基于电能计量芯片CS5463A的电子式电能表的设计_甘建平

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基于电能计量芯片 ＣＳ５４６３Ａ 的电子式电能表的设计
Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｗａｔｔ－ｈｏｕｒ Ｍｅｔｅｒ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｅｎｅｒｇｙ ＩＣ ＣＳ５４６３Ａ
甘建平 朱 青 湖南大学电气与信息工程学院（长沙 ４１００８２）
摘要：针对目前应用需求设计了一款新型多功能电子式电能表。本文主要介绍该电能表的主要功能以及 所采用的电能计量芯片 CS5463A 的特性、工作原理以及在电子式电能表中的应用电路，最后介绍了 CS5463A 芯片通讯接口的实现。
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 ＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅ ｃｉｒｃｕｉｔ）厂家不失时机的 推出了各种电子式电能表专用芯片。目前国内较为常 用的电子式电能表芯片有美国 Ｃｉｒｒｕｓ Ｌｏｇｉｃ 公司的 ＣＳ５４６０Ａ、ＣＳ５４６３Ａ、美国 ＡＤＩ 公司的 ＡＤＥ７７５８、珠 海炬力公司的 ＡＴＴ７０２２、日本 ＴＤＫ 公司的 ７１Ｍ６５１３Ｈ 等。其中 ＣＳ５４６３Ａ 是美国 Ｃｉｒｒｕｓ Ｌｏｇｉｃ 公司生产的专用 于电力参数测量的单相双向功率／电能 ＩＣ，可以精确 测量和计量有功电能、无功电能、瞬时功率、ＩＲＭＳ 和 ＶＲＭＳ，具有与微控制器通讯的 ＳＰＩ 口。
所示；由视在功率、有功功率可以计算出三角无功功
率 ＱＴｇ，如式（５）所示。
视在功率： ＝ ×
（２）
功率因数： ＝
（＝ ２
２
（４） （５）
３．３ ＣＳ５４６３Ａ 的外部引脚电路 图 ２ 为 ＣＳ５４６３Ａ 的典型应用电路图。电网电压经
过电压采样电路得到小电压信号输入到ＣＳ５４６３Ａ 的电 压通道输入引脚。电压采样电路由 Ｒ２０５、Ｒ２０６、Ｒ２０７、 Ｒ２０８、Ｃ２０５ 组成。电压采样电路由精密电阻网络及滤 波电容组成。为了保证精度，采样电阻全部采用高稳 定度的精密电阻，误差为 ２５ｐｐｍ。电流互感器的电流 信号经过电流采样电路将电流信号转换为小电压信号 输入到 ＣＳ５４６３Ａ 的电流通道输入引脚。电流采样电路 由 Ｒ２１３、Ｒ２０１、Ｒ２０２、Ｒ２０３、Ｒ２０４、Ｃ２０７、Ｃ２１０、Ｒ２０９、 Ｃ２０６ 组成。Ｃ２０５、Ｃ２０７、Ｃ２１０ 起滤除高频谐波分量 的作用；Ｒ２０９、Ｃ２０６ 起滤波和抗混叠的作用；Ｄ２０１、 Ｄ２０３ 为输入保护器件，防止由于输入电压过高而造成 ＣＳ５４６３Ａ 的损坏。
图 ２ ＣＳ５４６３Ａ 的典型应用电路图
４ 串行 ＳＰＩ 口通信
主要包括状态寄存器、配置寄存器、控制寄存器、各 种校准寄存器、数据寄存器等。在进行测量前，要恰
ＣＳ５４６３Ａ 提供有标准的 ＳＰＩ 接口，可与带 ＳＰＩ 口 当地设置寄存器，以便得到正确的结果。
的 ＭＣＵ 直接连接，也可用适当的 Ｉ／Ｏ 仿真 ＳＰＩ 总线。
不同的寄存器，执行不同的操作；ＣＳ５４６３Ａ 的寄存器 数据输出，用来从转换器输出数据，当为逻辑 １ 时，
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ＳＤＯ 输出将保持高阻抗；ＳＣＬＫ 是控制数据输出 ＡＤ 转 换器或输入 ＡＤ 转换器的串行位时钟，在 ＳＣＬＫ 的电 平转换能被端口识别之前，ＣＳ 必须被置为逻辑 ０，为 了和光耦合器相匹配，ＳＣＬＫ 的输入端集成了一个施 密特触发器，以允许使用上升和下降时间较长的光电 耦合器直接驱动管脚。
另外，ＳＤＯ 具有吸收和输出 ５ｍＡ 电流的能力，可 以直接驱动光电耦合器的 ＬＥＤ，在吸收或输出 ５ｍＡ 电 流时，ＳＤＯ 的驱动电压损失小于 ４００ｍＡ。
一次数据的传输总是从向串口（ＳＤＩ 脚） 发送有 效的 ８ 位命令（ＭＳＢ 位先）开始的。需要注意的是有 些命令的执行需要使用变换次数寄存器和配置寄存器 中的信息，首先向这些寄存器写入正确的信息对于这 类命令很重要的。当命令中包括写入操作时，在下面 ２４ 个 ＳＣＬＫ 周期内串口将持续从 ＳＤＩ 脚读入串行数据 （ＭＳＢ 位先）。当发送读取命令时，串口将根据发出的 命令在下面的 ８、１６ 或 ２４ 个 ＳＣＬＫ 周期从 ＳＤＯ 管脚上 串行输出寄存器内容。当读取寄存器数据时，允许微
图 １ 电子式电能表原理框图
电网电压经过电压分压电路转换成小电压信号输 入到 ＣＳ５４６３Ａ 的电压通道输入脚，电网电流经过电流 互感器转换成电流小信号，再通过电流采样电路得到 小电压信号输入到芯片的电流通道输入脚。ＣＳ５４６３Ａ 将转换后得到的信号进行数字处理并计算测得电网电 压、电流、功率等数据，再通过一个 ＳＰＩ 口与计量微 处理器进行通信，将测量到的数据传输到计量微处理 器进行处理，如计算功率因数角、频率；判断有功无 功功率方向、电压是否逆相序；进行数制转换等。
系统提供时钟，也可以通过 ＸＩＮ 引入外部时钟；ＳＣＬＫ 为串行通信的时钟信号；ＳＤＯ、ＳＤＩ 为串行通信的输 出输入脚；ＶＩＮ＋、ＶＩＮ－为电压通道的输入引脚；ＩＩＮ＋、 ＩＩＮ－为电流通道的输入引脚；ＰＦＭＯＮ 为电压下降检测 脚。
ＣＳ５４６３Ａ 是具有功率计算引擎和电能－脉冲转换 功能的双声道 ＡＤＣ。电压通道输入引脚 ＶＩＮ±两端输 入电压信号，经 １０ 倍增益放大器放大，再通过二阶
调制器数字化；同时，电流通道输入引脚 ＩＩＮ±两端 输入电压信号。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 。通道数据再通 过四阶 调制器数字化，送到给数字滤波器。该数字 滤波器包括固定的 Ｓｉｎｃ３ 滤波器用于实现低通滤波、可 选 ＩＩＲ 补偿滤波器、可选的高通滤波器和全通滤波器。
本文基于电能计量芯片 ＣＳ５４６３Ａ 设计了一种电子 式多功能电能表。该表可计量正反向有功电能、正反 向无功电能、四象限无功电能；能够测量 Ａ、Ｂ、Ｃ 各 相电压、电流、视在功率、有功功率、无功功率、功 率因数、相角、频率；计量正反向有功需量及 ８ 费率 分时需量；能分时计量最多 ８ 费率的电能量及需量数 据；计量变压器铜损、铁损；具有电能冻结功能、显 示与抄表功能、监控与事件记录功能、自检功能、负 荷曲线记录功能、权限与安全管理功能、ＩＣ 卡参数设 置功能；具有两路独立的 ＲＳ ４８５ 通信接口，一路红外 光通信接口。
高速电能计算功能、电能到频率转换器和一个串行接 口的完整的电能计量芯片。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，用于研制 开发单相 ２ 线或 ３ 线电表。ＣＳ５４６３Ａ 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。ＣＳ５４６３Ａ 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、无功能量成正比。 ＣＳ５４６３Ａ 具有方便的片上 ＡＣ／ＤＣ 系统校准功能。“自
ＣＳ５４６３Ａ 串口包括 ４ 个控制线：ＣＳ、ＳＤＩ、ＳＤＯ、
本设计采用日立公司的 ＣＰＵ Ｈ８／３８２７ 作为计量管理芯 ＳＣＬＫ。ＣＳ 为片选信号，是允许访问串口的控制线，如
片，通过 ＳＰＩ 接口与 ＣＳ５４６３Ａ 进行数据交换。
果 ＣＳ 为逻辑 ０，端口具有 ３ 线端口的功能；ＤＳＩ 为串
ＣＳ５４６３Ａ 的操作主要是通过 ＳＰＩ 口写命令，读写 行数据输入，用于把数据传输到转换器；ＳＤＯ 为串行
输出 Ｅ３ 提供一个与无功功率 Ｑ 或视在功率 Ｓ 成正比
的脉冲输出。Ｅ３ 还能表示为电压通道的电压符号，或
作为 ＰＦＭＯＮ 比较器输出。通过式（１）计算出来的
Ｖ 、Ｉ ＲＭＳ
ＲＭＳ
相
乘得视在
功率
Ｓ，如
式（２）
所示。将有功
功率比视在功率得功率因数 ＰＦ，如式（３） 所示；Ｎ
个无功功率平均计算出平均无功功率 ＱＡｖｇ，如式（４）
２ 多功能电子电能表的设计
本文所设计的多功能电子式电能表原理框图如图 １ 所示。该电能表由电流互感器、专业电能计量芯片 ＣＳ５４６３Ａ、计量微处理器、管理微处理器、实时时钟、 数据接口设备（如通信接口、ＩＣ 卡接口）和人机接口
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设备组成（如按钮、ＬＣＤ 显示）。
低通滤波器用来去除调制器输出的高频噪声，ＩＩＲ
补偿滤波器用来补偿通过低通滤波器后产生的幅值损 耗，高通滤波器可以用来在 Ｖｒｍｓ／Ｉｒｍｓ、有功功率、视 在功率计算之前除去电流／电压信号中的直流成分。通 道中如果没采用高通滤波器，则该通道将启用全通滤 波器，以保持电压和电流传感信号之间的相位关系。
数字滤波器输出字是基于 ＤＣ 偏移量调整和增益 校准。校准后测量的瞬时电压、电流是有效的。ＲＭＳ 值是利用最近的 Ｎ（Ｎ 值放在周期计数寄存器中） 个 瞬态 电压 ／电 流采 样值 计算 ，如 式 （１） 所 示， 这些 值 可从 Ｖｒｍｓ 和 Ｉｒｍｓ 寄存器中读出。
关键词：电子式电能表 专用芯片 ＣＳ５４６３Ａ 电量测量 ＳＰＩ 总线 Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｗａｔｔ－ｈｏｕｒ ｍｅｔｅｒ ＡＳＩＣ ＣＳ５４６３Ａ Ｍｅａｓｕｒｅ ｅｎｅｒｇｙ ＳＰＩ ｂｕｓ
１ 引言
电能计量作为计量工作的一个重要组成部分，是 电力企业生产经营管理及电网安全运行的重要环节， 其技术水平不仅事关电力工业的发展和电力企业的形 象，而且影响电能贸易结算的公平、公正和准确、可 靠，关系到电力企业、广大电力用户的利益。
１
Ｉ ＝ ＲＭＳ
＝０
（１）
瞬态电压／电流的采样数据相乘，得到瞬时功率。 Ｎ 个瞬时功率平均计算出有功功率的值 ＰＡｃｔｉｖｅ 用来驱动 电能脉冲 Ｅ１ 输出。电能输出 Ｅ２ 是可选的，可指示电
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能方向，也可输出与视在功率 Ｓ 成正比的脉冲。电能
计量微处理器与管理微处理器也是通过一个 ＳＰＩ 口进行通信，计量微处理器将以上数据处理结果传到 管理微处理器进行一系列功能实现，如电量累加、最 大需量计算、监控与事件记录等功能。