摘??要： 在分析∑?鄄?駐 A/D轉(zhuǎn)換器工作原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一款單相數(shù)字電能表。以AT89S52單片機(jī)為控制核心，采用帶有串行接口的單相雙向功率電能集成芯片CS5460A，能實(shí)現(xiàn)單相電量的檢測、顯示、存儲(chǔ)和查詢功能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該電能表具有高靈敏度、準(zhǔn)確、防竊電等優(yōu)點(diǎn)，有很好的實(shí)用開發(fā)價(jià)值。
關(guān)鍵詞：?∑-Δ? 調(diào)制； 電能計(jì)量； 單片機(jī)；AT89S52
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隨著我國電力市場的形成，供電已成為一種商業(yè)行為，經(jīng)濟(jì)的發(fā)展促使各行各業(yè)及家庭用電量的增多，電費(fèi)已成為企業(yè)、家庭不可忽視的經(jīng)濟(jì)成本和支出。結(jié)算用電量的電能計(jì)量設(shè)備是否精準(zhǔn)，關(guān)系到電力系統(tǒng)和客戶的經(jīng)濟(jì)利益。同時(shí)，電能管理的現(xiàn)代化也需要訪問電能表諸多信息，要求其具有人機(jī)通信、遠(yuǎn)程抄表等功能。
本文基于∑-Δ調(diào)制原理，采用具有串行接口的單相雙向功率電能集成芯片CS5460A[1]，設(shè)計(jì)了一款以AT89S52為控制核心的電能表，具有功耗低、體積小、成本低、易于集成化的特點(diǎn)，可以較好地適應(yīng)現(xiàn)代電能計(jì)量管理的要求。
1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理
本設(shè)計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，它是將被測電壓和電流采樣轉(zhuǎn)換后，送至數(shù)字乘法器輸入端，可以輸出一個(gè)與功率成正比的信號(hào)，利用轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成脈沖頻率信號(hào)，一路送MCU處理，另一路通過分頻器分頻輸出供檢測用[2]。構(gòu)成數(shù)字乘法器的關(guān)鍵器件為模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D)和數(shù)字相乘，一般采用DSP或高速M(fèi)CU實(shí)現(xiàn)數(shù)字相乘。本文采用一種新型的∑-Δ A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)，它是一種基于數(shù)字信號(hào)編碼處理技術(shù)的轉(zhuǎn)換器，非常適合與DSP、高速M(fèi)CU接口，測量精度高、成本較低、抗干擾能力強(qiáng)。
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轉(zhuǎn)換器由∑-Δ A/D調(diào)制器和數(shù)字抽取濾波器組成?！?Δ A/D調(diào)制器的結(jié)構(gòu)如圖2所示，量化過程是用一個(gè)間隔階梯波函數(shù)x1(t)去逼近一個(gè)時(shí)間連續(xù)函數(shù)
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x(t)。要求采樣頻率高于被測信號(hào)頻率的2倍以上。當(dāng)采樣頻率很高，間隔很小，可以認(rèn)為各個(gè)間隔的階梯波之差很?。ń葡嗟龋Ｈ舭言隽孔鳛榱炕瘑挝?，可以用1位來表示，當(dāng)階梯波上升時(shí)，增量為1，當(dāng)階梯波減小時(shí)，增量為0。由于∑-Δ采樣頻率遠(yuǎn)高于奈奎斯特的采樣頻率，在采樣時(shí)鐘頻率kfs下，將連續(xù)輸入變成1位“1”或“0”的數(shù)據(jù)流輸出，1位DAC輸出與輸入連續(xù)信號(hào)相減，構(gòu)成負(fù)反饋電路。若回路放大倍數(shù)足夠大，輸入A和反饋輸入B平均值將相等，如果輸入為0時(shí)，4個(gè)采用周期內(nèi)，有2個(gè)“1”，即2/4；8個(gè)采樣周期內(nèi)，有4個(gè)“1”，即4/8，如圖3所示；輸入為 Vref/2時(shí)，4個(gè)采樣周期內(nèi)，有3個(gè)“1”，即3/4；8個(gè)采樣周期內(nèi)，有6個(gè)“1”，即6/8。數(shù)字抽取濾波器是將采樣頻率降低N倍，每n個(gè)點(diǎn)抽取1次，得到新的數(shù)字序列，將1位的數(shù)碼流轉(zhuǎn)換成為位數(shù)據(jù)，用數(shù)字低通濾波器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)抽取。抽取后的數(shù)字序列就是A/D采樣結(jié)果?！?Δ A/D轉(zhuǎn)換器分辨率很高，從0.1級(jí)到1級(jí)均可實(shí)現(xiàn)，對(duì)采樣信號(hào)具有濾波和抗混頻疊加作用。
2 應(yīng)用電路及軟件設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)采用美國的CS5460A芯片[3]，原理框圖如圖4所示。它是基于∑-Δ A/D調(diào)制原理的集成電能測量芯片，包含1個(gè)可編程增益放大器、2個(gè)∑-Δ A/D轉(zhuǎn)換器、高速濾波器、系統(tǒng)校準(zhǔn)和功率計(jì)算功能，可以測量電能、電壓、電流有效值和瞬時(shí)功率。內(nèi)部集成了1個(gè)簡單的三線串行口，便于外接MCU的通信，可以送出各項(xiàng)數(shù)據(jù)，進(jìn)行自動(dòng)校對(duì)精度。四條串行接口線：
、SDI、SDO和SCLK。為片選控制線，低電平有效；SDI為串行數(shù)據(jù)輸入線；SDO為串行數(shù)據(jù)輸出線；SCLK為串行時(shí)鐘，用于控制CS5460A與AT89S52之間數(shù)據(jù)傳輸同步。每次數(shù)據(jù)讀寫操作都要通過SDI引腳寫入1個(gè)8位的命令字節(jié)，該操作需要8個(gè)SCLK時(shí)鐘。如果寫入的是“寄存器讀寫”命令，那么接下來應(yīng)通過SDI腳寫入24位數(shù)據(jù)或通過SDO腳輸出8、16、24位數(shù)據(jù)。SCLK時(shí)鐘周期的個(gè)數(shù)由數(shù)據(jù)位數(shù)決定，在通過SDO腳讀取數(shù)據(jù)時(shí)，必須同時(shí)向SDI腳寫入與8、16、24位數(shù)據(jù)大小相對(duì)應(yīng)的1、2、3個(gè)空操作（NOP）命令字節(jié)(0xFE)。CS5460A在每個(gè)計(jì)算周期后可以計(jì)算電壓、電流有效值以及電量。內(nèi)部有多個(gè)寄存器，通過調(diào)節(jié)這些寄存器，可以校準(zhǔn)精度，進(jìn)行參數(shù)的調(diào)整。系統(tǒng)應(yīng)用電路如圖5所示。
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AT89S52[4]的P3.0、P3.1分別與時(shí)鐘芯片DS1302的SCLK、數(shù)據(jù)I/O相連，P1.4連接復(fù)位/片選端CE/RST。 單片機(jī)的P1.0、P1.1、P1.4分別與I2C總線接口E2PROM芯片AT24C02的SDA、SCL、WP相連，AT24C02的A0、A1、A2接地。AT89S52的P1.2，P3.2(INT0)分別與PS2接口DATA、CLK相連，接收用戶按鍵指令。液晶顯示模塊的數(shù)據(jù)線與AT89S52的P0.4、P0.5、P0.6、P0.7、P2.0、P2.1、P2.2、P2.3口相連，指令/數(shù)據(jù)選擇端RS、讀/寫選擇端R/W、使能端E分別與P2.7、P2.6、P2.5相連。人機(jī)接口以PS2鍵盤加上16×2的液晶顯示代替矩陣按鍵和數(shù)碼管顯示。電能表的軟件設(shè)計(jì)部分可分為功能操作模塊和CS5460A控制模塊。功能操作模塊的主要功能是為系統(tǒng)與工作人員之間提供友好的交互界面,對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行有效的管理。其工作流程如圖6所示。
其中初始化系統(tǒng)參數(shù)包括電能常數(shù)、電流檔系數(shù)、電壓系數(shù)及功率系數(shù)等。系統(tǒng)參數(shù)自校正模塊主要為該表的系統(tǒng)參數(shù)自校正提供一個(gè)控制界面，以便于工作人員進(jìn)行各種參數(shù)校正和存儲(chǔ)。主功能模塊主要是電能檢定模塊、電能測量模塊、參數(shù)設(shè)置模塊以及時(shí)鐘顯示模塊等，其中電能檢定模塊是用于送出數(shù)據(jù)以便于與標(biāo)準(zhǔn)表進(jìn)行比較。CS5460A控制模塊主要是控制測量參數(shù)的初始化。其工作流程如圖7所示。
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3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
通過實(shí)驗(yàn)所得參數(shù)如表1所示。
從所測量結(jié)果表明：該電能表所測量的電壓、電流有效值以及功率值的精度可達(dá)到0.2%以上，與傳統(tǒng)電能表相比精度有較大的提高，滿足實(shí)際工作的需要，充分體現(xiàn)了采用CS5460A的好處就是能最大限度地減少測量誤差，而且系統(tǒng)采用AT89S52作為控制核心，帶有并口電路，易于實(shí)現(xiàn)編程，便于參數(shù)修改，適應(yīng)現(xiàn)代電力設(shè)備小型化的要求。
本設(shè)計(jì)采用了基于∑-Δ調(diào)制式的電能計(jì)量芯片CS5460A，大大減輕了單片機(jī)的負(fù)荷，用戶操作接口簡單方便、功能完備，并能查詢電量和電費(fèi)等相關(guān)信息。系統(tǒng)具有功耗低、體積小、成本低特點(diǎn)，可以較好地適應(yīng)現(xiàn)代電能計(jì)量的需求。
參考文獻(xiàn)
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