基于CS5463的雙流制機車電度表設計

周志偉，于惠鈞，阮志新，谷聚輝，吳曉喜，周楚剛

（1.湖南工業大學電氣與信息工程學院，湖南株洲412007；2.株洲聯誠集團有限責任公司，湖南株洲412001）

基于CS5463的雙流制機車電度表設計

周志偉1，于惠鈞1，阮志新2，谷聚輝1，吳曉喜2，周楚剛1

（1.湖南工業大學電氣與信息工程學院，湖南株洲412007；2.株洲聯誠集團有限責任公司，湖南株洲412001）

設計一種基于CS5463的雙流制機車電度表。介紹了雙流制電度表的技術性能、總體結構以及程序設計方法，通過對電能計量模塊、中央處理模塊、雙路供電設備以及GPRS與RS485通信模塊進行設計，實現機車交流與直流的顯示、與TAX2機車監控裝置通信以及遠程無線抄表功能。采用型式試驗、例行試驗對新研制的雙流制機車電度表進行測試，試驗結果表明，該電度表具有制造成本低、數據處理能力強、安全保障度高、測量精度高、抗干擾能力強等優點。

交流電力機車；雙流制；計量系統；中央處理模塊

隨著電子技術的高速發展，電度表作為電能計量工具被應用于電力機車中。目前，我國的能源相對比較緊張，電能計量技術尚不成熟，因此，研究如何將電能有效合理地計量很重要[1]。電力機車計量電能常采用機械式電度表與電子式電度表。電子式電度表具有可靠性高、穩定性強、精度高等優點。因此，本文設計了一種基于CS5463的雙流制機車電度表。該系統由電能計量模塊CS5463、中央處理模塊STM32F103R8T6等組成。先經過精度高、隔離性強的互感器和霍爾電壓、電流傳感器以及電能測量芯片[2]CS5463采集并檢測機車電量信號，再通過中央處理模塊處理，實現多系統的AC 和DC 的測量、遠程抄表以及與機車上其它裝置的通信連接，將機車電量等信息通過液晶LCD顯示，并將電流、電壓、功率和電量等數據根據自身實時時鐘進行分時分段存儲。

1 系統總體結構設計

1.1 系統主要技術性能

1）電壓通道：輸入交流電壓為100～300 V，額定電壓為150 V；輸入直流電壓為-72.5～72.5 mV，額定電壓為50 mV。2）電流通道：輸入交流電流為0～1.5 A，額定電流為1 A；輸入直流電流為-700～700 mA，額定電流為400 mA。3）精度范圍：有功計量范圍為±0.5，無功計量范圍為±2.0。4）顯示范圍：LCD顯示電能數據為8位。5）功耗：小于5 W。6）輔助電源電壓：DC 110 V。7）通信方式：RS485與GPRS通信。8）存儲范圍：存儲1個月的數據。

1.2 系統硬件結構

雙流制電力機車電度表如圖1所示。

圖1 雙流制電度表總體框圖Fig.1The overall diagram for double-current electricity meter

雙流制電力機車電度表主要由采樣電路、計量芯片CS5463[1]、ARM微處理器STM32F103R8T6、時鐘電路、FLASH存儲器、LCD顯示電路、RS485通信模塊、GPRS通信模塊、電源電路等組成。采樣電路選用差動放大電路，變換電壓、電流信號；計量芯片CS5463采集電力機車輸入電流、電壓信號；ARM微處理器STM32F103R8T6主要處理CS5463采集到的機車電流電壓信號，并將機車電流、電壓、功率與電量數據按照自身實時時鐘來分時分段的存入至FLASH存儲器；LCD12864顯示電量數據，如機車電量、機車累積反饋電量以及機車累積耗電量；實時時鐘芯片是為當前電量提供對應的時鐘信號；RS485能接收TAX2裝置的機車信息；GPRS能實現遠程無線抄表。

為保證系統抗干擾能力強[2]、電磁兼容性好，系統輸入端采取了一定的保護措施，如設計三路電源電路（計量模塊、中央處理模塊、通信模塊）使輸出正確隔離。

1.3 電能計量模塊

電能計量模塊主要由CS5463電能測量芯片，電壓、電流采樣電路等構成。其中，電流、電壓采樣電路選用差動放大電路，主要用于變換電流、電壓信號；CS5463電能計量芯片內部集成2個模數轉換器、功率計算器、電能頻率轉換器以及一個串行接口，它能準確測量瞬時電流、瞬時電壓、有功功率、無功功率、諧波功率以及功率因數，主要用于電能計量和自動校表中。CS5463利用電流互感器將機車輸入大電流變換為較小電流信號，利用電壓互感器將機車輸入高電壓轉變為低電壓信號，其具有電壓檢測、校準等功能。

機車交流電壓采樣時，電壓互感器輸出電壓信號為150 V，經過分壓電阻、電容濾波電路變換為100 mV的電壓信號，該電壓信號作為電能計量芯片的電壓信號輸入端；機車交流電流采樣時，電流互感器輸出電流信號為1 A，經過分壓電路、濾波電路將機車電流信號轉換為1 mA電流信號，該電流信號作為電能計量芯片的電流信號輸入端。

機車直流電流采樣電路如圖2所示。由圖可知，先利用霍爾傳感器將額定電流轉為直流電流400 mA，經電阻輸出電壓信號UIN（145 mV），再將該電壓信號輸入至電能計量芯片CS5463的IIN端；測量芯片通過數據信號SDI、SCLK時鐘脈沖、RST復位信號、CS片選信、數據信號SDO連接中央處理模塊。

圖2 機車直流電流采樣電路Fig.2Locomotive DC current sampling circuit

直流電壓采樣電路利用霍爾電壓傳感器將輸入額定電壓轉為直流電流50 mA，再經分流電路、電阻（R2, R3）分壓電路輸出電壓信號UIN（165 mV），再將該電壓信號輸入至計量芯片的VIN端，如圖3所示。

圖3 機車直流電壓采樣電路Fig.3Locomotive DC voltage sampling circuit

1.4中央處理模塊

中央處理模塊主要由電源模塊、ARM微處理器STM32F103R8T6、LCD12864顯示電路、SD2404時鐘電路、F L A S H存儲器等組成。其中，計量芯片與STM32F103R8T6采用SPI總線接口相連接；復位信號NRST與微處理器NRST端相連；微處理器具有抗干擾能力強、可靠性高、功能強等優點。ARM微處理器作為電度表核心芯片，主要完成電能數據的處理、顯示與存儲功能。

1.5 無線通訊模塊

1.5.1 RS485模塊

由于RS485通信易受干擾，因此，RS485模塊的電源、信號輸入以及信號輸出應采取一定的隔離措施。電源與輸出信號選用磁環隔離電路，輸入信號選用光耦隔離電路[3]，收發器選用穩定性好的MAX487電路。RS485采用國標電氣標準接口，通信波特率為19 200 B，主要由MAX487模塊、光耦模塊以及外圍電路組成。其中，MAX487既可以發送數據，又可以接收數據，當使能端為1時，MAX487發送數據；當使能端為0時，MAX487接收數據。

1.5.2 GPRS模塊

為了保證機車電能計量系統能全天候與地面監測中心進行通信，功耗的高低成為GPRS模塊選型的一個關鍵因素[4]，因此，本能耗監測裝置采用西門子公司生產的MC55無線通信模塊。MC55內置TCP/IP協議，具有一般的語音、短信、數據業務、無線連接功能。戶主通過發送AT短信指令[5]，激活GPRS模塊，實現電力機車與地面服務器的在線實時通訊。

MC55的正常工作電壓范圍為3.3～4.8 V，最大承受電流為2 A。MC55的集成度高，外圍電路簡單。

1.6 電源模塊

根據計量裝置的供電要求，系統采用供電電源和備用電源2種方式，以保證機車不間斷供電，有效預防了機車用電信息丟失，具體電源設計結構如圖4所示。

圖4 電源模塊結構圖Fig.4Power module structure

在圖4中，2種電源供電方式通過整流、濾波后并聯，這樣2種供電方式隔離，對二者供電不會產生影響。電路計量模塊與通訊模塊的電源也需要相互隔離，本文采用直流—直流方式。輸入電壓選用直流110 V的穩壓電源。通過設計自適應電路和壓敏電阻保護電路，增強系統的抗干擾能力。

2 系統軟件設計

系統主程序由初始化模塊、電能計量模塊、顯示模塊、數據存儲模塊、遠程通信模塊、鍵盤模塊、時鐘模塊等組成。它是系統的核心，可完成機車電量數據處理、顯示、存儲以及遠程通信功能。上電復位后，系統進入主程序，程序先進行初始化操作，再判斷供電電源是否掉電，如果供電電源掉電，則調用數據存儲模塊，將機車電量信息存儲至FLASH存儲器中，同時系統進入低功耗狀態，有效地延長備用電池使用時間，以達到節能的目地。系統可通過中斷定時實時喚醒低功耗狀態。如果供電電源沒有掉電，通過中斷定時計數的方式顯示當前CS5463采集的電量數據，并采用2種遠程通訊方式實現遠程無線抄表，即RS485無線通訊與TAX2模塊。

圖5 主程序流程圖Fig.5Flow chart for main program

3 系統樣機檢測

機車電度表以計量為核心，其常規檢驗項目有精度、工頻耐壓、啟動/潛動試驗。根據國家標準GB/ T 17215.323—2008《交流電測量設備 特殊要求第23部分：靜止式無功電能表（2級和3級）》，采用鄭州華特測控新技術有限公司開發的檢驗試驗臺WTT160對機車電度表進行例行試驗和型式試驗，試驗內容包括：精度測量、工頻耐壓測試、啟動/潛動測試等。例行試驗和型式試驗裝置如圖6所示。

圖6 例形與型式試驗裝置Fig.6Routine and type tests device

試驗結果如表1所示。測試試驗參數為：輸入交流額定電流為1 A，輸入額定電壓為150 V ，調節系統的輸出電流分別為1.2Ib，1.0Ib，0.5Ib。當輸出電流不變，測試調節功率因數分別為0.5L，1.0，0.8C時的雙流制電度表工作情況。由試驗結果可知：機車雙流電度表的有功計量為0.5級，無功計量為2級，且機車電度表工頻耐壓、啟動/潛動合格，設計方案達到預期設計效果。

表1 機車例行與型式試驗結果表Table 1The locomotive routine and type test results

4 結語

本文采用電能計量芯片CS5463和ARM內核芯片STM32F103R8T6，利用C/OS-II操作系統設計出雙流制機車電度表。該系統能實時顯示機車交流電壓、交流電流、直流電壓、直流電流、功率因數、功率和牽引耗電量，并能實現無線遠程抄表。軟件采用模塊化思想和DL/T 645 通信協議來實現。本文設計的電能計量系統滿足GB/T 17215.322—2008國家標準，其精度等級為：有功計量0.5級，無功計量2.0級，且該雙流制機車電度表已成功在南非電力機車上運行。

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（責任編輯：鄧彬）

Design of Double-Current Locomotive Electricity Meter Based on CS5463

Zhou Zhiwei1，Yu Huijun1，Ruan Zhixin2，Gu Juhui1，Wu Xiaoxi2，Zhou Chugang1
（1. School of Electrical and Information Engineering，Hunan University of Technology，Zhuzhou Hunan 412007，China；2. Zhuzhou Lince Group Co., Ltd., Zhuzhou Hunan 412001，China）

Designed a CS5463-based double-current locomotive electricity meter. Introduced the system’s technical capabilities, the overall structure and program design method. Through the design of electric energy metering module, central processing module, dual power supply equipment and GPRS and RS485 communication module, realized the measurement of the electric locomotive AC and DC display, the communication with the TAX2 locomotive monitoring device and remote wireless meter reading function. The type test and routine test were conducted on the new developed meter with double-current system, the results show that the meter has the advantages of low manufacture cost, strong data processing, high security, high measuring accuracy, strong anti-interference ability etc.

AC electric locomotive；double-current system； measuring system；central processing module

TM933.4

A

1673-9833(2014)04-0053-04

10.3969/j.issn.1673-9833.2014.04.012

2014-05-30

湖南省大學生研究性學習和創新性實驗計劃基金資助項目（湘教通[2014]248號323），湖南工業大學校級大學生研究性學習和創新性實驗計劃基金資助項目（湖工大教字[2014]7號83）

周志偉（1987-），男，湖南常德人，湖南工業大學碩士生，主要研究方向為檢測與電氣控制技術，E-mail：m12085207002@163.com

于惠鈞（1975-），男，河南駐馬店人，湖南工業大學副教授，主要從事檢測與自動控制技術方面的研究，E-mail：463298180@qq.com