基于CS5463的新型多功能电能表电路设计

文章摘要：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，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

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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，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CS5463

CS5463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—转转换器。它可以精确测量和计算有功电能、瞬时功率、无功功率、I_RMS和V_RMS，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、I_RMS、V_RMS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)，它可使输入电平满量程选择为±250 mVRMS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-0.25~+5 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。该串口与SPI^TM和Micro wire^TM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；

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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。

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