基于CS5460A的智能電力控制系統(tǒng)

摘要：介紹一種基于CRYSTAL公司的電能計(jì)量芯片CS5460A設(shè)計(jì)智能電力控制終端，給出控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)對(duì)電流、電壓，以及電能進(jìn)行測(cè)量、計(jì)算和儲(chǔ)存。其次，結(jié)合時(shí)鐘芯片DS1302，E2PROM存儲(chǔ)芯片X5045和讀卡器模塊ZLG500C，使系統(tǒng)能完成自動(dòng)抄表、遠(yuǎn)程付費(fèi)、數(shù)據(jù)備份、自動(dòng)斷電等功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)電能測(cè)量自動(dòng)化控制和數(shù)字化管理。
關(guān)鍵詞：CS5460A；ZLG500C；電能參數(shù)；智能電力控制

0 引 言
隨著智能家居時(shí)代的來(lái)臨，傳統(tǒng)的感應(yīng)式電能表不但無(wú)法滿足自動(dòng)化控制的需要，也為數(shù)字化集中管理帶來(lái)了不便。本系統(tǒng)的研究主要是針對(duì)智能家居的自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)化和數(shù)字化需求所提出的，使用CS5460A電能計(jì)量芯片與相關(guān)外圍芯片結(jié)合，不但實(shí)現(xiàn)了最基本的電能測(cè)量，還具有自動(dòng)抄表、過載斷電等功能。本系統(tǒng)通過微處理器對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行控制，因此能夠用軟件的方法實(shí)現(xiàn)信息的采集、處理和存儲(chǔ)，大大簡(jiǎn)化了儀器的整體結(jié)構(gòu)。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
l．1 系統(tǒng)的總體架構(gòu)
為了使操作可視化，該系統(tǒng)采用鍵盤輸入，同時(shí)加入LCD，構(gòu)成人機(jī)互動(dòng)界面。為了更易于組建分布式電能管理系統(tǒng)，該電能表加入了標(biāo)準(zhǔn)的RS 485串行接口，將相關(guān)數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)進(jìn)行統(tǒng)一管理。電能表的硬件是由MCU P89C61X2、C85460A、LCD、DSl302、X5045等所組成，其組成如圖1所示。
該系統(tǒng)的工作原理如下：由互感器電路及取樣電路將回路的電壓和電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為最大有效值為250 mV的小電壓信號(hào)。CS5460A根據(jù)采樣電路輸入的電壓電流算出電能，然后把電壓、電流和功率存入E2PROM再由串行差分總線RS 485傳送給CPU，CPU將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后顯示在LCD上。同時(shí)可以根據(jù)DSl302內(nèi)的時(shí)鐘信息，定期將用電數(shù)據(jù)者通過RS 485串行接口把當(dāng)月用電量傳給上位機(jī)。該系統(tǒng)中的E2PROM存有增益校正和偏移校正的系數(shù)以及相關(guān)的電能計(jì)量信息?？梢钥闯?，電能表的準(zhǔn)確與否取決于采樣電路的設(shè)計(jì)及電能計(jì)量芯片的性能。

1．2 采樣電路的設(shè)計(jì)
CS5460A的電壓通道和電流通道可與電阻分流器或互感器接口。其電流通道的可編程增益放大器(PGA)的增益可設(shè)為10 dB和50 dB，分別對(duì)應(yīng)于最大有效值為250 mV和50 mV的交流信號(hào)輸入；電壓通道的最大有效值輸入為250 mV。由于CS5460A的∑-△型模／數(shù)轉(zhuǎn)換器采用過采樣原理，對(duì)高頻噪聲有較強(qiáng)的抑制，因而對(duì)輸入信號(hào)無(wú)需進(jìn)行復(fù)雜的濾波器處理，引入阻容濾波電路反而容易引起相移。
圖2和圖3是電壓和電流的采樣電路。在圖2中，PT是變比為1:1的電流型電壓互感器，CT為變比2 000:1的電流互感器。取樣電阻R3，R4，R3，R6的阻值由被測(cè)信號(hào)的最大值決定。電阻R1，R2，R7，R8為電壓、電流模擬通道的輸入保護(hù)電阻。原理圖中R3=R4，R5=R6。經(jīng)變換后的小信號(hào)以差模電壓的形式接到Cs5460A的模擬信號(hào)輸入端，減小輸入阻抗。由于互感器的使用引入可能造成輸入信號(hào)的相移，使功率測(cè)量的誤差增大。而CS5460A具有相位補(bǔ)償功能(可進(jìn)行-2．4°～+2．5°的相位補(bǔ)償)，可以大大減小互感器相移所帶來(lái)的誤差的影響。

1．3 CS5460A的接口設(shè)計(jì)
CS5460A的串行口包括4條控制線：，SDI，SDO，SCLK，極易與微處理器連接。對(duì)其操作是通過傳輸命令字來(lái)實(shí)現(xiàn)的，CS5460A的命令字包括寄存器讀寫、校準(zhǔn)等在內(nèi)的7個(gè)命令字。具體來(lái)說，一個(gè)數(shù)據(jù)的傳輸總是從向串行接口的SDI發(fā)送8位命令字開始的，當(dāng)命令中包括一個(gè)寫入操作時(shí)，在其后有24個(gè)行數(shù)據(jù)。當(dāng)發(fā)出一個(gè)讀取命令字時(shí)，串口將根據(jù)發(fā)出的命令，在其后的8，16，24個(gè)SCLK周期從SDO引腳上串行輸出寄存器內(nèi)容。