基于CS5451A的三相多功能电能表设计

基于CS5451A 的三相多功能电能表设计
上网时间 : 2006年06月14日
打 印 版
推 荐 给 同 仁
发 送 查 询 随着电子技术的飞速发展，电能表的集成度越来越高，在三相多功能电表市场上，主要有两种架构：电能计量芯片加微控制器；A/D 转换芯片加微处理器。

第一种方案成本比较低，功能主要取决于电能芯片，微控制器不能进行复杂的数据处理，所以不具有谐波分析功能。

第二种方案可以通过复杂的数据处理，实现非常多的功能。

本文主要介绍基于CS5451A +TMS320F2801的三相多功能电表设计。

CS5451A 是Cirrus Logic 公司为能源测量工业设计的高度集成的Δ-Σ A/D 转换器。

CS5451A 在一个芯片上集成了6个Δ-Σ A/D 转换器、滤波器和一个与微控制器或DSP 相联接的串行接口。

CS5451A 与一个变流器或可测量电流的分流器和电阻分割器或测量用变压器直接连接。

同时该产品已被初始化和功能完全设置，并包括一个参考电压。

TMS320C28x 系列数字信号控制器
是业界第一款32位基于DSP 的控
制器，具有板载Flash 存储器和高
达150MIPS 的性能，它们针对于工
业自动化、数字电源、汽车控制以
及高级传感应用。

C28x 内核是世界
上最高性能控制优化内核，提供计
算带宽来实时处理许多复杂的控制
算法，如无传感速度控制、随机
PWM 以及功率因数校正。

C28x 还
提供了足以与一般MCU 相匹敌的
C 代码效率，与C2000系列中的当前器件完全代码兼容。

硬件设计
图1所示为本方案的硬件框图，本方案按功能可分成以下几个模块：
电压转化模块是一个电阻网络，用分压电阻的方法，把三相电压信号转化成三个400mV 的信号，经过阻容滤波送入CS5451A(见图2)。

图1：基于CS5451A+TMS320F2801的三相多功能电表框图。

电流转化模块是通
过电流互感器，把
0-6安的三相电流
信号转化成三个
400mV 的信号，经
过阻容滤波送入
CS5451A(见图3)。

CS5451A 模块功
能是把输入的六通
道电压电流信号转
化成数字信号输
出。

CS5451A 与
TMS320F2801通
过SPI 口连接，每隔250微秒主动发出一组数据。

TMS320F2801有两个SPI 接口，一个作为从SPI 接收CS5451A 数据，另一个作为从SPI 与MCU 通讯。

24C04用来保存设置数据和校准数据。

软件设计
软设计分两大部份，TMS320F2801的软件和MCU 软件。

MCU 软件主要是从TMS320F2801种读取数据、显示和与PC 机通讯，本文不作介绍。

TMS320F2801的软件实现对CS5451A 的数据采集、电量计算、谐波分析、与89C52
通讯、脉冲输出。

软件主流程如图4。

初始化系统配置寄
存器,包括系统频率
设置、Flash 寄存器
初始化、SPIA 和
SPIB 的使能。

SPIA
用来接收CS5451A
的数据，SPIB 用于
89C52通讯。

外部中断用来捕捉
CS5451A 的同步信
号，在捕捉到同步
信号以后，初始化
并启动SPIA 模块，
SPIA
模块在接收到 图2：采用电阻网络的电压转化模块。

图3：通过电流互感器把0-6安的三相电流信号转化成三个400mV 的信号。

12个字节数据以后产生中断，把数据保存到缓存中。

流程如图5。

电能计算方法 电压有效值： 电流有效值： 有功功率：
无功采用移相90度算法，I n+t 是移相90度后的电流值
谐波分析方法 由于电网频率是变化的，采样频率固定，所以每个周波采集到的瞬时值个数是不固定的。

要进行64点FFT 计算，必须把采集到的瞬时值转化成64点瞬时值，转化方法有多种，本设计采用的是拉格朗日二次差值法，精度比线性差值法高，计算量也可以达到要求。

图4：软件主流程图。

图5：中断处理流程图。

/*
拉格朗日定理(lagrange):
若函数f(x)满足：(1)f(x)在闭区间[a,b]上连续；(2)f(x)在开区间(a,b)可导；
则在开区间(a,b)必存在S，使得f(b)-f(a)=f'(s)(b-a)。

拉格朗日二次插值公式:
已知曲线上三点(x0,y0),(x1,y1),(x2,y2)，则该二次曲线为:
L(x)=(x-x1)(x-x2)f(x0)/(x0-x1)(x0-x2)+(x-x0)(x-x2)f(x1)/(x1-x0)(x1-x2)+(x-x0)(x-x1)f(x2)/(x2-x0)(x2-x1); */
//Ta是周期值
//Points是要抽取的点数，本系统进行64点FFT计算，Points取64
float fft_buf[128]; // 保存CS5451A采集的128点数据
float dataR[128]; // 保存抽出来的64点数据
void DataChange(float Ta,int Points)
int i,j,k;
int index; //offset;
float p=1.0;//初始化p
float c=1.0;
float yE=0;
float m;
int T0=25; //To 单位为10us.
for(i=0;i<POINTS;I++) {
//找到所需的三个点的第一个点. 整除的状况要考虑. index=(floor((i*Ta*100)/(Points*T0)));
//若所求的点为已知点则跳过.
if((i*Ta*100)/(Points*T0)-floor((i*Ta*100)/(Points*T0))==0) {
dataR[i]=fft_buf[index];
continue;
}
//用lagrange 计算出所求的点.
for(j=0;j<3;j++)
{
p=1;
c=1;
for( k=0;k<3;k++)
图4：软件主流程图。

if(k==j)continue;//判断是否为同一个数m=index+k;
m=m*T0*Points;
p=p*(Ta*i*100-m);
p=p/Points;
c=c*((index+j)*T0-(index+k)*T0); }
//求和
yE=yE+p*fft_buf[index+j]/c;
}
dataR[i]=yE;
yE=0;
}
}。