基于CS5460A的单相电能计量系统设计

丁电宽 薛鹏辉 李立新

（1.安阳师范学院物理与电气工程学院 河南省安阳市 455000 2.松翰科技(深圳)有限公司 广东省深圳市 518101）

1 引言

随着国民经济的飞跃发展，人们生活水平得到不断提高，每户人均用电量也得到大幅度的增加，已基本实现“一户一表制”局面，同时针对电能计量表的需求和要求也得到进一步的增加，电能表已是我国电工仪表行业中产量最大的产品之一。传统的电能计量表功能单一，准确性也低，频率使用范围窄，这些缺点都不利于未来人的社会生活。随着微电子技术的高速发展以及用电负荷特性的不同，功能多、精度高、便于自动抄表等需求的电子式电能表应运而生。

基于此，设计了一款集测电流、电压、功率于一体的单相电能计量表[1]，该电能表能够准确的测量用户的用电电流、电压、功率和电能。与传统的电能计量表相比，本电能表具有功能多、精度高、便于自动抄表等特点。

2 系统方案设计

图1：系统设计框图

电能计量系统由前端调理电路模块、电能计量芯片模块、微控制器、DS1302 时钟、显示模块、AT24C02 存储器和通信模块等部分组成。系统设计框图如图1所示。其中，前端调理模块实现电压、电流的转换，电能计量芯片实现电能的计量，DS1302 时钟芯片提供基准时间，AT24C02 存储芯片实现数据存储，MAX232 通信模块为单片机和PC 机通信提供条件，微控制器选用STC89C52 单片机，对电能计量数据进行处理和实时显示、存储和通信。

3 系统设计

3.1 电能计量芯片模块设计

电能计量芯片CS5460A 是美国CIRRUS LOGIC 公司推出的带有串行接口的单相双向功率/电能计量集成电路芯片，广泛应用于电流、电压、功率和电能的测量。芯片具有方便的片上AC/DC 系统校准和“自引导”功能[2,3,4]，系统上电后能自动初始化，从外部EEPROM 中读取校准数据和启动指令，大大降低了电表成本。

有功电能、瞬时功率、电压有效值和电流有效值的测量是通过把前端调理电路变换后的电压、电流信号以不超过250mV 的差模电压接到CS5460A 的差模电压、电流输入端，即CS5460A 芯片的VIN+、VIN-、IIN+、IIN-引脚上，采样信号经过芯片内部的自动处理后得到。

CS5460A 串行口接口有:CS、SDI、SDO 和SCLK。其中片选引脚CS 与单片机P1.5 口相连，SDI、SDO 和SCLK 三个引脚分别与单片机的P3.5、P1.6 和P1.7 引脚相连。电能计量芯片与单片机和前端调理电路的连接线路如图2所示。

3.2 前端调理电路设计

在前端电压调理部分，电压互感器选用南京向上电子有限公司的DL-PT202D 型精密电压互感器，互感器变比为2mA:2mA，额定输入电流为2mA，额定输出电流为2mA，最大输入电流为10mA，可测量电压范围为0～1000V。电路如图3所示，电压互感器和串联电阻并联到用户负载两端。用户供电为220V 的交流电，首先外接电阻R1=110k，得到电流2mA，再通过2mA:2mA 变比互感器，在二次侧连接1 个精密电阻的R2=51Ω 将电流信号转变成电压信号，经RC 滤波网络，并加入防抖动电容保护芯片。经变换后的补测信号以差模电压形式接到CS5460A 的差模电压输入端VIN+和VIN-引脚。

在前端电流调理部分，电流互感器采用南京向上电子有限公司的变比1000：1 的穿心式微型DL-CT03C1.0 系列电流互感器，额定输入电流、输出电流分别为5A、5mA，将线路从该互感器中穿过即可得到感应电流。如果用户用电电流为2A，经过电流互感器转换出2mA 的电流信号，然后在二次侧连接1 个精密电阻R3=51Ω将电流信号转变成电压信号，经RC 滤波网络，并加入防抖动电容保护芯片。经变换后的补测信号以差模电压的形式接到CS5460A的差模电流输入端IIN+和IIN-引脚[5,6]。

3.3 数据存储模块设计

数据存储芯片选用低功耗CMOS 存储容量为2Kb 的串行EEPROMAT24C02。存储芯片可编程地址输入端A0～A2 和写保护输入端WP 接地，SCL、SDA 分别与单片机P1.3、P1.4 口相连，存储芯片与单片机接线如图4所示。

3.4 通信模块设计

串口通信设计模块电路如图5所示，采用RS-232 串口通信，实际应用中，VCC 对地加0.1uf 的去耦电容C10。C6、C7、C8、C9 电容取1.0uf/16V 的非极性瓷片电容，为提高抗干扰能力，PCB 设计时尽量靠近MAX232 芯片。T1IN、T2IN 接单片机的串行发送端TXD；R1OUT、R2OUT 接单片机的串行接收端RXD；T1OUT、T2OUT 连接PC 机的RS-232 串口的接收端RXD；R1IN、R2IN 连接PC 机的RS-232 串口的发送端TXD[7]。通过该串口，PC 机可以向单片机写入程序，单片机也可向PC 机发送用户用电数据。

图2：电能计量芯片接线图

图3：前端调理电路

图4：存储芯片接线图

图5：串口通信设计图

表1：测量数据表

图6：主程序流程图

4 软件设计

4.1 数据处理与计算

首先，设电压转换常数为K1，电流转换常数为K2。在刚校准了CS5460A 之后，通过测量电力线上电压和电流的转换值，与CS5460A 内部电压/电流有效值寄存器内获得的信号读数值相比较，确定K1、K2。

设芯片测量满量程FulScale 为250mV，假设测量电压为220V，经过电压互感器后得到100mV 的采样电压，则电压转换常数K1=220V/(100mV/fulscale)=550。则电压有效值寄存器的值乘以K1 便为实际测量的电压值。同理可以得到电流转换常数K2[8,9]。

下面把能量寄存器的读数换算成如千瓦时等标准化单位。假定从CS5460A 读取的N（周期计数寄存器的值）个瞬时电压和电流采样值分别以Rvk和Rik（k=0，1，2，…，N-1）。根据公式（1）和（2）可以得到实际电压和电流值Vk和Ik：

每个计算周期之后，时基校准寄存器的值用TBC 表示，从CS5460A 能量寄存器中读取值用Re表示，则：

有功能量E 为：

设主时钟频率MCLK=4.096MHz，主时钟分频值K=1，TBC=1，N=4000，来求出能量转换常数K3 的值。

有功能量是时间区间上对有功功率的积分，时间区间是CS5460A 完成一个计算周期所花费的时间[10]。计算周期为：

时间区间上平均功率Pavg可以通过公式（6）获得：

通过对在此时间区间上有功（平均）功率积分，求得所耗费的有功能量。

根据公式（4）～（7）可以得到K3 的值为：

则可以通过把能量寄存器的值乘以K3，然后除以一个计算周期的时长得到有功能量。测量到的功率将以瓦特为单位。

4.2 软件流程图

系统软件采用模块编程，主程序流程图如图6所示。系统上电初始化之后，单片机实时读取时钟芯片内的时钟数据，接着从单相电能计量芯片CS5460A 中读取用户用电数据、用电电压和用电电流有效值，经过数据处理，将用户用电数据存储到存储芯片内，最后送液晶显示。通过串口中断方式，送上位机进行数据监控。

5 实验与结论

调试时根据模块化设计对各个模块进行逐个调试。依次完成显示模块、实时时钟模块、电能计量模块、数据存储和通信模块等功能，最后完成整机调试。表1是人工测量数据和标准值数据对比统计表。

从表1中可以看出，测量数据存在仪表测量和外界突发干扰等因素引起的随机误差，单相电能计量表存在一定的误差，电压误差和电流误差都小于3.4%。经过多次测试运行，系统操作方便，性能稳定，能实现用户电能、电压有效值、电流有效值的测量和显示。