电子式电能表专用芯片CS5460及其在电测仪表中的应用

电子式电能表专用芯片&)$-."及其

在电测仪表中的应用

西安交通大学工业自动化系71#""-J8陕西省计量测试研究所71#""-I8

摘

罗旭张彦斌胡国鹏张亚琦

要：介绍了德国&%’’()*+,%&公司推出的电子式电能表专用芯片&)$-."的特点、控制方

专用芯片&)$-."

微控制器!()

式、与输入信号及微控制器的接口及其在电测仪表中的应用。

关键词：电子式电能表

电测仪表

近年来，电子式电能表在国际、国内得到了迅速推广。国外许多%&厂家不失时机地推出了各种电子式电能表专用芯片。目前，国内较为常用的单相电子式电能表芯片有德国&%’’()*+,%&公司的&)$-."、三相电子式电能美国/0公司的/011$#和/011$$；

表专用芯片有美国/234*公司的/215&$""6

"#$%&’的内部组成模块如下：

一个电流通道可编程增益放大器F其增益为#"

和$"可选

一个电压通道固定增益放大器，其增益为#" 两个同时采样的#D$模;数转换器 两个高速数字滤波器 两个可选用的高通滤波器 一个功率计算引擎 一个!9$=片内电压基准

一个可以检测电力不足或电源故障的电源监视器 一个持续监视串口通讯的看门狗

一个!9$3GHE!"3GH可选的内部时钟发生器 一个双向串行接口 一个电能;脉冲变换器 一个校准用)’/3

/215&$"#7/215&$"!8等。它们的共同特点是：!高度

集成（集成了/0&、电压基准、功率计算模块）；高精度（测量误差大多小于"95:）；"易接口7易于与微控制器或步进电机接口8。这些芯片为设计低成本、高性

能的电子式电能表提供了非常理想的解决方案。

值得注意的是，在这些专用芯片中，有一些不仅能够测量功率、电能，而且能够测量电压、电流等其它电量，如&)$-."、/215&$""6/215&$"#7/215&$"!8等。而许多电测仪表功能的实现都是以测量功率、电能、电压、电流为基础的，如电力设备交流阻抗测试仪、电力变压器综合参数测试仪等。因此，如果拓展思路，将这些电子式电能表专用芯片用于电测仪表产品的开发中，不仅可以缩短产品开发周期，而且能大大提高产品的性能。笔者就运用&)$-."成功地开发出了多功能电量监测仪。

)"#$%&’的功能控制和测量数据输出方式

)(!"#$%&’的功能控制

&)$-."的功能控制是通过写命令字的方式实现

“启动转换”、“同步的。这些I位长度的命令字包括

调整”、“上电;暂停控制”、“掉电控制”、“校准控制”和“寄存器读;写”等命令。&)$-."内部有#.个!-位长度的用户可访问的寄存器。对这些寄存器的访问是根据填写在“寄存器读;写”命令中的地址进行的。这些寄存器包括“基本配置”、“电流、电压偏移校准”、“电流、电压增益校准”、“循环计数值!”、“电、“前次转换的电流、电压、功率瞬能;脉冲转换尺度”

时值”、“前个计算周期的电能、电流有效值、电压有效值”、“时基校准”、“状态”、“中断屏蔽”等寄存器。

!"#$%&’的特点和内部结构

!(!

"#$%&’主要特点

符合%4&$!#;#"5.、<%)工业标准

能够测量瞬时电压、瞬时电流、瞬时功率、电能、电压有效值和电流有效值；能完成电能;脉冲转换

电能测量精度："9#:

具有相位补偿和系统校准功能

具有!9$=片内电压基准（温漂.">>?;@&） 功率消耗A#!?B 电源配置：或

)()"#$%&’的测量数据输出方式

在&)$-."接收到“启动转换”命令（设置为多计

算循环方式）后，电能寄存器和电压、电流有效值寄（!值在循环计数寄存器中设置）存器内的数据，每!次/;0转换（等于一个计算周期）完毕后更新一次。

=/6C6$=，=/DC"=；=06C65=E6$=

=/6C6!9$=F=/DCD!9$=；=06C65=

《电子技术应用》!""#年第$期

四通工控*+,软起动器经销商（’!’）&)&)&!%%&)&)&!%$.J

而电压、电流、功率瞬时值寄存器内的数据，则每一次

果写入的是“寄存器读4写”命令，那么接下来应通过

840转换完毕后便更新一次。应当注意的是：%&$’("

的状态寄存器中的“0509”（数据有效）位，在每个计后才置位，同时在4-./算周期（!次840转换完毕）引脚产生中断信号（当屏蔽寄存器的“0509”位未被屏蔽时），所以若让电压、电流、功率的瞬时值数据每更新一次就产生一个中断请求，需将循环计数寄存器的值!设为#。微控制器进行中断处理的一般过程是：读%&$’("状态寄存器!屏蔽中断!进行中断服务处理!将步骤一读出的值写回%&$’("状态寄存器（清状态位）!开中断!返回。

&0-引脚写入!’位数据或通过&01引脚输出A、#(、!’位数据。&%23时钟周期的个数由数据位数决定。

必应当注意的是，在通过&01引脚读取数据的时候，须同时向&0-引脚写入与A、#(、!’位数据大小相对应的#、（.1*）命令字节（"BC6）。!、,个空操作

图!是笔者在课题中使用的%&$’("与)%&$#系列单片机的接口原理图。

&0-&01

&%23

%&$’("

456&6/

4-./4%&

图!

*#+"*#+#*#+!)%&$#*#+,)%7-./#

!"#$%&’的模拟信号输入电路

%&$’("的电流通道可与低功耗分流器或互感器

接口；电压通道可与阻性分压器或互感器接口。其电流通道的可编程增益放大器（*:8）的增益可设为#"和$"，分别对应于最大有效值为#$";<和,";<的交流信号输入；电压通道的最大有效值输入为

%&$’("与)%&$#系列单片机接口原理图

#$";<。由于%&$’("的!="型模4数转换器采用过

采样原理，对高频噪声有较强的抑制作用，因而对输入信号无需进行复杂的滤波处理（引入阻容滤波电路反而容易引起相移）。

图#是笔者在课题中采用的模拟信号输入电路。在图#中，*/为变比#>#的电流型电压互感器，%/为变比!""">#的电流互感器。取样电阻"#、"!、"$、

下面是与此接口方式相对应的写命令字、写寄存器和读寄存器操作的$#汇编指令。

；&0-；&01

；&%23

D-/

D-/D-/*#+"*#+#*#+!

；读寄存器程序入口存放“读寄存器”命令字存放读出数据高字节存放读出数据中字节存放读出数据低字节

"(的阻值由被测信号的最大值决定。经变换后的被测信号以差模电压的形式接到%&$’("的模拟信号输

入端。由于互感器角差的影响，可能造成输入信号的

50E56:>

；-.>8；17/>,!F；,#F；,"F

2%822

)1<

相移，使功率测量的误差增大。而%&$’("具有相位补

)1<

偿功能（可进行=!+’?至@!+$?的相位补偿，步进"+502*#>)1<

，可以大大减小互感器角差的影响。,’?）)1<

502*!>%25%"#$%&’与微控制器的接口及编程

.1*

%&$’("有四条串行接口线：4%&、&0-、&01和

)1<

&%23。4%&为片选控制线，低电平有效；&0-为串行数52%据输入线；&01为串行数据输出线；&%23为串行时钟，)1<

)1<用于控制%&$’("与微控制器之间数据传输同步。

52%

每次数据读4写操作都要通过&0-引脚写入一个

)1<

该操作需要A个&%23时钟周期。如A位的命令字节，)1<

&6/D

",)1<"M<-.@--.@

0I.J

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；,#F,""#,""#；,"F

图#模拟信号输入电路

&6/E%1)

5!GH,!F5,GH",F5’GH"AF5"GH"C6F&%23%G&018

5#G88G5"8

5"G8&0-G%&%238G5#

5’G502*!K5!G85!

5,G502*#%1)E6.0

；写寄存器程序入口存放“写寄存器”命令字存放写入数据高字节存放写入数据中字节存放写入数据低字节

2%822&6/E%1)

M"《电子技术应用》!""#年第$期

电压信号

电流型电压互感器钳型电流互感器

理。该仪器中的;;/(&%存有各个电量的系数（从

9;e

流B压变换电路

56$1A"读取的数据乘以系数才是最终结果）以及

校验电能表时设定的转盘圈数和电能表常数。电源芯片%3EF$A提供G$’的仪器工作电压。

在该仪器中，将56$1A"的工作时钟%5.9选定为1H"IA%,J，分频系数!设为#，循环计数寄存器的"值设为1"""，则一个基本的计算周期

56$1A"

%56$#%5d

.57

电流

信号

%3EF$A电池供电电路

图+多功能电量监测仪硬件框图

为#"!1K"）BL%5.9B!MN#O。

;;/(&%

!’)运用"#!$%&测取各电量的方案

电流有效值、有功功率、功率因!’)’(电压有效值、

数的测量

电压、电流有效值可直接从电压有效值寄存器、电流有效值寄存器中读取。而由于计算周期设为#O，电能寄存器中的电能值即为有功功率值，因此有功功率值可直接从电能寄存器中读出。功率因数可由公式

(-./#0(-./!0

%&’

%&’%&’%&’(.5%&’5.(:&/6;<=7>:?7;57>:?6>%/

(!)*+!,(+)*"+,(1)*"2,3)4(!3

678)565.965.9

(1)(-./!(!

(+)(-./#5&%@;:7

；写命令字程序入口存放命令字

#$%!&’(L)*M得出。!’)’)

频率的测量

将循环计数寄存器的"值改设为#，此时电压、电流瞬时值数据的刷新率为1""",J，这就为通过软件进行信号过零判断创造了条件。频率测量的具体方法是：通过一个过零函数来记录电压信号正向过零次数，并同时记下读取数据次数，如果取#"个周期的平均时间为实测周期时间，那么当记到第##次正向过零时，就停下来算出每个周期内读取数据次数，默认两次读取数据的时间差为!$""O，便可算出频率。

6;<@5&%0

；8:0

3%&’(1)*"2,

5&%./#0(.53

%&’678)55.(65.9:&/6;<=65.97>:?(1)5&%./#

5&%@;:70(;<

!’)’*电能累计值的测量

电能表误差的计算公式如下：电能表误差N

设定圈数K+A""K#"""P+

!"#!$%&在多功能电量检测仪中的应用

!’(

多功能电量检测仪简介

多功能电量检测仪是笔者研制的供电部门工作人员使用的便携式仪器，它能在不断电不拆线的情况下现场检验单相机械式电能表的精度，同时还能检测回路的电压、电流、有功功率、功率因数和频率，是进行用电监察、供电质量监测的理想工具。考虑到

K#""Q

其中，+为电能表转盘转过设定圈数所用时间（靠两次按键来确定）中的电能累计值，单位为焦耳。将循环计数寄存器的"值改设为1"，则此时电能寄存器数据刷新周期为#"CO，即可以每#"CO从电能寄存器中读取数据并在单片机中累加。由于一次按键的时间为!"R+"CO)并考虑到人为因素造成的计时误差，则因电能寄存器数据刷新时间间隔所引起的计时误差是可以忽略的。

本文介绍的以56$1A"为核心的多功能电量检测仪已于!"""年A月通过陕西省计量局的技术鉴定，其电压、电流、有功功率、电能的测量精度均达到"H!级标准，完全能满足现场应用要求。频率测量误差小于"H"!,J，参考文献

#6STUVW/XYOW=SP7SZW[\S]TYV/]^WZB;TWZU_85P56$1A"H/ZWVSCSTYZ_/Z]‘a[\8Tb]ZCY\S]TH3/(’II76!FI//+，8TP\WZTW\网址：X\\c0BB^^^H[Z_O\YVH[]C

#IIFLIM!张志伟H电测新技术及其发展H电测与仪表，+中华人民共和国电力标准7.B<$2$—I$

（收稿日期：!"""P#"P+"）

56$1A"的基本功能与该仪器的功能有许多相似之

处，如测量电压有效值、电流有效值、有功功率和电还可以能，而且将56$1A"的基本功能加以变通运用，派生出一些其它功能，如测取频率和功率因数。我们在该仪器中采用了56$1A"作为其核心。

图+是多功能电量检测仪的硬件框图。

该仪器由互感器电路及流B压变换电路将回路的电压、电流信号分别变换为最大有效值为#$"C’和（将56$1A"电流通道的/D3增益设为$"）的小+"C’

电压信号。56$1A"测取电压有效值、电流有效值、有功功率、电能、电压瞬时值后，由单片机进行数据处

《电子技术应用》!""#年第$期

四通工控+,-软起动器经销商（&(&）%)%)%($$%)%)%($!F#

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/e9s1.html