快等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)內部又具有128 KB的FLASH，使系統結構緊湊、靈活。CS5460芯片可直接采集電能、電壓、電流、功率、功率因數等值。采用高性能RF模塊、數據通信等技術(shù)，具有長(cháng)時(shí)間存儲數據和無(wú)線(xiàn)傳輸數據等功能。 |
