現場智能電參數采集模塊設計

摘 要：本文介紹了智能現場電參數采集模塊的詳細設計方案。該系統可以精確測量瞬時電壓，電流并計算其電流有效值IRMS、電壓有效值VRMS以及瞬時功率、有功功率、無功功率、頻率、功率因數等電參數。系統還提供多路開關量輸出，繼電器輸出，以供工業現場不同需求使用。本模塊通過RS-485總線與上位機通信，利用上位機可以對模塊進行一些功能設置，校準模塊的精度，控制（4-20）mA信號的輸出等。

關鍵詞： 智能現場電參數采集；互感器；485通信；調試測試；通信協議；CS5463

中圖分類號：TP27 文獻標識碼：A

1 概述

許多工業設備在現場運行過程中，需要對相關參數進行實時在線檢測，隨時了解其電流、溫度、功率等參數。眾多用戶迫切需要一種安全可靠、實施快速的交流電量檢測儀器，有效地對參數進行測試。

2 系統設計

智能現場電參數采集系統的整體設計共包括七大模塊： 控制處理芯片STC12C5A60S2，電參數采樣電路模塊，4-20mA信號輸出模塊，485通信模塊，掉電保護模塊和輔助輸出及調試模塊，供電電源。STC12C5A60S2單片機是本系統的核心單元，它負責整個程序的運行，將從CS5463測量電路中采集到的電參數讀出，然后根據通信協議將處理后的數據通過485通訊電路上傳到上位機處理并顯示。在此系統中采用RS485主從式結構：從機不主動發送命令或數據，一切都由主機控制。并且在一個多機通信系統中，只有一臺單機作為主機，各臺從機之間不能相互通訊，即使有信息交換也必須通過主機轉發。

本模塊系統的結構示意圖如下圖1：

系統整個程序共分為三大部分：系統上電初始化，主循環程序設計，通信程序設計。每一部分完成特定的功能，首先，由電量采集系統通過電壓互感器和電流互感器采樣模塊獲取交流電的模擬信號，信號經過CS5463進行數據計算處理，這時單片機等待CS5463處理完畢的信號，一旦接到信號，單片機馬上讀取CS5463獲取各種電參數，同時，單片機等待上位機發來的命令，來執行相應的中斷服務程序，在中斷服務程序中，上位機可以請求讀取各種電參數，可以修改模塊地址，可以控制指示燈和繼電器，可以進行電參數的校準，可以設置（4-20）mA信號的輸出等。

2.1 模擬信號輸入電路的設計

CS5463內部具有兩個△-∑調制器對模擬量采樣處理，因此我們可以直接將模擬信號輸入芯片，CS5463就可以自動采樣計算，但在輸入模擬信號之前，必須將市電轉換為毫伏毫安級的模擬信號才能直接接入CS5463，否則會燒壞芯片，且非常危險。因此要考慮模擬信號的輸入電路的設計，在這里采用了電壓互感器和電流互感器將交流電壓，交流電流轉換為毫伏級的交流電，采用這種方式既可以滿足要求，又做到了強弱電的安全隔離，同時隔離了干擾。

如圖2所示取交流電壓的一側，首先根據測量范圍確定電壓互感器的型號，通過查閱CS5463的技術資料，其加在VIN+和VIN-之間的采樣電壓在150mA左右為最佳采樣信號，選用常用的2mA/2mA電流互感器，在互感器輸出側串入100Ω的電壓變換電阻R3，在交流電壓中串入一個250K的大電阻R1，這樣輸入側的交流電壓就變為100mV左右的采樣電壓。同理，將交流電流的輸入電路通過10A/10mA電流的電流互感器LH1，從而實現了強弱電的隔離轉換，再在電流互感器的輸出側串入一個10Ω的電阻R2，10Ω×10mA=100mV，也可以得出滿意的采樣電流信號。

2.2 測量電路的接口電路設計

CS5463由2個可編程增益放大器、2個△-∑調制器、配套的高速濾波器、功率計算引擎、偏置和增益校正、功率監測、串行接口及相應功能寄存器等組成。2個可編程放大器采集電壓和電流數據，△-∑調制器對模擬量采樣處理，高速數字低通或可選的高通濾波器濾取可用電壓電流數字信號，功率計算引擎計算各類型的功率，電壓、電流，并將計算的功率值通過串行接口對外輸出，既可以接EEPROM，也可以接微控制器。該電路還有能量脈沖信號輸出模塊，可以直接外接計數器或步進電機，省去微控制器直接外送用電量，降低電表類產品的成本。

2.3 （4-20）mA信號輸出電路設計

在工業現場，用一個儀表放大器來完成信號的調理并進行長線傳輸，會產生以下問題：第一，由于傳輸的信號是電壓信號，傳輸線會受到噪聲的干擾；第二，傳輸線的分布電阻會產生電壓降；第三，在現場如何提供儀表放大器的工作電壓。為了解決上述問題和避開相關噪聲的影響，采用電流來傳輸信號，因為電流對噪聲并不敏感。4mA～20mA的電流環便是用4mA表示零信號，用20mA表示信號的滿刻度，而低于4mA高于20mA的信號用于各種故障的報警。

2.4 串行通訊485接口電路設計

RS-485串行總線接口標準以差分平衡方式傳輸信號，具有很強的抗共模干擾的能力，允許一對雙絞線上一個發送器驅動多個負載設備，工業現場控制系統中一般都采用該總線標準進行數據傳輸。由于RS-485通訊是一種半雙工通訊，發送和接收需要共用同一物理信道。在任意時刻只允許一臺單機處于發送狀態。半雙工通訊對主機和從機的發送和接收時序有嚴格的要求。如果在時序上配合不好，就會發生總線沖突，使整個系統的通訊癱瘓，所以總線上的設備在時序上的嚴格配合。單片機通過485與上位機通信主要宗旨是，實時性要強。即上位機對模塊要隨叫隨到。因此我們采用串口中斷方式，且模塊在沒有進入中斷時，時刻處在等待接收數據狀態。一旦上位機有數據到來，模塊便進入接收中斷，執行相應命令。 針對模塊的485通信軟件設計，用VB編寫了一個上位機通信調試軟件，軟件界面如圖3所示。

此軟件是根據下位機制定的通信協議編寫，能夠讀取模塊的所有電參數，并進行模塊地址的設置、電參數校準，控制數字量的輸出，搜索模塊的地址，查看模塊的好壞，進而達到通過傳輸錯誤次數來檢測通信質量的目的。

2.5 電參數校準程序設計

CS5463可以精確測量電參數的前提是進行校準設置，校準是通過軟件設置寫入CS5463的相應寄存器來實現的。為了方便模塊及時校準精度，設計了通過上位機來校準模塊的通信程序。CS5463的校準主要有三部分：電壓增益校準，電流增益校準，功率偏移校準。增益校準與模塊測量最大值密切相關，一個測量范圍對應一個增益值。在進行增益校準時，將模塊的最大輸入量加在模塊上（如電壓250V，電流10A），然后讀取增益值，寫入EEPROM，等待看門狗復位，復位后重新讀取EEPROM，并重新設置CS5463的增益值。功率偏移校準類似，只是其偏移值沒有規律，需要進行嘗試，多次設置校準實現。

結語

系統設計過程中，最難的部分是電參數的讀取和通信協議的編寫。對電參數的讀取也就是對CS5463的操作，因為CS5463遵循嚴格的SPI通信時序，因此在用單片機普通IO口模擬SPI通信時，必須嚴格按照讀寫CS5463的時序來對芯片進行操作，否則會造成讀寫數據錯誤，導致系統崩潰。作為工業應用級產品，強大的通信功能是系統不可或缺的部分，通信協議的制定尤其重要。開始沒有充分注意到通信協議的重要性，只編寫了一些未加校驗的簡單通信協議，結果在現場應用時，系統參數被改寫，導致系統很快癱瘓。在應用國際標準的CRC16系統數據冗余校驗算法進行數據的校驗，重新改寫了通信協議后，通信良好，保證了數據通信的精確無誤。通過將上述硬件、軟件部分進行有效的融合，進行充分的實驗、測試和標定后，整個系統具有一個相對良好的測量精度和通信性能，現已投入實際使用當中，經測量和現場驗證，模塊的測量和輸出精度可以達到千分之五以內，電流可以控制在千分之二以內完全滿足大多數工業生產的要求。

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