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1、基于CS5460A芯片的列车供电电能表设计段炼（株洲联诚集团有限责任公司，湖南、株洲 412000）摘 要：本文介绍了电能计量芯片CS5460A的功能和使用方法，给出了采用CS5460A芯片与微处理器连接设计列车供电电度表的方案，并进行了样机实验。实验结果验证了该设计的可行性和有效性。关键词：CS5460A；电能；电压；电流；计量Design of Locomotive Energy Meter based on Chip of CS5460ADUAN Lian(Zhuzhou Lince Group Co., Ltd , Zhuzhou 412000, China)Abstract: Thi
2、s paper introduces the function and the use method of the energy measuring chip CS5460A. And a method of connecting chip of CS5460A and MCU to design locomotive energy meter is put forward in this paper. At last, the feasibility and validity of the design presented in this paper is testified by expe
3、riment.Keywords: CS5460A; energy; voltage; current; measure0引言 目前，电力机车普遍使用机械式电度表对机车用电进行计量，该表是在民用电度表的基础上经过简单改进而来的。由于原有的感应式电度表只能计量基波的能量，对于谐波没有计算在内，因而造成了较大的误差，在实际使用中，机车电度表的计量数据和关口表的计量数据相差很大。本文讨论的数字式电度表采用了先进的数字计量技术，计量结果包括了基波成分和各高次谐波成分，实现了对电能的精确计量，并通过微控制器将对正反向有功，正反向无功进行准确的计量和记录，既能够通过微控制器处理，分别计量机车在牵引状态下的消
4、耗电能和制动反馈电能状态下的再生电能。且同时测量并显示出电网电压及机车电流，为机车运行提供更详尽准确的用电数据。针对当前机车用机械式单相电度表存在着计量精度不高，过重过大等缺陷，研制计量精度高、可靠性好、美观大方的专用电子式电能表，将是机车电能表的未来发展趋势。1 电度表系统结构及工作原理数字式电度表通过微控制器对专用电能计量芯片、LED模块、存储器、等模块的控制，实现了各种参数的准确测量、显示、数据安全记录 ，系统结构框图如图1所示。 电压 电压互 专用电源模块 110V感器 电能 SPI 微控制器计量 MCU电流 电流互芯片数据存储感器 LED显示 图1 系统结构框图 该数字式电度表采用了
5、微处理器PIC16F877进行控制。经过验证，该微处理器在抗干扰能力和可靠性方面具有良好的性能，能在电力机车各种工况下正常运行；同时，该微控制器采用精简指令集，执行效率高速度快、片上资源丰富，只需要很少的外围电路即可构成应用系统，大大提高了系统的集成度，减小了系统的体积，同时也增强了系统的抗干扰能力。系统还配置了2K字节的CMOSEEPROM24C01A，该存储器有着快速的存取速度和高达100万次的擦写次数，为系统提供可靠的数据记录。电网电压、机车电流分别通过霍尔传感器、电流传感器及电阻网络转换成150mv以内的微小信号分别送入电能计量芯片CS5460A的电压、电流差分信号输入通道，CS546
6、0A输出与被测能量成正比的脉冲信号，在微处理器的计数和控制下，各数据送到驱动显示电路，驱动8位LED数码管显示电压，电流，电能等，并定时将电能数据存储到24C01A。2计量专用集成电路该数字式电度表测量部分的核心采用了一颗高精度的电能计量专用芯片CS5460A 。CS5460A是美国CRYSTAL公司最新推出的带有串行接口的单相双向功率电能计量集成电路芯片，现主要应用在单相电子式电能表和三相电子式电能表中。该芯片比现较流行的电子电能表芯片如AD7750，AD7755更容易实现与微处理器的连接,可以方便的组成多功能电子式电能表。该芯片是带有能量计算引擎的COMS单芯片功率测量装置。CS5460A
7、包括一个可编程增益放大器，两个-模数转换器（ADC）、两个高速滤波器，具有与微控制器通讯的双向串口和与能量成正比的频率可编程的脉冲输出及方便的片上ACDC系统校准功能。各数据寄存器具有24位精度，可通过三线SPI接口与CPU交换数据。从而可以较好地适应多功能表需要计量多种电量数据的要求。在输入动态工作范围（3001）内，非线性测量误差小于0.1。能够测量瞬时电流、瞬时电压、瞬时功率、电流有效值、电压有效值、功率有效值和电能计量，通过CS5460A提供的SPI接口与微控制器交换测量数据和设置参数。3信号采样电路及精度保证 机车通过受电弓从高压电网上取电，通过变压器，硅机组等变换电压后供给各用电器
8、。电网额定电压是AC25000V，由电压互感器转换成AC150V送入电度表，并经电阻网络转换成100Mv后输入到CS5460A的电压差分信号输入通道。机车额定电流为250A，经交流电流互感器转换成1A的电流送入电能表，并经电流互感器及电阻网络转换成100mV的电压后送到CS5460A的电流差分信号输入通道。系统MCLK=4.096MHZ时，CS5460A的电压电流计算精度为0.1%满足机车电表1%的精度要求，所以误差主要来源于电阻网络。若电路全采用固定电阻，整个电路的误差累积很容易导致电表误差超过1%，因此选用0.5%的精密电阻和阻值相匹配的精密可调电阻，将输出结果调整到精度要求范围内。4软件
9、特点该数字式电度表在实际使用中要求有长期可靠运行及电能数据的安全记录，因此控制软件的稳定性和容错性能是影响系统运行的重要方面。控制软件采用传统的前后台系统结构，主循环中任务执行由任务标志控制，确保任务执行的实时性，及显示内容的顺序定时切换。采用定时器中断来控制数据的定时检测存储。由CS5460A的EOUT脚提供的能量记数脉冲引发微控制器的外中断进行电能记数累加。MCU与CS5460A的SPI接口的可靠性和电能数据及校准数据的安全存储是控制软件的2个重要部分。在SPI传输方面，采用CS5460A提供的SPI校验寄存器来实现测量数据和校表数据的准确传输。本系统的电能值定期存放在串行EEPROM24
10、C01A中，在掉电的情况下保存电能值。24C01A的读写，大多数情况下正常，但是在极偶然的时候，特别是频繁地断电/上电时，发生数据出错的情况。由于出现的概率太小，很难再现故障，所以给查找原因分析问题带来困难。虽然出错的概率很小，但仍然是不可接受的。因此在安全存储方面，通过数据有效性检测，存储分区以及数据备份来实现数据的安全存储。数据有效性检测确保了MCU同存储器之间数据的正确传输。在数据的存储方面，为了防止存储地址被频繁写入导致存储器损坏，将存储器地址进行划分，在读写非常频繁的部分采用多个地址循环写入。对于读写频繁的电能数据，分配了24个地址对其进行循环读写；大大减小了存储及读取过程中的数据出
11、错概率。采取了上述措施后，系统可靠性大大提高，抽取5台电能表做频繁断电/上电操作试验10000次没有一例数据出错。5电度表下表列出了采用CS5460A的机车专用电子式单相交流电度表的基本误差测试数据，该电度表的设计精度为1级，测量额定电压为5校验测试结果及结论 该机车专用电子式电度表额定电压为150VAC，额定电流为1A，脉冲常数为703impkVAh，经测试其计量精度达到1级。基于CS5460A的机车专用数字式电度表实现了数字能耗计量，该表大大减小了电力机车电能计量的误差，并能准确提供机车在牵引状态时所消耗的电能和机车在制动状态时向电网反馈的再生电能的电能数据。该电度表已在兰州局迎水桥机务段
12、试运行了3个月以上，计量准确、性能稳定，为机车提供了详尽准确的用电数据。参考文献1 刘友梅韶山3型4000系电力机车中国铁道出版社，20012 毛业军DJ4机车-电度表技术规范中国南车集团株洲电力机车有限公司设计文件，20063 Railway applications-Electric equipment for rolling stock-Rules for power resistor of open construction International Electrotechnical Commission, 2001 作者简介：段炼，女，湖南长沙，本科，联诚集团电器公司技术部长 地址：湖南株洲田心 邮编：412001 电话：13647337959 E-mail:
