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，實現了對電能的測量。通過顯示屏顯示測得的數據并由無線傳輸模塊將數據輸出給PC機處理。

關鍵詞：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重要的作用。隨著微電子技術的發展，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出的優勢越來越明顯[1]。電能測試儀綜合應用了計算機的軟硬件技術和先進的數字電能計量方法，能夠對電能損耗、線網電壓、線網電流的準確的計量，并經由nRF24L01無線模塊，對設備上電能進行遠程無人自動測量傳輸，實現了集中抄表、用電監測和信息統計等方面的計算機管理，從而提高設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公司生產的功率/電能計量專用芯片CS5460。在CS5460內，集成了功率計算引擎、片內電壓基準（215V）、看門狗功能、電源監控電路、215～20MHz可選的內部時鐘發生器、電能/脈沖變換器和校準用的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/數轉換器、高速數字濾波器和可選用的高通濾波器）。

3 系統的硬件組成

電壓和電流信號進入CS5460后，在芯片內部對電壓電流進行放大、濾波、采樣、計算，得到瞬時功率，然后根據周期計數寄存器設定的計數周期算出電能值、電流有效值、電壓有效值，存入相應的寄存器，最后由單片機通過通訊接口讀出相應寄存器的瞬時功率、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。

系統微處理器采用AT89C52單片機，其運算速度完全能夠滿足系統要求。串口通信的RS-232C接口采用9針串口，串口傳輸數據只要將兩個串口的“發送數據”與“接收數據”交叉連接，再加上信號地線就能實現。串口通信又分查詢和中斷兩種方式，在本系統中，通訊數據不固定，數據量大，所以本系統采用中斷方式進行通訊。能過串口通信將數據暫存入單片機。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器芯片。數據經nRF24L01無線傳輸，由單片機傳輸給PC機，將數據存在PC機中供查詢。本系統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/驅動器，總共顯示數據RAM 48*84位，芯片采用串行數據接口。NOKIA 5110的串行接口包括4條控制線，SDIN（串行數據輸入端）、SCLK（串行時鐘輸入端）、D/C（數據/命令）、SCE（芯片使能）。當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 系統的軟件設計

根據電能測試儀硬件部分的功能實現要求，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能夠相互獨立，依次為以CS5460A為主的電能參數采樣模塊、液晶5110顯示模塊，nRF24L01無線收發模塊。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。

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

無線傳輸模塊發送程序流程：通過配置寄存器，將無線傳輸模塊設置為發射狀態，將地址和數據發送出去，檢測自動應答信號，一旦接收到TX_DS置1，否則自動重發，當達到設定的自動重發次數，則MRX_RT置1，該位必須清零后系統才能進行通訊。

無線傳輸模塊接收程序流程：通過配置寄存器，設置為接收狀態，nRF24L01啟動載波檢測，一旦收到的地址相符，就將數據接收，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口讀取數據。

5 結束語

本測試儀的設計和制作，考慮到了參數測量的準確度，又力求設計線路的簡單易懂，并能夠滿足遠程監控。經實驗檢測，完全符合設計要求。

參考文獻

[1]趙偉，龐海波.電能表技術的發展歷程[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[M].廈門大學出版社，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備保障方面的工作。