电子式电能表设计

电流型电压互感器电流型电压互感器电压信号电流互感器电流信号流/压变换电路CS5460AT89S52KeyLCDPC机图2-1多功能电能表硬件框图DS1302AT24C16相2线或3线电表。CS5460A可以使用低成本的分流器或互感器测量电流，使用分压电阻或电压互感器测量电压。CS5460A具有与微控制器通讯的双向串口，芯片的脉冲输出频率与有功能量成正比。CS5460A具有方便的片上AC/DC系统校准功能。“自引导”的特点使CS5460A能独自工作，在系统上电后自动初始化。在自引导模式中，CS5460A从一个外部EEPROM中读取校准数据和启动指令。使用该模式时，CS5460A工作时不需要外加微控制器，因此当电表用于大批量住宅电能测量时，可降低电表的成本。并且本芯片集成度较高便于编程控制，故本设计采用此方案。2.4CS5460A概述2.4.1基本结构及功能CS5460A的内部组成模块如下：·一个电流通道可编程增益放大器其增益为10和50可选·一个电压通道固定增益放大器，其增益为10·两个同时采样的AD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SRAM2.4.2主要特性（1）在片计算和处理功能；（2）可以从串行E2PROM智能“自引导”,不需要微控制器,具有电能-脉冲转换功能；（3）具有AC或DC系统校准功能；（4）具有简单的三线数字串行接口,可以方便地进行读写；（5）看门狗定时器；（6）片上2.5V基准（60×10-6/OC）,单电源+5V或双向2.5V±10℅电源；（7）具有功率方向输出指示；（8）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；（9）电能测量精度：0.1%；（10）具有相位补偿和系统校准功能；（11）具有机械计度器/步进电机驱动器；（12）内带电源监视器；（13）电能数据线性度：在1000：1动态范围内线性度为±0.1%；（14）功率消耗<12mW；（15）电源配置：

VA+=+5V,VA-=0V;VD+=+3V～+5V或VA+=2.5V,VA-=-2.5V;VD+=+3V图2-2CS5460内部结构图2.4.3操作时序CS5460A串行口包括4条控制线：串行时钟（SCLK）、串行数据输入（SDI）、串行数据输出（SDO）和片选（CS），器读写时序如图2-3所示：CS5460A的串行接口部分集成了一个带有发送/接收缓冲器的状态机，状态机在SCLK的上升沿解释8位命令字。根据对命令的解码，状态机将执行相应的操作，或者为被寻址的寄存器的数据传输做准备。读操作需将被寻址的内部寄存器的数据传送到发送缓存区，写操作在数据传输前要等24个SCLK周期。内部寄存器用于控制ADC的功能，所有寄存器都是24位。上电复位后，串行状态机初始化为命令模式，等待接收有效的命令（输入串口的前8为数据）。在完成对有效命令的接收和解码后，状态机将指示转换器执行系统操作或从内部寄存器输入输出数据。当启动了读命令，串口将在下8个、16个或24个SCLK周期启动SDO脚上的寄存器内容的转移（从高位开始）。寄存器读指令可以终止在8位的边界上（例如，读出时可只读8，16或24位）。同样，数据寄存器读出允许采用“命令链”。因此读寄存器时，微控制器可同时发送新指令，新指令将被立即执行，并可能终止读操作。例如，命令字送入状态机读取某一输出寄存器，进行了16个连续的读图2-3CS5460A操作时序图数据串行时钟脉冲后，执行写命令字（如状态寄存器清零命令），数据从SDI引脚输入，同时剩下的8位读出数据被传送到SDO引脚。又如，用户仅需从读操作中获取16位有效位时，可在SDO读出8位数据后从SDI输入第二个读命令。在读周期，当从SDO引脚输出数据时，必须用SYNC0指令（NOP）使SDI引脚处于选通态。2.5其他模块部分2.5.1前端调理电路部分方案一：采用电阻网络分压、分流的方式将大电压、大电流转换成CS5460A能接收的电压信号，该方案电路复杂，难于调试，精度低，且不能实现芯片与电网的隔离，故不采用。方案二：采用电流互感器与精密电阻网络组成调理电路，将电压和电流转换为芯片可以就收的电压信号。该方案设计简单，精度高，且实现了芯片与电网的隔离，保证了芯片的安全，故本设计采用此方案。2.5.2主控芯片电子式多功能电能表硬件的核心MCU主控制器,它负责按键输入扫描、工作状态检测,计量数据的读入、计算和存储、电表参数的现场配置以及与外界的通信控制等。本系统采用AT89S52单片机实现，AT89S52单片机是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，具有双工UART串行通道，可实现ISP在线编程功能，内部集成了看门狗定时器、双数据指针、全新的加密运算，使程序的保密性增强，兼容性强，软硬件调试方便。内部RAM和ROM可满足逻辑控制和算数运算。因此，使用该MCU作为主控芯片可以方便的设计电路。2.5.3显示部分由于本设计显示的参数较多，显示部分采用OCMJ4X8C液晶。OCMJ4X8C液晶示模块可以显示字母、数字符号、中文字型及图形，具有绘图及文字画面混合显示功能。提供三种控制接口，分别8位微处理器接口，4位微处理器接口及串行接口（OCMJ4X16A/B无串行接口）。所有的功能，包含显示RAM，字型产生器，都包含在一个芯片里面，只要一个最小的微处理系统，就可以方便操作模块。内置2M-位中文字型ROM(CGROM)总共提供8192个中文字型(16x16点阵)，16K-位半宽字型ROM(HCGROM)总共提供126个符号字型(16x8点阵)，64x16-位字型产生RAM(CGRAM)，另外绘图显示画面提供一个64x256点的绘图区域（GDRAM），可以和文字画面混和显示。提供多功能指令：画面清除（Displayclear）、光标归位（Returnhome）、显示打开/关闭（Displayon/off）、光标显示/隐藏（Cursoron/off）、显示字符闪烁（Displaycharacterblink）、光标移位（Cursorshift）、显示移位（Displayshift）、垂直画面卷动（Verticallinescroll）、反白显示（By_linereversedisplay）、待命模式（Standbymode）。主要参数：1、工作电压(VDD):4.5～5.5V2、逻辑电平:2.7～5.5V3、LCD驱动电压(Vo):0～7V4、工作温度(Ta):0～55℃(常温)/-20～75℃（宽温）保存温度(Tstg):-10～65℃(常温)/-30～85℃(宽温)本液晶不仅可以显示汉字，而且可以显示多行，可以同时显示多测量量，便于观看和读取；还可以串行通信，占用I/O口少，便于控制。2.5.4通信模块同步通信占用的资源较多，而且需要外部时钟提供同步信号以提高接受数据的准确性，外围电路比较复杂，传输中出现错误，则成批数据报废，而异步通信外围电路简单，传输速度快。所以我们采用串口异步通信。使用RS-232C做接口标准的通讯模块，传输速率为20kbps,在15m范围之内，可进行有效通讯，而且可直接和PC机相接，有利于进一步的功能扩展，使用也比较方便。由于89S52单片机输入、输出电平为TTL电平,而PC机配置的是RS-232C标准串行接口,两者的电气规范不一致,单片机中的信号电平是TTL型的,而RS-232C采用负逻辑，为了完成与RS-232C通信总线数据通信的功能,必须进行电平转换。两种电平转换电路通常是由专用电平转换芯片MAX232来实现的,可实现RS-232C与TTL电平的转换。2.5.5时钟模块时钟模块采用DALLAS公司推出的DS1302。它内部含有一个实时时钟/日历和31字节静态RAM，通过简单的串行接口与单片机进行通信，实时时钟/日历电路提供秒分、时、日期、月、年的信息，每月的天数和闰年的天数可自动调整，时钟操作可通过AM/PM指示决定采用24或12小时格式，。DS1302与单片机之间能简单图2-41302管脚图地采用同步串行的方式进行通信，仅需用到三个口线：1RES复位，2I/O数据线，3SCLK串行时钟时钟，RAM的读/写数据以一个字节或多达31个字节的字符组方式通信，DS1302工作时功耗很低，保持数据和时钟信息时功率小于1mW，DS1302是由DS1202改进而来增加了以下的特性，双电源管脚用于主电源和备份电源供应，Vcc1为可编程涓流充电电源附加七个字节存储器，它广泛应用于电话传真便携式仪器以及电池供电的仪器仪表等产品领域，其管脚功能图如图2-4所示。2.5.6存储部分存储部分采用AT24C16存储芯片，其具有以下特性特性：*与400KHzI2C总线兼容*1.8到6.0伏工作电压范围*低功耗CMOS技术*写保护功能当WP为高电平时进入写保护状态*页写缓冲器*自定时擦写周期*1,000,000编程/擦除周期图2-5AT24C16引脚图*可保存数据100年*8脚DIPSOIC或TSSOP封装*温度范围商业级工业级和汽车级AT24C16支持C总线数据传送协议,I2C总线协议规定,任何将数据传送到总线的器件作为发送器,任何从总线接收数据的器件为接收器,数据传送是由产生串行时钟和所有起始停止信号的主器件控制的,主器件和从器件都可以作为发送器或接收器,但由主器件控制传送数据发送或接收的模式。由于其控制引脚较少，占用单片机口线较少，在少量数据存储中有非常大优势，因为在本设计中，我们只需将校表数据及少量的电能数据存储其中，以做到系统掉电时不丢失数据，免除每次开机时的校表过程，故选用控制引脚简洁的AT24C16将非常的合适。第3章系统硬件设计与实现3.1直流稳压电源的设计电源电路是整个系统能稳定工作的前提和关键，系统中的各个单元电路都需要使用直流电源供电，本设计采用自制电源供电方式，将220V交流市电通过电源变压器变换成交流低压，再经过桥式整流电路整流和滤波，在固定式三端稳压器的两端形成一个并不十分稳定的直流电压，此直流电压经过W7805的稳压和电容的频率补偿，便在稳压电源的输出端产生了精度高、稳定度好的直流输出电压。自制电源原理如图3-1所示：图3-1+5V直流电源的设计3.2前端电路调理模块的设计3.2.1电压调理部分对于系统的前端电压调理部分，我们采用变比为2mA/2mA的电流互感器和高精度电阻作为输入电路部分电路如图2-2所示。系统设计采用220V的市电电压输入，首先外接Rx=110k电阻得到2mA的电流，然后通过变比为2mA/2mA的互感器，然后在二次侧连接1个125Ω的定值电阻得到所需的输入电压，可以为CS5460A提供电压信号，不超出芯片的测量范围。当然电阻R2值可以根据不同的电压来调整。并加入RC滤波网络对信号初步滤波，并加入放抖动电容保护芯片。3.2.2电流调理部分电流调理部分采用变比2000：1的电流互感器，然后经一精密电阻将电流信号转变成电压信号。并加入RC滤波网络对信号初步滤波，并加入放抖动电容保护芯片。经变换后的补测信号以差模电压的形式接到CS5460A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相移，使功率测量的误差增大。而CS5460A具有相位补偿功能（可进行-2.4°至+2.5°的相位补偿，步进0.34°），可以大大减小互感器角差的影响。图2-2前端调理电路。3.3电能测量模块的设计经调理电路调理的电压信号、电流信号通过IIN+、IIN-、VIN+、VIN-接口送入电能表芯片CS5460，芯片经放大、滤波、采样、计算，计算出瞬时功率，并根据周期计数寄存器内设定的计数周期计算出电能值、电流有效值、电压有效值，并将其存入相应的寄存器中，然后单片机通过与芯片通信将相应寄存器中的电能值、电压有效值、电流有效值读出，并送予液晶显示。CS5460也可将电能转化成与电能成正比的脉冲，由EOUT口输出，以便于电能表的检定。CS5460与单片机的连接图如图3-2所示：3.4通讯模块的设计Max232是德州仪器公司(TI)推出的一款兼容RS-232C标准的芯片。Max232芯片起电平转换的功能,使单片机的TTL电平与PC的RS-232C电平达到匹配。串口通信的RS-232C接口采用9针串口DB9,串口传输数据只要将两个串口的“发送数据”与“接收数据”交叉连接，再加上信号地线就能实现。串口通信又分查询和中断两种方式，在本系统中，通讯数据不固定，数据量大，所以采用中断方式进行通讯,具体电路图3-3所示：图3-2CS5460A与单片机连接图图3-3通讯模块硬件接线图在设计中,使用的是12MHz晶振，以定时器T1的方式1制定波特率，此时定时器T1相当于一个16位的计数器,其波特率计算公式如下:方式1的波特率=定时器T1的溢出率（1）定时器T1的溢出率计算公式为：定时器T1的溢出率=（2）3.5液晶显示的设计本设计采用液晶的串行接口，单片机通过液晶的串行口SIO向液晶寄存器写命令，进而实现对液晶显示的控制。其与单片机的连接图如图3-4：图3-4显示电路表2-1：串行模式引脚说明引脚名称方向说明引脚名称方向说明1VSS-GND(0V)5SDIIData2VDD-VCC(3/5V)6CSIEnableSignal3PSB-0:串行；1：并行7BLK-背光源负极（0V）4SCLKI串行时钟8BLA-背光源正极(+5V)3.6键盘的设计键盘用四个按键和四个下拉电阻构成简单的键盘，四个按键分别与单片机的平P2.4、P2.5、P2.6、P2.7口连接，当键盘被按下后相应口被拉低为低电平，进而实现对单片机的控制。连接图如图3-5：图3-5键盘第4章系统软件设计在单片机测量系统中，软件的重要性与硬件同等重要。硬件是躯体，软件是灵魂，但系统的硬件电路确定之后，系统的主要功能还要靠软件来实现，而且软件的设计很大程度上决定了系统的性能。本系统的软件设计是在KeilULINK的软件环境下采用C语言编程和调试的，Keil系列软件具有良好的调试界面，优秀的编译效果，丰富的使用资料，应用十分广泛，而C语言功能丰富，表达能力强，目标程序效率高，可移植性好，即具有高级语言的优点，又具有低级语言的许多特点，两者的完美结合，很好的实现了软件功能。4.1主流程图为了实现电能表的功能,软件可划分为:功能操作模块及系统参数自校正模块。系统功能操作模块的主要功能为:为系统与操作人员之间提供友好的交互界面,对系统进行有效的管理。因此该功能模块为该电能表的核心部分。其工作流程图如图4-1所示。其中系统参数包括波特率、电能常数等,相应的初始化流程包括初始化GPIB地址及波特率,初始化系统电能常数,初始化电流偏置系数,初始化电压偏置系数,初始化功率系数。设置GPIB地址对于单个的电能表没有意义,该电能表用于电能管理系统中时,GPIB地址特别重要,是本电能表区别于其他电能表的标志。系统参数自校正模块主要对该表的系统参数自校正提供一个管理界面,用户可以通过该功能模块对该表的电压、电流、功率等参数进行校正,并把校正后的数据保存。主功能管理模块主要包括电能检定功能模块、电量测量功能模块、背景光开关功能模块、系统参数设置模块及日历时钟显示功能模块。其中电能检定功能模块主要用于送检,处于该状态时,电表把所测电能通过脉冲口输出,以便和标准表比较。4.2.系统初始化系统开始运行后，初始化程序将采集数据存放单元清0，将液晶显示数据存放单元清0,设置串口通信波特率为9600bit/s，并设置中断向量，初始化由边沿触发的外部中断0。4.3系统子程序模块4.3.1系统参数自校正模块系统参数自校正模块主要对该表的系统参数自校正提供一个管理界面,用户可以通过该功能模块对该表的电压、电流、功率等参数进行校正,并把校正后的数据保存。其过程为：给输入通道加满量程信号，观察显示值，然后根据显示值通过键盘调整芯片内电压、电流、功率、等寄存器的参数，从而实现对系统参数进行校准，校准后将系统参数保存，以确保系统的精确测量。其流程图如图4-2所示：MCU初始化MCU初始化硬件初始化软件工作变量初始化各模块初始化系统参数是否初始化ABBA主功能模块系统参数自校正模块初始化系统参数是否进入系统参数自校正NYYNNYY图4-1电能表软件流程图满量程信号显示是满量程信号显示是否正确保存系统参数键盘调整测量显示NY图4-2系统参数校准流程图CS5460A测量程序用来控制CS5460A对模拟输入电量的测量、转换和计算，并将相应的测量量，如：瞬时功率、电压有效值、电流有效值读取到单片机相应的寄存器中，然后单片机根据系统程序和键盘命令进行调用、输出、显示。其流程图如图4-3：4.3.3电能检定功能模块通过键盘设定系统为电能表鉴定模式，使电能表ETUO端输出脉冲通入电能表鉴定装置进行电能表鉴定。流程图如图4-4：芯片采样计算芯片采样计算存入相应寄存器键盘控制读取显示液晶显示图4-3测量流程图系统初始化进入测量模式键盘命令电能表鉴定模式采样计算输出脉冲Y图4-4电能表鉴定模式第5章系统调试根据方案设计的要求，测试过程共分为三大部分：硬件调试、软件调试和软硬件联调。电路按模块调试，各模块逐个调试后，再进行联调。单片机软件先在最小系统板上调试，确保外部电路正常工作后，再与硬件系统联调。5.1软硬件调试5.1.1硬件调试硬件调试，查看个硬件模块电路的连线是否与逻辑图一致，用万用表检测有无短路或短路现象，器件的规格、极性是否有误。检查完毕，用万用表测量一下电路板正负电源端之间的电阻，排除电源短路的可能性。5.1.2软件调试本系统的软件调试因AT89S52核心模块的使用而变得相对容易，keilc软件开发环境，能判断语法差错和逻辑差错，判断程序无误后，可以直接下载到单片机中进行调试。5.1.3软硬联调在软件和硬件都基本调通的情况下，进行系统的软硬件联调。按照由上向下，模块化设计的理念对模块逐个调试：首先，调通液晶显示模块，接着给芯片CS5460A的电压通道和电流通道通入满量程信号，根据液晶显示对芯片内的校准寄存器进行设置，进而对测量进行校准调试。调好后，即该芯片能正常工作后，再通以交流市电进行进一步校准调试。然后再调通讯模块，等模块逐一调通后，再进行联调。再连接成一个完整的系统调试。系统整体电路图5-1所示：5.2功能测试完成了整体调试后，对本设计进行功能测试，为了检验其精度,采用人工方法对其进行了检定,采用的装置有:深圳科陆公司生产的CL311多功能标准表,准确度是0.05级;深圳科陆公司生产的CL302多功能电测产品检定装置