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隨著城農(nóng)網(wǎng)改造的逐步深入，各種各樣的計(jì)量工具不斷出現(xiàn)在市場(chǎng)上。各種不同的計(jì)量工具所使用的計(jì)量方法也不一樣。河南金雀電氣股份有限公司經(jīng)反復(fù)的軟件和硬件調(diào)試研制出了一種新型的功率和電能計(jì)量方法，那就是用CS5460實(shí)現(xiàn)功率測(cè)量和用μPD75P3116單片機(jī)實(shí)現(xiàn)電能計(jì)量。 1 CS5460功能簡(jiǎn)介 CS5460是在一個(gè)芯片上包含2個(gè)△∑模擬一數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)、高速電能計(jì)算功能和一個(gè)串行接口的高度集成的△∑模擬一數(shù)字轉(zhuǎn)換器。他可以精確測(cè)量瞬時(shí)電壓、瞬時(shí)電流、瞬時(shí)功率等；他還具有與單片機(jī)通訊的雙向串口。上電后CS5460可被初始化并可執(zhí)行全部功能，包括在用戶程序控制下的系統(tǒng)校準(zhǔn)。 1．1 結(jié)構(gòu) CS5460的結(jié)構(gòu)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(jí)匹配，電流通道還集成有一個(gè)增益可編程放大器(PGA)，使輸入信號(hào)的滿量程范圍可選擇；2個(gè)△∑模擬一數(shù)字轉(zhuǎn)換器對(duì)系統(tǒng)采樣的信號(hào)進(jìn)行模一數(shù)轉(zhuǎn)換；2個(gè)數(shù)字高速濾波器以(MCLK／K)／1024的字輸出速率輸出數(shù)據(jù)；2個(gè)高通濾波器可以在能量計(jì)算前將輸入信號(hào)的直流分量濾除；校準(zhǔn)單元實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬輸入通道的校準(zhǔn)；功率計(jì)算單元用于計(jì)算瞬時(shí)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(shù)據(jù)通訊接口。 1．2 工作原理 CS5460是具有能量計(jì)算引肇的CMOS單片功率測(cè)量芯片。電壓模擬信號(hào)由VIN+，VIN一輸入后由△∑模擬一數(shù)字轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的信號(hào)經(jīng)高速濾波器及高通濾波器后送人功率計(jì)算器。電流模擬信號(hào)由VIN+，VIN一輸人后由△∑模擬一數(shù)字轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的信號(hào)經(jīng)高速濾波器及高通濾波器后送人功率計(jì)算器。功率計(jì)算器將兩路信號(hào)進(jìn)行處理運(yùn)算后輸出測(cè)量到的電壓、電流、功率等。所有這些數(shù)據(jù)由串行接口和單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。 1．2．1 模擬信號(hào)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(shí)現(xiàn)測(cè)量瞬時(shí)電壓、瞬時(shí)電流、瞬時(shí)功率的基礎(chǔ)。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(xiàn)浪涌電流時(shí)對(duì)電流通道的輸入管腳進(jìn)行限流保護(hù)；在VlN+腳不需要保護(hù)電阻是因?yàn)椴捎昧穗娮璺謮浩髯鳛?a href="http://m.54549.cn/keyword/傳感器" target="_blank" class="relatedlink">傳感器，電阻分壓器串聯(lián)的電阻已被引到VIN+腳，如果CS5460電壓輸入通道的負(fù)端沒有接地(VIN+和VIN一接成差分輸入方式)在信號(hào)的輸入端加保護(hù)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(yīng)最終保證電壓通道輸入的信號(hào)滿量程幅值為150mV，而電流通道輸入的信號(hào)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?qū)崿F(xiàn))。 1．2．2 校 準(zhǔn) 對(duì)輸入通道的校準(zhǔn)，主要有圖3所示的幾個(gè)軟件校準(zhǔn)過程。 采樣通道全部的校準(zhǔn)過程均通過計(jì)算機(jī)校準(zhǔn)軟件進(jìn)行，應(yīng)按順序由圖3中自左向右依次校準(zhǔn)。校準(zhǔn)完成后可通過用更高級(jí)別的校驗(yàn)設(shè)備來(lái)做比對(duì)，來(lái)保證所測(cè)量數(shù)據(jù)的精度。 1．2．3 運(yùn)算處理 電壓和電流通道輸人的信號(hào)被校準(zhǔn)后送到功率計(jì)算單元，由測(cè)得的電壓和電流計(jì)算出功率。同時(shí)還由測(cè)得的瞬時(shí)電壓和瞬時(shí)電流計(jì)算出電壓和電流的有效值。 2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)由CS5460實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)電壓、瞬時(shí)電流、瞬時(shí)功率的測(cè)量，由單片機(jī)μPD75P3116實(shí)現(xiàn)電能計(jì)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(gè)控制線即：CS，SDI，SDO和SCLK。CS為片選信號(hào)，是允許訪問串口的控制線，低電平有效，高電平時(shí)SDO端呈高阻狀態(tài)；SDI為串行數(shù)據(jù)輸入端，用來(lái)把從單片機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)紺S5460；SDO為串行數(shù)據(jù)輸出端，用來(lái)將數(shù)據(jù)輸出到單片機(jī)；SCLK是控制數(shù)據(jù)輸入或輸出的串行位時(shí)鐘，在SCLK的電平轉(zhuǎn)換能被端口識(shí)別之前CS必須被置為邏輯低電平。單片機(jī)就是通過這4條控制線來(lái)實(shí)現(xiàn)與CS5460的數(shù)據(jù)交換。 單片機(jī)從CS5460中讀取的瞬時(shí)電壓、瞬時(shí)電流和瞬時(shí)功率等數(shù)據(jù)經(jīng)處理后存在存儲(chǔ)器內(nèi)，上電后單片機(jī)從存儲(chǔ)器內(nèi)讀數(shù)據(jù)到內(nèi)存中。所有這些數(shù)據(jù)可以通過外部通訊接口由上位機(jī)讀出，也可以由液晶顯示器上方便地查詢。 為了保證系統(tǒng)運(yùn)行的安全可靠，在系統(tǒng)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(jiǎn)單、穩(wěn)定可靠。當(dāng)程序運(yùn)行出錯(cuò)或進(jìn)入死循環(huán)時(shí)，可保證系統(tǒng)快速安全可靠地復(fù)位。 3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 根據(jù)設(shè)計(jì)電路編寫程序，其流程圖如圖5所示。 程序開始運(yùn)行時(shí)，先啟動(dòng)看門狗電路，然后測(cè)試存儲(chǔ)器。如果測(cè)試不成功則重新測(cè)試，若成功則讀CS5460。將所讀數(shù)據(jù)處理后，將瞬時(shí)電壓、瞬時(shí)電流、瞬時(shí)功率、累計(jì)電能和電壓、電流有效值顯示在液晶顯示器上。 4 結(jié) 語(yǔ) 這種利用CS5460和t~PD75P3116實(shí)現(xiàn)功率和電能計(jì)量的方法，以操作簡(jiǎn)單、使用方便、性能價(jià)格比高等特點(diǎn)受到了廣大設(shè)計(jì)開發(fā)部門的青睞，有很好的市場(chǎng)前景。目前，我公司已根據(jù)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(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)儀等產(chǎn)品，已被電力部門廣泛使用。 |
