基于TMS320F2812和CS5460A實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)抄表系統(tǒng)的應(yīng)用方案

傳統(tǒng)的手工抄表費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，準(zhǔn)確性和及時(shí)性得不到可靠的保障，這導(dǎo)致了相關(guān)營(yíng)銷(xiāo)和企業(yè)管理類(lèi)軟件不能獲得足夠詳細(xì)和準(zhǔn)確的原始數(shù)據(jù)。一般手工抄表都按月抄表，對(duì)于用戶(hù)計(jì)量來(lái)說(shuō)是可行的，但對(duì)于相關(guān)供應(yīng)部門(mén)進(jìn)行更深層次的分析和管理決策卻不夠。隨著大規(guī)模集成電路和通信技術(shù)的發(fā)展，在電能計(jì)量領(lǐng)域，數(shù)字電表以其自身的優(yōu)勢(shì)，逐漸取代了傳統(tǒng)的機(jī)械式電度表。高精度的電能計(jì)量芯片是數(shù)字電表的核心部分，CS5460A已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種單、三相電能表以及電力系統(tǒng)測(cè)量控制領(lǐng)域。電力系統(tǒng)中計(jì)算機(jī)信息化管理程度越來(lái)越高，無(wú)線(xiàn)抄表系統(tǒng)正越來(lái)越得到廣泛應(yīng)用。

1 總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)采用高精度電能采集芯片Cs5460A采集電量，采用DSP2812控制，處理后的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊nRF2401A，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)線(xiàn)傳輸，接收模塊接收到前端采集系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)，上位機(jī)可以顯示所需要的一些電參數(shù)，實(shí)現(xiàn)抄表收費(fèi)一體化。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 電能采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

選用CS5460A作為電能采集芯片，選用TI公司的TMS320F2812作為控制芯片。Cs5460A是高度集成的A／D轉(zhuǎn)換器，它在單一芯片上結(jié)合了兩個(gè)A／D轉(zhuǎn)換器、高速功率計(jì)算功能和一個(gè)串行接口。該芯片是為精確測(cè)量和計(jì)算而設(shè)計(jì)的，可用于單相2或3線(xiàn)功率測(cè)量設(shè)備的能量、瞬時(shí)功率、瞬時(shí)電壓、瞬時(shí)電流、電流有效值、電壓有效值的測(cè)量。CS5460A可與一個(gè)低成本旁路電阻或變壓器相聯(lián)接以測(cè)量電流，也可與電阻分割器或測(cè)量用變壓器相聯(lián)接以測(cè)量電壓。CS5460A帶有一個(gè)與微控制器通信的雙向串口和一個(gè)與供電成正比的可編程頻率輸出。CS5460A的片上功能還包括交流或直流系統(tǒng)校準(zhǔn)。

CS5460A可以在單+5 V電源及雙極性±5 V電源下運(yùn)行，電流通道輸入范圍為50 mA或250 mA，電壓通道為250 mV。在單電源供電時(shí)CS5460A的共模信號(hào)為-0．25 V到VA+。圖2是CS5460A在單電源模式下單相2線(xiàn)系統(tǒng)的功率測(cè)量的電路圖。此接線(xiàn)方式實(shí)現(xiàn)與電源線(xiàn)隔離。隔離通過(guò)3個(gè)變壓器實(shí)現(xiàn)。一個(gè)是普通的變壓器，用于提供CS5460A的直流電源。第二個(gè)是高精度、低阻抗的變壓器（通常稱(chēng)為電壓互感器），在較高的濾波下也具有很小的衰減和相位延遲。還有一個(gè)電流互感器用于測(cè)量電源線(xiàn)電流，一個(gè)電阻跨接在電流互感器的次極，對(duì)CS5460A的電流通道產(chǎn)生電流感應(yīng)的電壓信號(hào)。

3 無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

nRF2401A及其外圍電路包括nRF2401A的芯片部分，穩(wěn)壓部分、晶振部分、天線(xiàn)部分。電壓+5 V為芯片提供電壓；晶振部分包括Y4，C44，C45晶振Y1允許值為：4 MHz，8 MHz，12 MHz，16 MHz，該設(shè)計(jì)用1 Mb／s的通信速率，則必須選擇16 MHz晶振。天線(xiàn)部分電感L1，用來(lái)將nRF2401A芯片的ANT1，ANT2管腳產(chǎn)生2．4 GHz電平信號(hào)轉(zhuǎn)換為電磁波信號(hào)，或者將電磁波信號(hào)轉(zhuǎn)換為電平信號(hào)輸入芯片的ANT1，ANT2管腳。

nRF2401A通信模塊原理圖如圖3所示。該設(shè)計(jì)只利用通道1的收發(fā)通道，通道2為預(yù)留通道，PER_UP與DSP2812的GPIOB4口相連控制nRF2401A芯片上電，GPIOB5接CE控制芯片使能。GPIOB6連CS實(shí)現(xiàn)。nRF2401A片選，GPIOB7接DR1從而通過(guò)DSP控制芯片通道1數(shù)據(jù)請(qǐng)求，GPIOB8接CLK1控制通道1時(shí)鐘，GPIOB9和芯片DATA管腳相連，實(shí)現(xiàn)DSP與模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸。

4 電能采集軟件設(shè)計(jì)

4．1 程序功能

程序功能包括兩方面的關(guān)鍵內(nèi)容：一是，通過(guò)單片機(jī)對(duì)CS5460A芯片寄存器地址的定義和控制字的寫(xiě)入，另一方面是數(shù)據(jù)的讀取。

4．2 CS5460A的操作

CS5460A的操作主要是通過(guò)SPI口寫(xiě)命令，讀寫(xiě)不同的寄存器，執(zhí)行不同的操作；CS5460A的寄存器主要包括狀態(tài)寄存器、配置寄存器、控制寄存器、各種校準(zhǔn)寄存器、數(shù)據(jù)寄存器等。在進(jìn)行測(cè)量前，要恰當(dāng)?shù)卦O(shè)置寄存器，以便得到正確的結(jié)果。

4．3 系統(tǒng)校準(zhǔn)

CS5460A提供數(shù)字校準(zhǔn)功能，通過(guò)寫(xiě)指定的值到校準(zhǔn)命令寄存器即可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)偏置校準(zhǔn)和系統(tǒng)增益校準(zhǔn)等。當(dāng)執(zhí)行校準(zhǔn)時(shí)，必須把相應(yīng)的校準(zhǔn)信號(hào)到電壓電流通道。CS5460A具有一系列的校準(zhǔn)寄存器，執(zhí)行某一校準(zhǔn)命令后，相應(yīng)的寄存器就會(huì)保留校準(zhǔn)產(chǎn)生的修正值，這些值可以讀出；若將其保存在外部非易失存儲(chǔ)器，在系統(tǒng)復(fù)位后把值寫(xiě)入相應(yīng)的寄存器，不必重新校準(zhǔn)。校準(zhǔn)寄存器包括直流電壓／電流偏置寄存器，電壓／電流增益寄存器，交流電壓／電流偏置寄存器。校準(zhǔn)之前必須使CS5460A處于活動(dòng)狀態(tài)，同時(shí)使其準(zhǔn)備接收有效命令，并清除狀態(tài)寄存器的DRDY位，因?yàn)镈RDY用于判斷校準(zhǔn)是否完成。在執(zhí)行偏置校準(zhǔn)時(shí)，應(yīng)該輸入零信號(hào)；在執(zhí)行增益校準(zhǔn)時(shí)，應(yīng)該輸入滿(mǎn)刻度信號(hào)。校準(zhǔn)完成后，就可以進(jìn)行測(cè)量。

4．4 數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)

在進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)前，應(yīng)該進(jìn)行串口的初始化。因?yàn)橛行е噶畈粫?huì)產(chǎn)生動(dòng)作或者產(chǎn)生錯(cuò)誤動(dòng)作，此時(shí)需重新初始化串口。當(dāng)命令包含寫(xiě)操作時(shí)，串口將在下面24個(gè)SCLK周期對(duì)SDI引腳的數(shù)據(jù)（從高位開(kāi)始）記錄。寄存器寫(xiě)指令后必須跟24位的數(shù)據(jù)。比如，寫(xiě)配置寄存器，應(yīng)先寫(xiě)命令字（0x40）啟動(dòng)寫(xiě)操作，然后，隨著24個(gè)連續(xù)的串行時(shí)鐘脈沖，CS5460A將從串行輸入引腳SDI接收串行輸入數(shù)據(jù)，一旦收到數(shù)據(jù)，狀態(tài)機(jī)便將數(shù)據(jù)寫(xiě)入配置寄存器，等待下一個(gè)命令。當(dāng)啟動(dòng)了讀命令，串口將在下8個(gè)、16個(gè)或24個(gè)SCLK周期啟動(dòng)SDO腳上的寄存器內(nèi)容的轉(zhuǎn)移（從高位開(kāi)始）。寄存器讀指令可以終止在8位的邊界上（例如，讀出時(shí)可只讀8，16或24位）。同樣，數(shù)據(jù)寄存器讀出允許采用“命令鏈”。因此讀寄存器時(shí)，微控制器可同時(shí)發(fā)送新指令，新指令將被立即執(zhí)行，并可能終止讀操作。例如，命令字送入狀態(tài)機(jī)讀取某一輸出寄存器，進(jìn)行16個(gè)連續(xù)的讀數(shù)據(jù)串行時(shí)鐘脈沖后，執(zhí)行寫(xiě)命令字（如狀態(tài)寄存器清零命令），數(shù)據(jù)從SDI引腳輸入，同時(shí)剩下的8位讀出數(shù)據(jù)被傳送到SDO引腳。又如，用戶(hù)僅需從讀操作中獲取16位有效位時(shí)，可在SDO讀出8位數(shù)據(jù)后從SDI輸入第2個(gè)讀命令。注意：在讀周期，當(dāng)從SDO引腳輸出數(shù)據(jù)時(shí)，必須用SYNC0指令（NOP），使SDI引腳處于選通態(tài)。其程序流程如圖4所示。

下面是在TI公司的CCS2000編譯系統(tǒng)下的讀寫(xiě)程序：

5 結(jié) 語(yǔ)

這里深入介紹電能采集、傳輸、接收的過(guò)程，系統(tǒng)以TMS320F2812為控制核心，其具有功能強(qiáng)大、功耗低、運(yùn)算速度快等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)內(nèi)部又具有128 KB的FLASH，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、靈活。CS5460芯片可直接采集電能、電壓、電流、功率、功率因數(shù)等值。采用高性能RF模塊、數(shù)據(jù)通信等技術(shù)，具有長(zhǎng)時(shí)間存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和無(wú)線(xiàn)傳輸數(shù)據(jù)等功能。

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