基于電能芯片CS460的遠距離電能測試儀研究

摘 要：文章介紹了以CS5460為核心的電能測試儀，該測試儀采用AT89C52單片機為中央處理器，通過對電路的電流和電壓測量，實現(xiàn)了對電能的測量。通過顯示屏顯示測得的數(shù)據(jù)并由無線傳輸模塊將數(shù)據(jù)輸出給PC機處理。

關(guān)鍵詞：單片機；LCD顯示屏；無線通訊

1 概述

電力保障對空管單位安全運行起著至關(guān)重要的作用。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，靜止式電能表的成本不斷降低，實用性越來越高，制造精度也在不斷地提升，靜止式電能表所呈現(xiàn)出的優(yōu)勢越來越明顯[1]。電能測試儀綜合應(yīng)用了計算機的軟硬件技術(shù)和先進的數(shù)字電能計量方法，能夠?qū)﹄娔軗p耗、線網(wǎng)電壓、線網(wǎng)電流的準(zhǔn)確的計量，并經(jīng)由nRF24L01無線模塊，對設(shè)備上電能進行遠程無人自動測量傳輸，實現(xiàn)了集中抄表、用電監(jiān)測和信息統(tǒng)計等方面的計算機管理，從而提高設(shè)備用電管理的工作效率和管理層次。

2 CS5460核心部件簡介

本測試儀的核心部件是由Cirrus Logic公司生產(chǎn)的功率/電能計量專用芯片CS5460。在CS5460內(nèi)，集成了功率計算引擎、片內(nèi)電壓基準(zhǔn)（215V）、看門狗功能、電源監(jiān)控電路、215～20MHz可選的內(nèi)部時鐘發(fā)生器、電能/脈沖變換器和校準(zhǔn)用的SRAM、雙向串行借口、電流和電壓采樣電路（包括可編程增益放大器、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、高速數(shù)字濾波器和可選用的高通濾波器）。

3 系統(tǒng)的硬件組成

電壓和電流信號進入CS5460后，在芯片內(nèi)部對電壓電流進行放大、濾波、采樣、計算，得到瞬時功率，然后根據(jù)周期計數(shù)寄存器設(shè)定的計數(shù)周期算出電能值、電流有效值、電壓有效值，存入相應(yīng)的寄存器，最后由單片機通過通訊接口讀出相應(yīng)寄存器的瞬時功率、電能值、電壓有效值、電流有效值，并傳輸給后端顯示模塊。

前端電壓、電流采集電路如圖3所示。

系統(tǒng)微處理器采用AT89C52單片機，其運算速度完全能夠滿足系統(tǒng)要求。串口通信的RS-232C接口采用9針串口，串口傳輸數(shù)據(jù)只要將兩個串口的“發(fā)送數(shù)據(jù)”與“接收數(shù)據(jù)”交叉連接，再加上信號地線就能實現(xiàn)。串口通信又分查詢和中斷兩種方式，在本系統(tǒng)中，通訊數(shù)據(jù)不固定，數(shù)據(jù)量大，所以本系統(tǒng)采用中斷方式進行通訊。能過串口通信將數(shù)據(jù)暫存入單片機。nRF24L01是一款工作在2.4～2.5GHz世界通用ISM頻段的單片無線收發(fā)器芯片。數(shù)據(jù)經(jīng)nRF24L01無線傳輸，由單片機傳輸給PC機，將數(shù)據(jù)存在PC機中供查詢。本系統(tǒng)還具有本地顯示功能。采用的LCD顯示器型號為NOKIA 5110。NOKIA 5110為一個單芯片LCD控制/驅(qū)動器，總共顯示數(shù)據(jù)RAM 48*84位，芯片采用串行數(shù)據(jù)接口。NOKIA 5110的串行接口包括4條控制線，SDIN（串行數(shù)據(jù)輸入端）、SCLK（串行時鐘輸入端）、D/C（數(shù)據(jù)/命令）、SCE（芯片使能）。當(dāng)SCE為高時，忽略SCLK時鐘信號；在SCE為高期間，串行接口被初始化。SDIN在SCLK的正邊緣取樣。

4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

根據(jù)電能測試儀硬件部分的功能實現(xiàn)要求，將總的軟件部分劃分為四個部分，這四個部分在一定程度上已經(jīng)能夠相互獨立，依次為以CS5460A為主的電能參數(shù)采樣模塊、液晶5110顯示模塊，nRF24L01無線收發(fā)模塊。LCD顯示程序流程圖如圖4所示，無線通訊模塊流程圖如圖5所示。

數(shù)據(jù)處理方式采用nRF24L01提供的增強型ShockBurst模式[2]，具有自動應(yīng)答的功能。在接收模式下可以接收6路不同通道的數(shù)據(jù)，每一個數(shù)據(jù)通道使用不同的地址，但是共用相同的頻道。nRF24L01在確認收到數(shù)據(jù)后記錄地址，并以此地址為目標(biāo)地址發(fā)送應(yīng)答信號。在發(fā)送端數(shù)據(jù)通道被用做接收應(yīng)答信號，因此，數(shù)據(jù)通道的接收地址要與發(fā)送端地址相等以確保接收到正確的應(yīng)答信號。

無線傳輸模塊發(fā)送程序流程：通過配置寄存器，將無線傳輸模塊設(shè)置為發(fā)射狀態(tài)，將地址和數(shù)據(jù)發(fā)送出去，檢測自動應(yīng)答信號，一旦接收到TX_DS置1，否則自動重發(fā)，當(dāng)達到設(shè)定的自動重發(fā)次數(shù)，則MRX_RT置1，該位必須清零后系統(tǒng)才能進行通訊。

無線傳輸模塊接收程序流程：通過配置寄存器，設(shè)置為接收狀態(tài)，nRF24L01啟動載波檢測，一旦收到的地址相符，就將數(shù)據(jù)接收，然后進行CRC校驗，校驗正確后將RX_DR置1，單片機查詢該位為1后，通過SPI口讀取數(shù)據(jù)。

5 結(jié)束語

本測試儀的設(shè)計和制作，考慮到了參數(shù)測量的準(zhǔn)確度，又力求設(shè)計線路的簡單易懂，并能夠滿足遠程監(jiān)控。經(jīng)實驗檢測，完全符合設(shè)計要求。

參考文獻

[1]趙偉，龐海波.電能表技術(shù)的發(fā)展歷程[J].電測與儀表.1999，6（6）：4-7.

[2]吳錘紅.MCS-51微機原理與接口技術(shù)[M].廈門大學(xué)出版社，2009：142-147.

作者簡介：黃忱予（1986-），男，助理工程師，主要從事民航空管設(shè)備保障方面的工作。