摘要：介紹一種基于CRYSTAL公司的電能計量芯片CS5460A設計智能電力控制終端，給出控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設計，該系統(tǒng)對電流、電壓，以及電能進行測量、計算和儲存。其次，結(jié)合時鐘芯片DS1302，E2PROM存儲芯片X5045和讀卡器模塊ZLG500C，使系統(tǒng)能完成自動抄表、遠程付費、數(shù)據(jù)備份、自動斷電等功能，實現(xiàn)對電能測量自動化控制和數(shù)字化管理。
關鍵詞：CS5460A；ZLG500C；電能參數(shù)；智能電力控制
0 引 言
隨著智能家居時代的來臨，傳統(tǒng)的感應式電能表不但無法滿足自動化控制的需要，也為數(shù)字化集中管理帶來了不便。本系統(tǒng)的研究主要是針對智能家居的自動化、網(wǎng)絡化和數(shù)字化需求所提出的，使用CS5460A電能計量芯片與相關外圍芯片結(jié)合，不但實現(xiàn)了最基本的電能測量，還具有自動抄表、過載斷電等功能。本系統(tǒng)通過微處理器對整個系統(tǒng)進行控制，因此能夠用軟件的方法實現(xiàn)信息的采集、處理和存儲，大大簡化了儀器的整體結(jié)構(gòu)。
1 系統(tǒng)硬件設計
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，同時加入LCD，構(gòu)成人機互動界面。為了更易于組建分布式電能管理系統(tǒng)，該電能表加入了標準的RS 485串行接口，將相關數(shù)據(jù)上傳至上位機進行統(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轉(zhuǎn)換為最大有效值為250 mV的小電壓信號。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)進行處理后顯示在LCD上。同時可以根據(jù)DSl302內(nèi)的時鐘信息，定期將用電數(shù)據(jù)者通過RS 485串行接口把當月用電量傳給上位機。該系統(tǒng)中的E2PROM存有增益校正和偏移校正的系數(shù)以及相關的電能計量信息。可以看出，電能表的準確與否取決于采樣電路的設計及電能計量芯片的性能。
1．2 采樣電路的設計
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)的增益可設為10 dB和50 dB，分別對應于最大有效值為250 mV和50 mV的交流信號輸入；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，對高頻噪聲有較強的抑制，因而對輸入信號無需進行復雜的濾波器處理，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的阻值由被測信號的最大值決定。電阻R1，R2，R7，R8為電壓、電流模擬通道的輸入保護電阻。原理圖中R3=R4，R5=R6。經(jīng)變換后的小信號以差模電壓的形式接到Cs5460A的模擬信號輸入端，減小輸入阻抗。由于互感器的使用引入可能造成輸入信號的相移，使功率測量的誤差增大。而CS5460A具有相位補償功能(可進行-2．4°～+2．5°的相位補償)，可以大大減小互感器相移所帶來的誤差的影響。
1．3 CS5460A的接口設計
CS5460A的串行口包括4條控制線：，SDI，SDO，SCLK，極易與微處理器連接。對其操作是通過傳輸命令字來實現(xiàn)的，CS5460A的命令字包括寄存器讀寫、校準等在內(nèi)的7個命令字。具體來說，一個數(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，當命令中包括一個寫入操作時，在其后有24個行數(shù)據(jù)。當發(fā)出一個讀取命令字時，串口將根據(jù)發(fā)出的命令，在其后的8，16，24個SCLK周期從SDO引腳上串行輸出寄存器內(nèi)容。
CS5460A的數(shù)據(jù)輸入SDI、數(shù)據(jù)輸出SDO、串行時鐘SCLK、片選、分別MCU與MC的PO．0，P0．1，P0．2，P0．4相連，復位端RESET接P89C61X2的PO．3，測量之前要對CS5460A進行復位。
引腳用來通知系統(tǒng)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換結(jié)束或出錯信息，這些事件包括芯片運行的狀態(tài)和內(nèi)部故障狀態(tài)，與P89C61X2的INT0相連，低電平有效。狀態(tài)寄存器與屏蔽寄存器組合將產(chǎn)生信號，當狀態(tài)寄存器的某位有效，并且屏蔽寄存器相應的位是邏輯1，INT信號被激活；當狀態(tài)寄存器的這一位恢復為無效時，中斷狀態(tài)被清除，一般89C51每經(jīng)一次計算周期通過中斷或查詢讀一次測量數(shù)據(jù)。CS5460A與89C51系列單片機的接口電路如圖4所示。
1．4 時鐘模塊的接口設計
DS1302是DALLAS公司推出的涓流充電時鐘芯片內(nèi)含有一個實時時鐘／日歷和31字節(jié)靜態(tài)RAM通過簡單的串行接口與單片機進行通信實時時鐘／日歷電路提供秒分時日日期月年的信息每月的天數(shù)和閏年的天數(shù)可自動調(diào)整時鐘操作可通過AM／PM指示決定采用24或12小時格式DS1302與單片機之間能簡單地采用同步串行的方式進行通信僅需用到三個口線：RST復位端；I／0數(shù)據(jù)線；SCLK串行時鐘時鐘。RAM的讀／寫數(shù)據(jù)以一個字節(jié)或多達31個字節(jié)的字符組方式通信。 DS1302工作時功耗很低保持數(shù)據(jù)和時鐘信息時功率小于1 mW。其接口電路如圖5所示。
1．5 E2PROM模塊的接口設計
該芯片內(nèi)的串行E2PROM是具有Xicor公司塊鎖的保護功能的CMOS串行E2PROM，它被組織成8位結(jié)構(gòu)，由一個四線構(gòu)成的SPI總線方式進行操作，其擦寫次數(shù)至少有l(wèi) 000 000次，并且能保存數(shù)據(jù)長達100年。X5045的接口電路如圖6所示。
1．6 ZLG500C的接口設計
為了能減少I／0口的占用，提高系統(tǒng)的集成度，本系統(tǒng)采用ZLG500C讀卡器模塊來進行開發(fā)。ZLG500C以MFRC500為主體，該系列模塊具有如下特點：四層電路板設計，雙面表貼工藝，EMC性能優(yōu)良；采用PHILIPs高集成度讀卡芯片MFRC500；具有控制線和可控蜂鳴器信號輸出；能讀寫MFRC500內(nèi)E2PROM；支持Mifarel S50，Mifarel S70，MifareUltraLight，Mifare Light。
在使用時只需將Rx，Tx和相應控制接口接入MAX485的相應端口即可，模塊中所具有的微控制器能根據(jù)特定的數(shù)據(jù)格式，進行網(wǎng)絡層和數(shù)據(jù)鏈路層的格式轉(zhuǎn)換，使得ZLG500C和單片機之間進行通訊。
2 系統(tǒng)軟件設計
2．1 系統(tǒng)主體程序框架設計
整個系統(tǒng)軟件由主程序與數(shù)據(jù)采集子程序、數(shù)據(jù)記錄子程序、數(shù)據(jù)通信子程序、異常處理子程序、顯示子程序等組成。如圖7所示。
2．2 CS5460A的程序設計
2．2．1 CS5460A的校準
為了能使提高CS5460A的實際測量準確度，在開始測量前要對其進行校準。CS5460A提供AC和DC校準。用戶通過設置校準命令字中的相應位來決定執(zhí)行那種校準，不管是那種校準都有兩種模式：系統(tǒng)偏移校準和系統(tǒng)增益校準。無論是AC還是DC校準，用戶部必須提供正的滿量程信號以完成系統(tǒng)增益校準以及參考地電平以完成系統(tǒng)偏移校準，用戶提供的校準信號的差分電壓必須限定在差分電壓輸入范圍內(nèi)。因為本文使用的是市電即交流信號(220 V，50 Hz)，所以校準均采用AC校準。AC偏移校準時需提供零電壓和零電流信號，最后得到的實際測量值=線性值+偏移值；AC增益校準實質(zhì)是對CS5460A的電壓電流有效值寄存器、電能寄存器進行系統(tǒng)刻度校準，需提供滿量程電壓電流信號。最后使得對應輸入端校準參考信號電平的電壓有效值寄存器(RMS)的值為0．6。然而，每次復位會將偏移寄存器清O和增益寄存器置1，因此，將第一次校準得到的偏移寄存器值、增益寄存器值保存在E2PROM，每次復位后，CS5460A初始化時將這些值重新裝入對應的寄存器中。校準的一般流程如圖8所示。
2．2．2 CS5460A的初始化
在該系統(tǒng)中，CS5460A的工作時鐘MCLK選定為4．096 MHz，分頻系數(shù)K設為1，循環(huán)計數(shù)寄存器的N值設為4 000，則一個基本的計算周期為(1 024×N)／(MCLK／K)=1 s。
CS5460A與單片機的接口非常簡單，但它的初始化命令較多，使用上有一定的技巧，如使用不當有時可能初始化不成功，引起芯片的轉(zhuǎn)換出錯，使系統(tǒng)不能正常工作。所以在使用過程中將初始化過程反復調(diào)試，編成通用子程序，使用時調(diào)用，可確保每次運行的準確、可靠。CS5460A初始化子程序框圖如圖9所示。
CS5460A初始化程序如下：
CS5460A WriteReg(0x40)； ／／寫配置寄存器
CS5460A_WriteReg(0x78)； ／／寫控制寄存器
CS5460A WriteReg(0x74)； ／／寫屏蔽寄存器
read byte()； ／／從E2PROM中讀取校準值
CS5460A_WriteReg(Ox60)； ／／寫交流電流偏移寄存器
CS5460A_WriteReg(Ox62)； ／／寫交流電壓偏移寄存器
CS5460A_WriteReg(0x44)； ／／寫交流電流增益寄存器
CS5460A_WriteReg(0x48)； ／／寫交流電壓增益寄存器
CS5460A_WriteCommand(0xe8)； ／／寫入開始轉(zhuǎn)換命令
2．3 ZLG500C的程序設計
ZLG500C模塊通過對上位機電能數(shù)據(jù)的存取，和對非接觸IC卡的值操作，可以實現(xiàn)對電表的遠程付費。
一般非接觸IC的讀卡流程如圖10所示。
程序如下：
2．4 中斷服務程序的設計
2．4．1 電能測量中斷處理
中斷處理子程序：本系統(tǒng)利用單片機外部中斷，低電平有效。當CS5460A的一個計算周期結(jié)束后，引腳由高電平變?yōu)榈碗娖?，觸發(fā)微單片機外部中斷，程序轉(zhuǎn)到中斷處理子程序。中斷服務子程序的功能是先讀取CS5460A的寄存器值，然后判斷用電量是否過載，如果過載則通過繼電器斷開總電源，如果用電在額定功率范圍內(nèi)，則更新E2PROM中I，V，P寄存器內(nèi)的值并將最新的電能寄存器中的值與E2PROM中的電能數(shù)據(jù)進行累加后存入E2PROM并將數(shù)據(jù)顯示在LCD上。最后判斷當月用電信息是否已經(jīng)上傳至上位機，若未上傳則通過RS 485上傳信息。
2．4．2 按鍵中斷處理
本系統(tǒng)中設有一個付費按鍵，該鍵連接外部中斷，中斷觸發(fā)后執(zhí)行如圖11所示流程。
3 結(jié) 語
綜上所述，本文為智能化電能管理提供了一個有效的解決方案。本系統(tǒng)因采用的X5045，所以可將電壓和電流有效值、功率、用電量等歷史數(shù)據(jù)保存在E2PROM中，不斷刷新，以供出現(xiàn)故障時查看故障過程，同時系統(tǒng)作為智能終端通過RS 485串行差分總線與上位計算機連接，將當前計算所得數(shù)據(jù)上傳。對用電功率、電流、電壓、頻率、電量等進行集中監(jiān)測和控制，設計出分布式電能控制系統(tǒng)，實現(xiàn)電能的分散控制和集中管理。此外，該系統(tǒng)可通過模擬開關復用RS 485總線，讀卡器模塊ZLG500C實現(xiàn)遠程電能付費等一體化的功能。