高 翔，王雪梅

（西南交通大學機械工程學院，四川 成都 610031）

0 引 言

目前，國內外電能表多為傳統(tǒng)感應式電能表，受其結構和原理上的制約，通常存在著穩(wěn)定性差、精度低等缺點；其次，測量指標不夠全面，因而常常不能滿足實際應用的需要。為改善以上問題，本文設計了基于CS5463芯片的電力參數測試儀。該測試儀具有測量精度高、測量指標全面等優(yōu)點，并且具有校準方便、簡單可行的特點。很多人對于CS5463芯片的校準概念模糊，錯誤的校準方法會影響測試儀的測量準確度和穩(wěn)定性；因此，本文在介紹測試儀器總體結構和硬件電路的基礎上，重點論述了CS5463芯片需要校準的原因和理論，以及校準流程。在對測試儀進行校準后，各種電力參數的測量準確度和穩(wěn)定性均能夠達到較高指標。

1 測試儀總體結構

本文所設計的電力參數綜合測試儀，能夠方便地外接用電設施，采集電壓和電流信號，經過處理后得到有效電壓、有效電流、有功功率、無功功率、視在功率和功率因數等相關參數的測量值，并直接顯示。該測試儀電壓測量量程為0～250 V，電流量程為0～2 A，測量準確度在0.5%以上。

整個儀器主要由基于CS5463芯片的信號檢測處理電路和基于STM32單片機的顯示控制電路兩部分組成，儀器總體結構如圖1所示。CS5463芯片是專門用于電力參數測量的電子芯片，具有方便的片上AC/DC系統(tǒng)校準功能。STM32為16位單片機，它是高性能、低成本、低功耗的ARM系列單片機[1]，是用低成本實現高端性能的絕佳選擇。

2 硬件電路設計

本儀器電路原理如圖2所示。交流輸入接口為電源輸入端，頻率為50Hz，電壓范圍為0～250V，交流輸出接口外接用電設施。由于電流傳感器轉換精度較高，所以電壓傳感器由大功率電阻和電流傳感器構成，R1和R2為62K/1W大功率電阻，將測量電壓轉換為測量電流，電流傳感器[2]轉換系數為2mA/2mA。電壓和電流信號經過采樣電阻R3和R4后，轉換為采樣電壓。R5、R6、R7和R8為偏置電阻，將采樣電壓轉化為差分信號。R9、R10、C1和 R11、R12、C2分別組成低通抗混迭濾波器，濾掉不需要的高頻信號。由于CS5463芯片瞬時電壓值采樣數越多，有效值計算越精確[3]，因此本儀器設定瞬時電壓采樣頻率為4kHz，根據采樣定理，設計該低通抗混迭濾波器截止頻率為2kHz。最后采樣電壓進入CS5463芯片的電壓和電流采樣通道VIN和IIN。利用CS5463芯片內部的A/D轉換器將采樣電壓轉換為數字信號，經過數字濾波，然后對電壓和電流進行有效值和功率計算，得到有關電力參數值，并將結果存儲在CS5463芯片內部寄存器中。

圖2 測試儀電路原理圖

CS5463芯片與STM32單片機之間采用SPI通信[4]。SPI是用于芯片間的一種同步串行通信標準，它采用3或4線制，收發(fā)數據獨立、可同步進行。CS為SPI通信口片選管腳，SCLK為時鐘管腳，SDO為數據輸出口，SDI為數據輸入口，REST為復位管腳，INT為中斷輸出管腳。當測量完成時，CS5463芯片內部狀態(tài)寄存器相關狀態(tài)位置位，如果開通CS5463中斷寄存器，則CS5463芯片的INT管腳置低。因此，STM32單片機可以通過查詢方式或中斷方式獲取測量數據。由于CS5463芯片供電電壓為5 V，STM32單片機供電電壓為3.3 V，所以CS5463芯片向單片機傳送數據時，需要加1 kΩ的限流電阻R13和R14。單片機讀取數據后，將其轉換為實際測量值，并顯示測量結果。本設計使用迪文顯示器，采用USART通信，USART是一個全雙工通用同步/異步串行收發(fā)模塊[5]，圖2中TXD和RXD分別為STM32單片機USART串口發(fā)送和接收數據管腳。

3 CS5463芯片的校準

3.1 CS5463芯片校準原理

采樣信號在CS5463芯片中需要經過放大器、A/D轉換器和濾波器等電子器件。采樣信號中含有噪聲信號，其有效值不為0，同時由于電子器件的溫漂特性[6]，CS5463會產生零點漂移現象，形成偏移電壓。采樣信號為模擬信號，經A/D轉換為數字信號，A/D基準電壓采用CS5463芯片內部參考電壓，參考電壓存在一定誤差，同時由于A/D轉換位數為24位，轉換精度有限[7]，增益并非理想化，形成增益誤差。

未校準前測量曲線見圖3，曲線1為理想測量曲線，實際值和測量值之間增益系數K1為1。曲線2為實際測量曲線，y3為偏移電壓，K2為增益系數。可以看出，由于偏移電壓的存在和增益系數不為1，造成了實際測量的不準確。因此，校準過程應該先進行偏移校準，使測量曲線起始點為零點，再進行增益校準，否則可能越校越亂。在增益校準過程中，如果標準信號選取數值過大或過小，會造成測量曲線一端數值增益準確度較高，而另一端數值增益準確度較差的后果，因此應選取量程中間值為校準對象。圖4為CS5463校準后曲線圖，可以看出，實際測量曲線和理想曲線已經十分接近，但仍未完全重合，這是因為實際測量誤差和校準誤差無法完全消除，因此實際應用中只能盡量將誤差降至最小。

圖3 CS5463校準前曲線

圖4 CS5463校準后曲線

CS5463有瞬時值測量和交流有效值測量。交流有效值測量過程是采取一定數量的瞬時值，經過有效值公式運算后取平均值。因此，CS5463校準過程包括直流偏移及其增益校準和交流偏移及其增益校準[8]。由于可以開通CS5463自帶的高通濾波器濾掉直流分量，所以只需要進行交流偏移及其增益校準。

3.2 CS5463校準過程

CS5463內部含有校準寄存器，只需要寫相關的校準命令字，便可以方便地對其進行校準。交流電壓偏移校準流程如圖5所示。外界不需接任何信號，校準前清空CS5463內部的偏移寄存器，并且設置增益為1，然后依次寫校準時間即CYCLE COUNT寄存器、校準命令字，等待校準完成后，便可讀取數值。多次校準后取平均值，并在下次測量前把該校準值寫入交流偏移寄存器。需要注意的是，寫入CYCLE COUNT寄存器中的數值對校準結果有直接影響，數值越大，校準時間越長，校準越準確[9]。

圖5 電壓偏置校準流程

交流電壓增益校準流程如圖6所示。先接入標準儀表，從測量通道輸入標準信號，將增益值設為1，讀取CS5463測量數值a，同時讀取標準儀表數值b，計算增益系數k1=b∶a，將增益系數寫入增益寄存器，再次進行測量，計算增益系數k2，將比值k2/k1寫入增益寄存器。不斷重復以上操作，不斷減少增益誤差，直到獲得理想效果。

圖6 電壓增益校準流程

3.3 校準實驗數據

在對CS5463電壓通道和電流通道進行校準，消除了交流偏移誤差和增益系數誤差后，需進行實際測量驗證。電壓測量數據見表1，量程為0～250V，測量間隔為20V。電壓絕對誤差δU計算見式（1）。電流測量數據見表2，量程為0～2A，測量間隔為200mA，電流絕對誤差δI計算見式（2）。

式中：U0——標準萬用表測量電壓；

U——測試儀測量電壓。

式中：I0——標準萬用表測量電流；

I——測試儀測量電流

表1 電壓測量數據表

表2 電流測量數據表

通常測試儀表測量誤差要求范圍為±1%，由表中數據可知，校準后本測試儀測量誤差δ遠遠小于±1%，測量準確度已經達到要求。

4 結束語

本文設計了電力參數測試儀，利用該測試儀能實現有效電壓、有效電流、有功功率、無功功率、視在功率和功率因數等相關參數的測量。電力測量芯片CS5463測量交流信號時，結果中含有交流偏移誤差和增益誤差，需要進行校準。校準順序為先進行偏移校準，再進行增益校準。校準過程中應該保證足夠長的校準時間和足夠多的校準次數，才能獲得滿意的結果。經過正確校準后，結果表明由CS5463芯片組成的測試儀穩(wěn)定性好，測量精確度高，可以作為測試儀表使用。

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