1、Electronic Component & Device ApplicationsVol.12 No.3Mar. 2010第 12卷 第 3期2010年 3月2010.3 图 1 电路工作原理结构框图0 引 言传统感应式电能表用其结构和原理上的制约 ， 通常存在着测量范围小 ， 稳定性差 ， 精度低等缺点而不能适应社会发展的需要 。 随着微电子技术和单片机的发展和普及 ， 新型智能化测控技术迅速发展 。 以单片机为核心的电子式电能表显示了其明显的优势 。 本文采用单片机作为仪表的主控制器 ， 并由 Cirrus Logic公司的电能计量芯片负责采集数据 ， 因而具有性价比高 ， 抗干扰能力强
2、 ， 测量精度高等优点 。1 电路工作原理本设计采用开关稳压电源 ， 将 220 V交流市电整流稳压为模拟 、 数字两路 +5 V电压 ， 为整个电表电路供电 。 该系统通过电流互感器检测电流信号 ， 而通过分压电阻采集电压信号 ， 然后将其送入单相功率 /电能集成芯片 CS5463内 ， 并在片内完成信号采样 、 计算和误差校正等 。 整个过程在单片机 PLC916控制下进行 。 其原理框图如图 1所示 。2 专用计量芯片 CS5463CS5463是内含两个 模 -数转换器 (ADC)、高速电能计算功能和一个串行接口的高集成 模 数转换器 。 它可以精确测量和计算有功电能 、 瞬时功率 、
3、无功功率 、 IRMS和 VRMS， 可用于研制开发单相 2 线或 3 线电表 。 CS5463可以使用低成本的分流器或电流互感器来测量电流 ， 并使用分压电阻或电压互感器来测量电压 。 CS5463具有与微控制器通讯的双向串口 ， 其芯片的脉冲输出频率与有功能量成正比 。 CS5463具有方便的片上AC/DC 系统校准功能 。 其 “自引导 ” 的特点使得CS5463能独自工作 ， 并在系统上电后自动初始化 。 在自引导模式 ， CS5463 可从一个外部 EEP-ROM 中读取校准数据和启动指令 。 使用该模式 ，CS5463在工作时不需要外加微控制器 ， 因此 ， 当电表用于大批量住宅电
4、能测量时 ， 可降低电表的成本 。CS5463可以提供瞬时电压 /电流 /功率数据采样及有功能量 、 IRMS、 VRMS的周期计算结果 。 为适应低价测量应用 ， CS5463也能在给定引脚上输出脉冲串 ， 输出的脉冲数与有功能量寄存器的数值成正比 。 CS5463专为功率测量进行了优化 ， 适合于与分流器或电流互感器相连来测量电流 ， 并与分压电阻或电压互感器相连来测量电压 。 为适应不同电平的输入电压 ， CS5463的电流通道集成有一个增益可编程放大器 (PGA)， 它可使输入电平收稿日期 ：2009-08-27基于 CS5463的新型多功能电能表电路设计边晶莹 ， 李晓峰(西安电子科
5、技大学理学院 ， 陕西 西安 710071)摘 要 ： 介绍了一种新型多功能电能表设计的基本原理 ， 详细讨论了硬件功能电路的设计方法 。 该仪表以 Cirrus Logic公司的 CS5463为电能计量芯片 ， 并以单片机 P89LPC916作为系统处理器 。 文中重点介绍了该电能表的电源和电能计量模块的工作原理和设计方法 。关键词 ： 多功能电能表 ； 过压保护 ； 电能计量 ； CS5463doi:10.3969/j.issn.1563-4795.2010.03.00410Vol.12 No.3Mar. 2010第 12卷 第 3期2010年 3月 2010.3满量程选择为 250 mV
6、RMS 或 50 mVRMS 。 电压通道的 PGA可适应 250 mV 的输入电压范围 。 对于 VA+和 VA-两端接单 5 V电源的情况 ， 两个通道的差模输入引脚间所加的共模信号电压为 0.255 V。 另外 ， 设计时 ， 还可以在某一个通道或两个通道实现双端差模输入 ， 此时 ， 其输入信号的共模电压将加在 AGND上 。 CS5463每通道都有一个高速数字滤波器 ， 可将两个 调制器的输出衰减 10倍并积分 。 滤波器以 (MCLK/K ) /1024的字输出速率 (OWR) 输出 24位数据 。 为了方便与外部微控制器通讯 ， CS5463集成有一个简单的三线串行接口 ， 该串
7、口与 SPITM和 Micro wireTM标准兼容 。 串口的串行时钟 (SCLK) 和 RESET 引脚内包含有一个施密特触发器 ， 故可允许使用上升速度较慢的信号 。CS5463的主要特性如下 :在 1000 :1的动态范围内 ， 其电能数据的线性度为 0.1%； 可以测量瞬时电压 、 电流和功率 ， 包括IRMS和 VRMS、 视在功率 、 有功和无功功率以及有功的基波和谐波功率 、 无功的基波功率 、 功率因数 、 频率等 ；具有电能 -脉冲转换功能 ；具有系统校准和相位补偿功能 ；带有温度传感器 ；具有两种无功计算方式 ； 可以从串行 EEPROM 智能 “自引导 ”， 而不需要微
8、控制器 ；可 AC 或 DC 系统校准 ；具有机械计度器 /步进电机驱动器 ；符合 IEC687/1036， JIS 工业标准 ；功耗 12 mW；带有优化的分流器接口 ；带有单电源地参考信号 ； 片内带有 2.5 V参考电压 (最大温漂为 25ppm/)；带有简单的三线数字串行接口 ；内带电源监视器 。3 电源电路设计开关稳压电源具有功耗低 ， 稳压范围宽 ， 体积小 ， 重量轻 ， 安全可靠等优点 ， 因此 ， 目前电子设备的变压器稳压电源正逐渐被开关稳压电源所取代 。 本系统中的电源电路如图 2所示 。 由于在检测电路部分要用到 CS5463， 为了避免模数间的干扰 ， 本系统在开关稳压
9、电源部分需要有两路 +5 V输出 。交流电首先经过一个由保险丝和压敏电阻组成的保护电路 ， 保险丝主要起过流保护作用 ； 压敏电阻则起过压保护作用 。 在正常工作情况下 ，电路的压敏电阻相当于断路 。 当电网电压波动或受外界影响 (如闪电 ， 电源突然接入等 ) 而引起电压瞬间激增时 ， 压敏电阻会自动导通 ， 并由压敏电阻和保险丝组成回路 。 由于高压下的压敏电阻阻值较小 ， 所以回路电流很大 ， 保险丝自动断开 ， 这样就起到了保护内部电路的作用 。 该保险丝是可以自恢复的 ， 也就是说 ， 它可以反复使用而无需更换 。L1和 C1可消除信号中的尖峰波并抑制干扰 。图 2 系统电源电路新
10、特 器 件 应 用11Electronic Component & Device ApplicationsVol.12 No.3Mar. 2010第 12卷 第 3期2010年 3月2010.3 图 3 计量电路中的控制模块电路经 L1、 C1滤波后的信号接入到整流桥 ， 再将从整流桥中输出的高压直流信号经过 C2进行滤波后 ，即可得到电压 Vi。 在图 2中 ， T1为高频变压器 ，它能够快速存储和释放能量 ， 经高频整流滤波后即可获得直流连续输出 。 高频变压器 T1的 1脚和 3脚为输入初始绕组 ， 4、 5两脚为反馈绕组 ， 次级绕组分别为 6， 9脚和 7， 10脚 (其中 1， 4
11、， 6， 7为各绕组的同名端 )。 并且 6， 9绕组是主绕组 ，用它经进一步变换产生的 +5 V直流稳压电源可作为主电压源 ， 即数字电压源 (Vo1)； 7， 10绕组为辅绕组 ， 用它经电容 C8C11滤波和 78L05稳压产生的 +5 V直流稳压电源为辅电压源 ， 即模拟电压源 (Vo2)。 鉴于在 TOP221Y内的功率 MOSFET关断瞬间 ， 高频变压器的漏感会产生尖峰电压 ， 另外 ， 在 1， 3初始绕组上还会产生感应电压 (即反向电动势 )， 而且二者又会叠加在 Vi上 ， 使电压严重增大 ， 因而要求功率 MOSFET能够承受高压 。同时 ， 还必须在漏极增加钳位电路 ，
12、 以吸收尖峰电压 ， 保护 TOP221Y内的功率 MOSFET不受损害 。本设计利用 R1， C3， ZD1， D1组成钳位电路 。 当MOSFET导通时 ， T1的初始绕组的电压极性为 (3端 ) 为正 ， 1端为负 ， 此时 D1截止 ， 钳位电路不起作用 ； 而在 MOSFET截止的瞬间 ， 初始绕组变为 1端为正 ， 3端为负 ， 此时 D2导通 ， 尖峰电压就被R1和 C3吸收掉 。4 计量电路的设计电量检测电路是该电表设计的核心 。 选用PHILIPS公司的 P89LPC916是一款低成本的 16脚单片封装的微控制器 。 该芯片适合于许多要求高集成度低成本的场合 ， 可以满足多方
13、面的性能要求 。 P89LPC916采用了高性能的处理器结构 ， 指令执行时间只需 24个时钟周期 ， 其速度 6倍于标准 80C51器件 。 由于 P89LPC916集成了许多系统级功能 ， 故可大大减少元件的数目和电路板面积 ， 提高电路可靠性 ， 并降低系统的成本 。本仪表由 P89LPC916控制 CS5463的检测过程和数值显示 。 电路上电以后 ， 通过拨码开关可对电路进行初始化 。 通过拨码开关输入单片机要初始化的电量代码后 ， 再由单片机根据设定好的编码规则向 CS5463发出相应的指令 ， CS5463根据单片机发来的指令将相应的要初始化的电量的标准校准值传给单片机 ， 单片
14、机再将此数据传给X5045并存储在其中 ， 以供 CS5463复位时再次获得校准值 ， 并供单片机用于随时校准检测值 ， 从而提高精度 。 也就是说 ， 在 LPC916的控制下 ， 由CS5463检测电信号并输出测量值给单片机 ， 其中X5045可存放标准校正值 。 该计量电路中的控制模块如图 3所示 。该电压采样电路由电阻网络 、 过压保护及去12Vol.12 No.3Mar. 2010第 12卷 第 3期2010年 3月 2010.3图 7中一共设置了 8个按键 ， 包括上下左右四个方向键 ， 回车键 、 退出键 、 累加键和递减键 。其中方向键用于切换子菜单及显示画面 ， 在设置系统参
15、数时可选中不同的设置位 ； 累加键和递减键用于修改参数值 ， 通过加减一来实现 ； 回车键用于进入下一级子菜单及保存修改数据 ， 退出键用于返回上级菜单 。 按键及 LED的功能由带 I2C接口的 ZLG7290芯片通过读写内置寄存器来实现 。4 结束语通过调试和实验 ， 本设计的人机接口模块能够很好的完成小电流接地装置的人机交互功能 。该模块在硬件上采用了高性能集成电路驱动芯片 ， 使得电路的结构紧凑 ， 抗干扰性强 。 而在软件上的功能也比较完善 ， 灵活性强 ， 便于扩展和升级 。 基于以上的特点 ， 该人机接口模块具备较好的实用和推广价值 ， 可为嵌入式系统装置中人机接口模块的设计提供
16、一定的参考 。参考文献1 周立功 ，张华 .深入浅出 ARM7LPC213x/214x(上册 )M.北京 :北京航空航天大学出版社 ，2005.2 周立功 .ARM嵌入式系统基础教程 M.北京 :北京航空航天大学出版社 ，2005抖动电容组成 。 为保证采样精度 ， 电阻应全部采用高稳定度的精密电阻 。本系统中的电流采样电路由电流互感器 、 过压保护 、 电阻网络和去抖动电容组成 。 采用电流互感器的主要优点在于可实现高压与低压的隔离 。 由于 CS5463的电流检测实际上是将电流信号转变为电压信号后的电压检测 ， 所以 ， 在电路中 ， 先由采样电阻将互感电流转变为电压信号 ，再通过限流电阻
17、和电容滤波后输入到 CS5463的电流检测管脚 (16、 15脚 )。 另外 ， 在两路输入中 ，还分别用二极管进行电压嵌位 ， 以避免电压过高损坏 CS5463。 CS5463的 3、 14脚分别为模拟 、 数字 +5V电源 。 同时 ， 为了滤除电压波动 ， 增加电源的稳定性 ， 在两路电源输入时 ， 分别加了滤波电容 。 由于此为电流检测 ， 所以电压检测的两输入脚 9和 10也应接模拟地以避免干扰 。 另外 ， 13脚 VA要接模拟地 ， 4脚 DGND接数字地 ， 模拟地和数字地之间用电感连接 。 1、 24 (XOUT， XIN)两脚接 4.096 MHz的晶振 。 并用程序控制
18、CS5463自动完成输入信号的检测 ， 同时通过 6脚 SDO输出数据 ； 而分别由 5脚 SCLK、 7脚 、 19脚 RES、 20脚 INT、 23脚 SDI输出单片机的时钟脉冲 、 片选信号 、 复位信号 、 中断信号以及单片机对 CS5463的控制信号 。 由于 CS5463要完成对模拟信号的检测并以数字信号输出检测值 ， 即一个芯片同时有模拟 、 数字两种信号 ， 因而需要模拟和数字两路电源 ； 同时 ， 其需要接地的管脚一定要正确接相应的地 ， 不然将会引入很大的干扰 。5 显示电路本仪表系统采用七段 LED显示 。 移位寄存器74HC164的时钟信号由单片机提供 。 从单片机输
19、出数据信号时 ， 先输出低位 ， 后输出高位 。 数据首先传输到对应显示高位数码管的 74HC164， 每当到来一个时钟脉冲时 ， 数据便移位一次 ， 经过一个周期后 ， 数据将全部传输到其对应各位的74HC164并由数码管显示出来 。6 结束语本文给出了一种多功能电能表的设计方法 ，详细说明了电能表的工作原理和设计思路 ， 重点介绍了电源设计和电能计量模块的原理 、 实现及注意事项 。 经使用证明 ， 该电能表具有运行稳定 、 可靠性高 、 精度高 、 成本低等优点 ， 而且实用性强 。 此外 ， 还可针对不同的需求来改进功能 ， 如增加通讯模块等 。参考文献1 P89LPC915_916_917_user_cnZ.周立功发展有限公司 ,2005.2 何希才 .新型开关电源的设计与应用 M.北京 ：科学出版社 ,2001.3 刘健民 .电测仪表与电能计量 M.北京 ：中国电力出版社 ,1998.4 林向淮 ，张文升 .电工常用仪器仪表的原理与使用 M.北京 ：机械工业出版社 ,2005.(上接第 9页 )新 特 器 件 应 用13
