单相电参数测量仪

李祖钢+马传江+王映真+游超+徐建

【摘 要】本系统以STM32F103RC为控制核心，采用带串口的单相双向CS5460A电能计量芯片，能够对单相电电压/电流瞬时值、电压/电流有效值、瞬时功率、有功电能进行测量，并通过TFT-LCD进行显示，采用GUI界面，利用触屏进行校准、数据显示等操作。据实验，该系统测量结果精确、灵敏度高、使用可靠，具有很好的开发价值。

【关键词】STM32F103RC单片机；CS5460A；单相电测量

0 引言

单相电参数的测量在工业控制、电力系统、电气测量及各种机电一体化装置中具有重要意义，传统单相电参数测量仪笨重、功耗大、精度低。目前市场上电参数测量仪种类繁多，其中国产测量仪大多精度低，测试误差大；而国外生产的数字测量仪价格昂贵，不适合一般的工业应用单位；因此，设计一种集成性好、精度高、经济实用的电参数测量仪，具有重要意义。本研究基于STM32微处理器，以高精度电能芯片CS5460A为计量核心，设计出一种可精确测量工频交流电电压、电流、功率、电量等单相电参数的单相电参数测量仪。

1 系统总体设计

1.1 系统总体设计思想

该系统首先通过由互感器构成的信号调理电路，将单相电转换为CS5460A能接受的共模信号。通过单片机对系统进行初始化后，电能计量芯片便能够按照相应的设置，对共模信号进行处理，处理后的结果存放在相应的寄存器中。STM32F103RC的相应端口与CS5460A的SCLK、SDI、SDO、CS端口经光耦隔离后相连。利用串口通信，单片机对相关寄存器进行读写，将读到的某些值进行处理并显示。采用GUI界面，通过触屏可对系统进行校准、选定量程等操作。其系统设计框图如图1所示：

1.2 测量原理

CS5460A接受由调理电路转换得到的共模信号，对其进行ADC采样、滤波等操作。得到电压/电流瞬时值、瞬时功率值以及电能值、IRMS值、VRMS值，并将测量/计算的结果以24位带符号或无符号字存放在相应的寄存器中。电能寄存器以及IRMS、VRMS 无符号结果输出寄存器中的值每N次更新一次，N为周期计数寄存器中的值[1]。CS5460A可将电能转化成与电能成正比的脉冲，将OUT口和EDIR口配置成正向电能和负向电能脉冲输出，以便于电能表的检定，同时指示电能方向。

2 硬件设计

2.1 信号调理电路

信号调理电路分为电流调理和电压调理二部分，单相电参数测量仪利用2个电流式互感器将单相电路中的交流电压、电流信号转为低等级的电流信号，OP07和一个电阻I/V转换，得到可供CS5460测量的共模信号。

2.2 CS5460A外围电路

CS5460A外围电路主要包括信号调理电路、以及与单片机通信的SPI电路。其中信号调理电路由电压、电流互感器组成，通过使用不同阻值的电阻使得输入的信号能够在CS5460A允许的输入范围内，为了适应不同范围内的电平输入，可设置电压/电流通道增益寄存器。SPI通信电路，主要用于电能芯片与单片机通信，在使用的时候需要采用光耦隔离，以使测量端的参考地电位与外部接口的参考地电位互不冲突。

2.3 电源模块

通过开关电源，获得单片机所需要的+5V电源、以及CS5460A电能计量模块的工作电源。

3 软件设计

本系统硬件构成较为简单，主要工作量在于软件的编写。具体程序流程框图如下，其中软件部分组主要包括CS5460A的初始化程序、单片机数据采集及处理程序、TFT-LCD显示程序、以及GUI操作界面。在编写电量芯片初始化程序时要为相应的时基寄存器、电流/电压偏移寄存器、电压/电流校准寄存器等赋初值，以对CS5460A进行量程的选择及校准，对于其具体的配置见[1]。CS5460A通过双向SPI口与MCU进行数据交换时，需严格依照其操作时序。在命令和状态的读操作时，前8个SCLK周期用来对命令进行解码，为将要进行读操作的寄存器进行准备，在等待24个SCLK周期后，完成寄存器读操作[2]。对相应寄存器的写操作类似。应当注意：上电时系统复位，自动进入命令模式，等待输入相应命令，并且数据是由高到低进行传输的[3]。对寄存器的读写，具体参照文献[4]。

4 整体测试

使用VC9808+万用表、ATTEN APS3003S-3D直流稳压可调电源、RIGOL DG1022信号发生器对本系统进行测试。

输入10V直流电压，测量值为10.024V、输入20V，测量值为20.031V；使用固定电阻，电流实际值为0.5A时，测量值为0.502A、实际值为1A时、测量值为1.003A；接入400Ω电阻测功率，当电压为20.031V，电流为0.050A，功率真实值为1.012W时，功率测量值为1.003W、当电压为39.977V，电流值为0.099A，真实值为4.01W时，测量值为3.995W；当频率为50HZ时，测量值为50.12HZ、频率为60HZ时，测量值为60.15HZ；测量一小时，功率真实值为200W，测量值为0.2KWH、功率为500W时、测量值为0.5KWH。

5 结束语

通过合理的系统构建和软件编程，该系统能够实现对单向电的电压、电流、电量、频率等电参数测量的功能。实际测试表明，所设计的软件和硬件系统具备良好的稳定性，能够快速精确的测量各电参数，实际测试与理论分析一致，完成了单相电参数测量仪的设计实现。

【参考文献】

[1]费占军，刘瑞峰.单相功率/电能芯片CS5460A的原理与应用[J].电测与仪表，2001，02：42-45.

[2]孙秀娟，公茂法，张殿明.基于CS5460A的多功能单相电子式电能表[J].电子质量，2003，06：30-31.

[3]尚春阳，张刚，徐恺，安英武.电压电流电量测量芯片CS5460A及其应用[J].现代电子技术，2003，18：83-84+86.

[4]刘军.例说STM32[M].北京：北京航空航天大学出版社，2014，6.

[责任编辑：杨玉洁]