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隨著城農網改造的逐步深入，各種各樣的計量工具不斷出現在市場上。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實現功率測量和用μPD75P3116單片機實現電能計量。 1 CS5460功能簡介 CS5460是在一個芯片上包含2個△∑模擬一數字轉換器(ADC)、高速電能計算功能和一個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電壓、瞬時電流、瞬時功率等；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增益可編程放大器(PGA)，使輸入信號的滿量程范圍可選擇；2個△∑模擬一數字轉換器對系統采樣的信號進行模一數轉換；2個數字高速濾波器以(MCLK／K)／1024的字輸出速率輸出數據；2個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；校準單元實現對模擬輸入通道的校準；功率計算單元用于計算瞬時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行轉換，轉換后的信號經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行轉換，轉換后的信號經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。 采樣電路是實現測量瞬時電壓、瞬時電流、瞬時功率的基礎。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對電流通道的輸入管腳進行限流保護；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，電阻分壓器串聯的電阻已被引到VIN+腳，如果CS5460電壓輸入通道的負端沒有接地(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量程幅值為150mV，而電流通道輸入的信號滿量程幅值為30mV或150mV可選擇(通過增益可編程放大器由程序實現)。 1．2．2 校 準 對輸入通道的校準，主要有圖3所示的幾個軟件校準過程。 采樣通道全部的校準過程均通過計算機校準軟件進行，應按順序由圖3中自左向右依次校準。校準完成后可通過用更高級別的校驗設備來做比對，來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。同時還由測得的瞬時電壓和瞬時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實現瞬時電壓、瞬時電流、瞬時功率的測量，由單片機μPD75P3116實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個控制線即：CS，SDI，SDO和SCLK。CS為片選信號，是允許訪問串口的控制線，低電平有效，高電平時SDO端呈高阻狀態；SDI為串行數據輸入端，用來把從單片機的數據傳輸到CS5460；SDO為串行數據輸出端，用來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。單片機就是通過這4條控制線來實現與CS5460的數據交換。 單片機從CS5460中讀取的瞬時電壓、瞬時電流和瞬時功率等數據經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。 為了保證系統運行的安全可靠，在系統中加入"看門狗"電路。由CMOS元件HCF4060和部分分立元件組成的"看門狗"電路，其成本低、使用簡單、穩定可靠。當程序運行出錯或進入死循環時，可保證系統快速安全可靠地復位。 3 系統軟件設計 根據設計電路編寫程序，其流程圖如圖5所示。 程序開始運行時，先啟動看門狗電路，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，將瞬時電壓、瞬時電流、瞬時功率、累計電能和電壓、電流有效值顯示在液晶顯示器上。 4 結 語 這種利用CS5460和t~PD75P3116實現功率和電能計量的方法，以操作簡單、使用方便、性能價格比高等特點受到了廣大設計開發部門的青睞，有很好的市場前景。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校驗儀等產品，已被電力部門廣泛使用。 |
