用CS5460和μPD75P3116实现功率和电能计量

随着城农网改造的逐步深入，各种各样的计量工具不断出现在市场上。各种不同的计量工具所使用的计量方法也不一样。河南金雀电气股份有限公司经反复的软件和硬件调试研制出了一种新型的功率和电能计量方法，那就是用CS5460实现功率测量和用μPD75P3116单片机实现电能计量。

1 CS5460功能简介

CS5460是在一个芯片上包含2个△∑模拟一数字转换器(ADC)、高速电能计算功能和一个串行接口的高度集成的△∑模拟一数字转换器。他可以精确测量瞬时电压、瞬时电流、瞬时功率等；他还具有与单片机通讯的双向串口。上电后CS5460可被初始化并可执行全部功能，包括在用户程序控制下的系统校准。

1．1 结构

CS5460的结构如图1所示。其中IN十，IN一为模拟电流输入通道；VIN+，VIN一为模拟电压输入通道输；而为了和输入电压的不同量级匹配，电流通道还集成有一个增益可编程放大器(PGA)，使输入信号的满量程范围可选择；2个△∑模拟一数字转换器对系统采样的信号进行模一数转换；2个数字高速滤波器以(MCLK／K)／1024的字输出速率输出数据；2个高通滤波器可以在能量计算前将输入信号的直流分量滤除；校准单元实现对模拟输入通道的校准；功率计算单元用于计算瞬时功率和电压电流有效值等。串行接口(Serial Interface)单元提供了CS5460与外部的数据通讯接口。


1．2 工作原理

CS5460是具有能量计算引肇的CMOS单片功率测量芯片。电压模拟信号由VIN+，VIN一输入后由△∑模拟一数字转换器进行转换，转换后的信号经高速滤波器及高通滤波器后送人功率计算器。电流模拟信号由VIN+，VIN一输人后由△∑模拟一数字转换器进行转换，转换后的信号经高速滤波器及高通滤波器后送人功率计算器。功率计算器将两路信号进行处理运算后输出测量到的电压、电流、功率等。所有这些数据由串行接口和单片机进行数据交换。

1．2．1 模拟信号输入

采样部分的外部电路与CS5460的接口如图2所示。


采样电路是实现测量瞬时电压、瞬时电流、瞬时功率的基础。各电阻和电容不但精度要求高，而且其作用也不相同。电路中的RPl用于在出现浪涌电流时对电流通道的输入管脚进行限流保护；在VlN+脚不需要保护电阻是因为采用了电阻分压器作为传感器，电阻分压器串联的电阻已被引到VIN+脚，如果CS5460电压输入通道的负端没有接地(VIN+和VIN一接成差分输入方式)在信号的输入端加保护电阻是非常必要的。CPl和CP2的作用是吸收耦合到输入线路中的高频噪声。

各电阻和电容应最终保证电压通道输入的信号满量程幅值为150mV，而电流通道输入的信号满量程幅值为30mV或150mV可选择(通过增益可编程放大器由程序实现)。

1．2．2 校 准

对输入通道的校准，主要有图3所示的几个软件校准过程。


采样通道全部的校准过程均通过计算机校准软件进行，应按顺序由图3中自左向右依次校准。校准完成后可通过用更高级别的校验设备来做比对，来保证所测量数据的精度。

1．2．3 运算处理

电压和电流通道输人的信号被校准后送到功率计算单元，由测得的电压和电流计算出功率。同时还由测得的瞬时电压和瞬时电流计算出电压和电流的有效值。

2 系统硬件设计

本系统由CS5460实现瞬时电压、瞬时电流、瞬时功率的测量，由单片机μPD75P3116实现电能计量及其他功能，接口电路如图4所示。


CS5460的串行接口包括4个控制线即：CS，SDI，SDO和SCLK。CS为片选信号，是允许访问串口的控制线，低电平有效，高电平时SDO端呈高阻状态；SDI为串行数据输入端，用来把从单片机的数据传输到CS5460；SDO为串行数据输出端，用来将数据输出到单片机；SCLK是控制数据输入或输出的串行位时钟，在SCLK的电平转换能被端口识别之前CS必须被置为逻辑低电平。单片机就是通过这4条控制线来实现与CS5460的数据交换。

单片机从CS5460中读取的瞬时电压、瞬时电流和瞬时功率等数据经处理后存在存储器内，上电后单片机从存储器内读数据到内存中。所有这些数据可以通过外部通讯接口由上位机读出，也可以由液晶显示器上方便地查询。

为了保证系统运行的安全可靠，在系统中加入"看门狗"电路。由CMOS元件HCF4060和部分分立元件组成的"看门狗"电路，其成本低、使用简单、稳定可靠。当程序运行出错或进入死循环时，可保证系统快速安全可靠地复位。

3 系统软件设计

根据设计电路编写程序，其流程图如图5所示。


程序开始运行时，先启动看门狗电路，然后测试存储器。如果测试不成功则重新测试，若成功则读CS5460。将所读数据处理后，将瞬时电压、瞬时电流、瞬时功率、累计电能和电压、电流有效值显示在液晶显示器上。

4 结 语

这种利用CS5460和t~PD75P3116实现功率和电能计量的方法，以操作简单、使用方便、性能价格比高等特点受到了广大设计开发部门的青睐，有很好的市场前景。目前，我公司已根据这一方法研制出了单相电子表、三相多功能电子表以及单相现场校验仪等产品，已被电力部门广泛使用。