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基于CS5460A 的单相智能功率表的设计

浏览147次时间：2015年4月02日 15:59

李浩楠红塔辽宁烟草有限责任公司沈阳卷烟厂辽宁沈阳 110000

【文章摘要】

介绍了一种基于CS5460A 的单相智能功率表的设计。本设计以AVR 单片机MEGA128 为系统的控制核心，运用带SPI 接口的功率计量芯片CS5460A，系统配置RS485 接口， 128×64 点阵LCD、键盘输入、实时时钟、FLASH 存储器等。该功率表要实现的主要功能是功率参数的实时测量，存储与显示，并能够实现与PC 机的通信。

【关键词】

CA5460 ；功率表；MEGA128

0 引言

本次设计的单相智能功率表准确度高，响应速度快，测量面广，可用于交流电压电流有效值、有功功率、无功功率，功率因数等电参数的综合测量，采用液晶显示，读数直观、准确，并使用掉电保护存储器保存数据，可以方便地查讯历史数据，同时带有串行接口RS485 与计算机进行通信，方便的用于集散系统或采集系统。具有广阔的市场和发展前景。

1 系统硬件设计

本系统采用模块化设计的硬件设计原则，整个装置分为两大部分：功率计量处理和AVR 控制器处理部分。系统工作过程如下：通过电压/ 电流互感器分别采集单相交流电信号，将其转化得到的弱电信号经信号调理电路、模拟滤波电路送入功率计量芯片，处理后将有效数据送入CPU 中进行下一步处理，完成数据的实时显示或远程传输。

系统通讯电路部分包含RS-485 串行接口，可进行数据的远程传输；系统中包含键盘、显示（LCD）和开关量输入/ 输出、数据存储等外围电路，可以实现参数设置、数据显示、存储等功能。系统硬件框图如图1（A）所示。下面主要介绍主控制器和功率计量电路。

2 核心控制电路设计

本系统中主控器为ATMega128，负责液晶显示、数据存储、数据传输、键盘管理、时钟芯片管理、功率芯片管理等诸多任务。其硬件接口电路设计如图1(B) 如示。

在本设计中用到的外设接口分为以下几类：

1) 通用I/O 口：用于单个信号的控制。

2) SPI 口：用于与功率计量芯片CS5460A 和FLASH 存储芯片AT45DB041D 通信。

3) I2C 接口：用于与实时时钟芯片DS1307 通信。

4) UART1 接口：与上位机通信的部分。

3 功率计量电路设计

3.1 功率计量芯片CS5460A 介绍

CS5460A 是CIRRUS LOGIC 公司推出的带有SPI 接口的单相双向功率/ 电能计量集成电路芯片。CS5460A 初始化后，经过互感器将电流电压信号转化为小信号的电压信号，电流通道和电压通道的信号被片内放大器放大后，通过两个同时采样的模/ 数转换器转换为数字信号，再通过高通滤波器消除信号中的直流成分，得到的瞬时电压、电流值进入高速数字乘法器相乘，产生瞬时有功功率；瞬时有功功率又经过时间累计、平均，得到电能E，单位时间内的能量就是有功功率。经过计算后得到的电压和电流有效值、瞬时电压、瞬时电流、瞬时有功功率、电能分别存入对应的内部寄存器中，等待微处理器读取。

3.2 电压电流信号采集电路:

使用电压互感器，电流互感器将220V 电压，0 － 6A 电流转化为符合功率芯片CS5460A 输入要求（0 ～ 0.15V）的小信号。电路设计如图2（A）。

3.3 小信号调理电路设计

这部分电路实现对由电压电流互感器采集的已符合CS5460A 输入电压信号要求（信号有效值：-0.15V~+0.15V）的电压电流信号进行限流，滤波，以提高测量精确度。如图2（B）。

3.4 功率计量电路设计

本部分电路的功能是使用CS5460A 对经过调理的电压电流信号进行处理，并将处理得到的电压和电流有效值、瞬时电压、瞬时电流、瞬时有功功率分别存入对应的内部寄存器中，等待微处理器读取。电路设计如图2（C）。

4 硬件电路设计总结

1）原理图设计时需考虑各模块的功能和可行性，大到整个系统，小到每个芯片的引脚，都要仔细考虑；

2） PCB 布线时需遵守抗干扰规则。PCB 设计结束后需仔细检查，对需要改正的地方进行修改。

3）调试应遵循由简单到复杂的过程，以功能为单位，一部分一部分电路的进行，确保每部分运行准确无误再进行下一部分的调试，这样便于找出问题。

5 结束语

本文中基于CS5460A 设计的单相智能功率表有多种优良的性能, 能够满足电力部门的需要, 具有一定的推广价值和较好的市场前景。