基于CS5463的远程多功能电表的设计

李永明，郎 朗，陈跃东

（安徽工程大学安徽省电气传动与控制重点实验室，安徽 芜湖241000）

0 引言

随着经济的发展，各行各业对电力的需求越来越大。大力发展智能电网，加强电力需求管理和综合电力资源管理，是电力供应发展的方向。智能电力仪表作为智能电网的基础配备之一将随用户端配电智能化和节能政策的推进，市场需求量会逐步扩大[1]。因此研究一种既可用于对电压、电流、电能等重要的电力参数进行实时测量，同时又具有无线通信功能的多功能电表具有非常重要的意义。

本文研究的网络型多功能电表，集测量、数据储存及处理、通讯于一体，完成三相电流、电压、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数、能量、频率等参数的测量、显示、记录以及电流、电压超限告警等，并利用无线网络通讯技术，将各用户的综合信息传至管理中心，从而实现电力参数的实时采集监控。

1 系统硬件电路设计

网络型多功能电表由数据采集、微处理器控制、远程通讯3部分组成。因此电表整体电路结构有计量单元、处理单元、存储及显示模块、通讯模块、电源等组成。电表结构框图如图1所示。

图1 网络型多功能智能电表结构框图

1.1 数据采集电路研究与设计

数据采集采用交流采样方法，将电网电压电流经过电压分压电路和电流互感器等采样电路转化成较小的交流信号，输入到专门设计的电量测量集成芯片的电压电流通道，进行数字化处理并计算后测得电网电压、电流、功率等数据[2]。采用这种方法的硬件电路简单、成本低。

在电力测量中，对于周期为T的信号，在一个周期内以有限等间隔采集到的电压、电流瞬时值来代替连续周期的电压、电流函数值。

对于交流信号，其电压／电流有效值为：

式中：uk——第k个电压采样瞬时值；

ik—— 第k个电流采样瞬时值；k＝1，2，…，n。

式中N是被测电网信号每个周期里的采样点数，采样点N越大，采样精度越高，但是N过大又会影响采样速度，因此，应根据实际需求选择合适的采样点数。

数据采集采用美国Cirrus Logic公司的CS5463计量集成电路芯片。这种芯片集成了数字信号处理技术，支持硬件和软件2种校表方式，不仅计量精确度高，而且硬件软件设计简单、性价比高。

CS5463包含2个模—数转换器（ADC）、功率计算功能、电能到频率转换器和一个双向通讯串行接口。它可以精确测量和计算有功电能、无功电能、瞬时功率、IRMS和VRMS。芯片有高速电能计算引擎和电能—脉冲转换功能，CS5463的E1、E2、E3即是能量输出口、输出频率和能量成正比关系的脉冲，低电平有效。E1、E2、E3分别对应有功功率、视在功率和无功功率[1]。

为了保证精度，本设计中电压／电流采样电路由精度较高的电压／电流互感器和精密电阻及滤波电容组成。电网电压／电流信号经过电压／电流互感器（变比根据测量要求设定）、电阻、电容等采样电路得到小电压信号输入到CS5463的电压VIN±和电流通道IIN±。电压信号经10倍增益放大器放大，再通过二阶调制器数字化。电流信号为适应不同电平的输入电压，电流通道集成有增益可编程放大器（PGA），使输入电平满量程可选择为±250mVrms或±50mVrms，再通过四阶Δ－∑调制器来数字化[2]。本设计取PGA为10，使电压、电流电平满量程均为±250mVrms。为了满足电流、电压采样通道的输入信号范围，在电流互感器二次侧加一采样电阻R3，将其输出电流转化为电压信号；在电压互感器二次侧串入电阻R1，与采样电阻R2形成电阻分压网络。

CS5463A的XIN、XOUT外接晶振为系统提供时钟；SCLK为串行通信的时钟信号；SDI＼SDO为串行通信的输入／输出；PFMON为电源掉电监测[3]。采样电路见图2。在图2中，C1～C6是高频干扰信号的滤波电容，两通道电容大小应一致，避免电流、电压两通道产生附加的相位差[4]。

1.2 CS5463与单片机的接口设计

在硬件电路设计中，主控器采用单片机AT89S52。CS5463与单片机AT89S52是通过一个SPI口进行通信。标准的SPI接口包括2条控制线和2条数据线CS、SDI、SDO和SCLK。其中CS为片选信号，低电平有效[4]，是允许访问串口的控制线；SDI和SDO是串行输入／输出线。CS5463将处理并计算测得到的电网电压、电流、功率等数据通过SDI和SDO传输到微处理器AT89S52进行总功率和电量的计算、监控与记录等处理；SCLK为串行时钟，控制数据输入／输出AD转换器的传输率。在SCLK的电平转换能被端口识别之前，CS必须被置为逻辑0[3]，单片机与CS5463之间采用光耦隔离。接口电路见图3。

图2 采样电路

图3 CS5463与单片机接口电路

1.3 GPRS网络通信设计及模块选择

本设计将GPRS无线通讯模块加入到多功能电表中，实现电力数据自动采集、远程监控等功能。GPRS采用分组交换技术，按流量计费，仅在传送和接受数据时才占用无线资源。对于间断的、突发性且频繁的，特别是点多分散、中小流量数据传输比较适合[5]。仪表通过GPRS方式向中心站发送电表所能输出的各类数据，并由中心站进行分析、处理，实现无线抄表功能。由于GPRS通讯还可以实现电力参数的实时在线，所以当线路出现异常时可以及时报警，便于管理人员及时处理，降低损失。

系统采用Sony Ericsson公司的GR47无线模块实现GPRS的无线数据传送功能。该模块具有GSM／GPRS语音、短信等功能，内嵌TCP／IP协议栈。GR47模块有控制模块和数据传输单元2部分，控制模块用于对电表数据采集流程的控制和对数据或命令的分析处理。数据传输单元用于对数据、命令的无线传输[6]。

微处理器与GPRS模块一般采用串行异步通信接口，通信速度可设定，通常为9 600bps。采用RS232电缆方式进行连接时，数据传输的可靠性较好。微处理器通过电平转换电路与GPRS模块连接。本设计采用芯片MAX232用于串行通信接口与232通信接口之间的电平转换。因为电力系统中干扰比较厉害，所以在设计时MAX232的电容值稍微大些，采用10uf。电路原理图如图4所示。

图4 微处理器与GPRS模块连接的电路原理图

2 系统软件设计

微控制器是整个智能仪器的控制核心。它主要完成系统的输入／输出人机接口控制，数字信号的控制，以及接入GPRS的数据传输控制，并负责系统中各系统电路的协调和管理，数据的再处理，软／硬件的协调等。CS5463是单相计量芯片，因此三相的各种参数以及电能等只能通过控制器的程序计算实现。控制器定时接收由计量芯片传送来的数字信号，对它们进行分析和计算，并将这些数据存入非易失存储器中，以供显示和查询。同时，微控制器检测电源电压报警信号，如发现测量参数超限，立即进行现场保护，将运行数据存入存储器，由微处理器中的程序决定它将哪些参数经过处理后送到存储器中储存，最后将结果保存并传送给管理中心。并送到显示部分进行显示。在系统软件设计中，程序采用模块化结构。主程序框图如图5所示。

图5 主程序流程图

网络型多功能电表在现场参数采集和处理完后，移动模块可通过指令来完成与微处理器之间的数据通讯以及与电力监控中心的数据发送和接收，进行远程监控。

监控中心的服务器首先申请获得一个固定的IP地址，并且以此IP地址接入Internet。多功能电表GPRS通讯模块是以浮动IP地址的方式连接到Internet的，其IP地址每次连接时都不一样[7]。首先，服务器向模块发送带有IP地址的短消息，然后等待模块端与服务器的连接。一旦连接成功，即可以向模块端发送查询实时数据，读取定时抄读文件以及远程I／O控制等命令。然后，对接收到的电力数据进行校验分析、存储和管理。

作为用户端的电表，多数情况下GPRS通讯模块处于节能模式状态，只有在远程抄表和本地异常唤醒时才工作。当接到服务器端的IP短消息，从中提取出IP地址，然后向服务器端发起连接。一旦连接成功，模块开始等待服务器端发送来的相应命令开始上传数据，其工作流程如图6所示。

3 提高电力参数计量精度的策略

作为电力测试仪表，尤其要计量电能的仪表，在结算用电量时其仪表是否精准，关系到电力系统和客户的经济利益。所以，智能电表在设计过程中要充分考虑电表的精度要求。针对计量准确度问题，本设计通过以下几个方面解决：

图6 通信流程图

（1）在硬件设计过程中，尽可能地减小干扰源，抑制干扰：采取隔离、抑制共模干扰等切断干扰传播路径，提高敏感器件的抗干扰性能；电路板布线时，将晶振与单片机引脚尽量靠近，而将强电和信号线分开布线，尽可能让干扰源远离敏感元件。（2）在软件设计中，采用模块化设计和采样周期动态调整来提高采样的精度。（3）通过相位补偿位来消除电压、电流2个通道的数字采样信号的相位畸变。（4）CS6453具有系统校准功能，采取开机校准方法提高精度。（5）CS6453具有温度传感器，可以利用温度传感器补偿温度漂移引起的误差。

4 结语

本文设计的多功能电能表由于采用了集成测量芯片，硬件软件设计简单，在不减少功能的前提下，改进了整个电路系统的性能，使电参数测量仪表的体积大大减小，功耗明显降低。经实验证明，该电能表具有运行稳定、可靠性和精度高的优点。另外，将GPRS无线通讯模块加入到智能电表当中，可以改变由于用户分散、监控难度大、通讯维护成本高的状况，提升电力信息化管理水平，有很好的实用开发价值。

[1]袁瑶，刘夷昕，王晓曦，等.我国智能电网规划现阶段研究与应用[J].长春工程学院学报：自然科学版，2010，11（4）：42－45.

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[3]甘建平，朱青.基于电能计量芯片CS5463A的电子式电能表的设计[J].中国仪器仪表，2007（4）：39－40.

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[5]李楠，屈百达.基于电力线载波与GPRS相结合的远程抄表系统[J].电测与仪表，2007，44（9）：33－37.

[6]李炜，卢英，张义超.基于GPRS无线通信的自动抄表系[J].计算机技术与发展，2008，18（10）：173－176.

[7]杨瑞霞.基于GPRS电力无线抄表系统的设计与实现[J].电测与仪表，2007，44（12）：30－32.