基于CS5460A芯片的電網(wǎng)電流表設(shè)計(jì)

摘要：介紹了一種基于CS5460A的新型民用電網(wǎng)電流表的設(shè)計(jì)方法。概述了該儀表的基本工作原理，具體介紹了儀表電路中開(kāi)關(guān)電源、檢測(cè)電路、控制電路和顯示電路等部分，重點(diǎn)介紹了檢測(cè)電路的原理和設(shè)計(jì)方法。并給出了程序設(shè)計(jì)流程。
關(guān)鍵詞：電網(wǎng)電流表；開(kāi)關(guān)電源；AT89C52；CS5460A

O 引言
    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(cè)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(diǎn)，已經(jīng)不適應(yīng)社會(huì)發(fā)展的需要。而隨著智能化測(cè)控技術(shù)的迅速發(fā)展．以單片機(jī)為核心的數(shù)字電表的優(yōu)勢(shì)已十分明顯。為此，本文采用單片機(jī)作為儀表的主控制器，并用Cirrus Logic公司的電能計(jì)量芯片負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)，給出了一款性?xún)r(jià)比高、抗干擾能力強(qiáng)、測(cè)量精度很的電網(wǎng)電流表的設(shè)計(jì)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(shí)時(shí)的測(cè)量電網(wǎng)電流是必不可少的。本文采用開(kāi)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(lái)為整個(gè)電表電路供電。然后通過(guò)電流互感器檢測(cè)電流信號(hào)，再將其轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，并送入單相功率／電能集成芯片CS5460A內(nèi)，同時(shí)在片內(nèi)完成信號(hào)的采樣、計(jì)算和誤差校正。整個(gè)過(guò)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(kāi)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(diǎn)。由于系統(tǒng)檢測(cè)電路部分要用到CS5460A，因此，為了避免模數(shù)間的干擾，該開(kāi)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(cè)電路
    系統(tǒng)中的電流檢測(cè)電路是該電流表設(shè)計(jì)的核心部分．其主要功能是在AT89C52的控制下由CS5460A檢測(cè)電流信號(hào)并輸出瞬時(shí)值給單片機(jī)，本電路選用X5045來(lái)存放標(biāo)準(zhǔn)校正值。以供單片機(jī)隨時(shí)校準(zhǔn)電流值。檢測(cè)電路中的主要器件有電流互感器、CS5460A、AT89C52、X5045等。[!--empirenews.page--]
2．1 CS5460A功能概述
    CS5460A是一個(gè)包含有兩個(gè)△∑模一數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、高速電能計(jì)算功能和一個(gè)串行接口的高集成△∑模一數(shù)轉(zhuǎn)換器。它可以精確測(cè)量和計(jì)算有功電能、瞬時(shí)功率、IRMS和VRMS，可用于研制開(kāi)發(fā)單相二線(xiàn)或三線(xiàn)電表。CS5460A可以使用低成本的分流器或電流互感器來(lái)測(cè)量電流，而使用分壓電阻或電壓互感器測(cè)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?！白砸龑?dǎo)”的特點(diǎn)使CS5460A能獨(dú)自工作，可在系統(tǒng)上電后自動(dòng)初始化。在自引導(dǎo)模式，CS5460A可從一個(gè)外部：EEPROM中讀取校準(zhǔn)數(shù)據(jù)和啟動(dòng)指令。使用該模式時(shí)，CS5460A在工作時(shí)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(cè)量時(shí)，可降低電表的成本。
    CS5460A可以提供瞬時(shí)電壓／電流，功率數(shù)據(jù)采樣以及有功能量、IRMS、VRMS的周期計(jì)算結(jié)果。為適應(yīng)低價(jià)測(cè)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(shí)，CS5460A還專(zhuān)為功率測(cè)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(lái)測(cè)量電流：或與分壓電阻或電壓互感器相連來(lái)測(cè)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(gè)增益可編程的放大器(PGA)，從而使輸入電平滿(mǎn)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(duì)于VA+和VA-兩端接單+5V電源的情況．兩個(gè)通道的差模輸入引腳間所加的共模信號(hào)電壓為-0．25 V到+5 V。另外，設(shè)計(jì)時(shí)可以在某一個(gè)信道或兩個(gè)信道實(shí)現(xiàn)雙端差模輸入，此時(shí)，輸入信號(hào)的共模電壓加在AGND上。
    CS5460A每通道都有一個(gè)高速數(shù)字濾波器，可將兩個(gè)△∑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(gè)簡(jiǎn)單的三線(xiàn)串行接口，該串口與SPPM和MicrowireTM標(biāo)準(zhǔn)兼容。串口的串行時(shí)鐘(SCL)和RESET引腳內(nèi)包含的一個(gè)施密特觸發(fā)器，允許使用上升速度較慢的信號(hào)。
    CS5460A特性如下：
    ◇電能數(shù)據(jù)的線(xiàn)性度在1000∶1動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)為±0．1％：
    ◇片內(nèi)可以測(cè)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(jī)械計(jì)度器／步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(duì)I的相位補(bǔ)償：
    ◇單電源地參考信號(hào)
    ◇片內(nèi)帶有2．5 V參考電壓(最大溫漂60ppm／℃)；
    ◇有簡(jiǎn)單的三線(xiàn)數(shù)字符串行接口和看門(mén)狗定時(shí)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(xiàn)系統(tǒng)的功率測(cè)量方案電路圖。該電路可用監(jiān)控電源線(xiàn)電流的電阻分流器聯(lián)接在電源的火線(xiàn)端。

[!--empirenews.page--]
2．2電流檢測(cè)電路
    通過(guò)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(diǎn)在于可實(shí)現(xiàn)高壓與低壓的隔離。圖3所示是本系統(tǒng)的電流檢測(cè)電路。由于CS5460A的電流檢測(cè)實(shí)際上是將電流信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)后的電壓檢測(cè)，所以，圖2電路中由R1、R2將互感電流轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，再通過(guò)R3、R4限流和C3、C4濾波后輸入到CS5460A的電流檢測(cè)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(guò)高時(shí)損壞CS5460A。CS5460A的3、14腳分別為模擬、數(shù)字+5 V電源。同時(shí)為了濾除電壓波動(dòng)，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(cè)。所以電壓檢測(cè)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(guò)程控制CS5460A自動(dòng)完成輸入信號(hào)的檢測(cè)，并通過(guò)6腳SDO輸出數(shù)據(jù)；同時(shí)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(jī)的時(shí)鐘脈沖、片選信號(hào)、復(fù)位信號(hào)、中斷信號(hào)和單片機(jī)對(duì)CS5460A的控制信號(hào)。由于CS5460A可以完成對(duì)模擬信號(hào)的檢測(cè)并以數(shù)字信號(hào)輸出檢測(cè)值．即一個(gè)芯片同時(shí)有模擬、數(shù)圖3 系統(tǒng)電流檢測(cè)電路字兩種信號(hào)，因此，它需要模擬數(shù)字兩路電源；同時(shí)。其需要接地的管腳一定要正確接相應(yīng)的地，不然將會(huì)引入很大的干擾。

3 控制電路
    本儀表由AT89C52控制CS5460A的檢測(cè)過(guò)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(guò)撥碼開(kāi)關(guān)對(duì)電路進(jìn)行初始化，并通過(guò)撥碼開(kāi)關(guān)輸入單片機(jī)要初始化的電量的代碼，然后由單片機(jī)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(jī)發(fā)來(lái)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(jī)．此后單片機(jī)再將此數(shù)據(jù)傳給X5045并存儲(chǔ)在其中，以供CS5460A復(fù)位時(shí)再次獲得校準(zhǔn)值，并供單片機(jī)用于隨時(shí)校準(zhǔn)檢測(cè)值．這種方式可以大大提高精度。

[!--empirenews.page--]

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(shí)鐘信號(hào)由單片機(jī)的2腳P1．1／T2EX提供，并從單片機(jī)的P1．3引腳輸出數(shù)據(jù)信號(hào)(先輸出低位，后輸出高位)。數(shù)據(jù)首先傳輸?shù)綄?duì)應(yīng)顯示高位數(shù)碼管的74HCl64，每當(dāng)?shù)絹?lái)一個(gè)時(shí)鐘脈沖時(shí)，數(shù)據(jù)便移位一次，這樣，經(jīng)過(guò)一個(gè)周期，數(shù)據(jù)就能夠全部傳輸?shù)狡鋵?duì)應(yīng)各位的74HCl64，最后由各位數(shù)碼管鎖存并顯示出來(lái)。

5 軟件設(shè)計(jì)
    基于CS5460A的電網(wǎng)電流表的軟件設(shè)計(jì)主要是系統(tǒng)初始化、測(cè)量子程序和顯示子程序的設(shè)計(jì)。圖5所示是其幾個(gè)子程序的軟件流程圖。

6 結(jié)束語(yǔ)
    本文給出了一款新型民用電流表的設(shè)計(jì)方案，詳細(xì)說(shuō)明了電表的工作原理和設(shè)計(jì)思想，重點(diǎn)介紹了電流檢測(cè)電路的原理和實(shí)現(xiàn)電路，并給出了程序設(shè)計(jì)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(shí)用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。此外，還可以針對(duì)不同用戶(hù)的需求，進(jìn)一步增強(qiáng)防雷保護(hù)措施等。