简述采集现场智能电参数采集模块设计

论文导读：
摘 要：本文介绍了智能现场电参数采集模块的详细设计方案。该系统可以精确测量瞬时电压，电流并计算其电流有效值IRMS、电压有效值VRMS以及瞬时功率、有功功率、无功功率、频率、功率因数等电参数。系统还提供多路开关量输出，继电器输出，以供工业现场不同需求使用。本模块通过RS-485总线与上位机通信，利用上位机可以对模块进行一些功能设置，校准模块的精度，控制（4-20）mA信号的输出等。
关键词： 智能现场电参数采集；互感器；485通信；调试测试；通信协议；CS5463
：A
1 概述
许多工业设备在现场运行过程中，需要对相关参数进行实时在线检测，随时了解其电流、温度、功率等参数。众多用户迫切需要一种安全可靠、实施快速的交流电量检测仪器，有效地对参数进行测试。
2 系统设计
智能现场电参数采集系统的整体设计共包括七大模块： 控制处理芯片STC12C5A60S2，电参数采样电路模块，4-20mA信号输出模块，485通信模块，掉电保护模块和辅助输出及调试模块，供电电源。STC12C5A60S2单片机是本系统的核心单元，它负责整个程序的运行，将从CS5463测量电路中采集到的电参数读出，然后根据通信协议将处理后的数据通过485通讯电路上传到上位机处理并显示。在此系统中采用RS485主从式结构：从机不主动发送命令或数据，一切都由主机控制。并且在一个多机通信系统中，只有一台单机作为主机，各台从机之间不能相互通讯，即使有信息交换也必须通过主机转发。
本模块系统的结构示意图如下图1：
系统整个程序共分为三大部分：系统上电初始化，主循环程序设计，通信程序设计。每一部分完成特定的功能，首先，由电量采集系统通过电压互感器和电流互感器采样模块获取交流电的模拟信号，信号经过CS5463进行数据计算处理，这时单片机等待CS5463处理完毕的信号，一旦接到信号，单片机马上读取CS5463获取各种电参数，同时，单片机等待上位机发来的命令，来执行相应的中断服务程序，在中断服务程序中，上位机可以请求读取各种电参数，可以修改模块地址，可以控制指示灯和继电器，可以进行电参数的校准，可以设置（4-20）mA信号的输出等。

2.1 模拟信号输入电路的设计

CS5463内部具有两个△-∑调制器对模拟量采样处理，因此我们可以直接将模拟信号输入芯片，CS5463就可以自动采样计算，但在输入模拟信号之前，必须将市电转换为毫伏毫安级的模拟信号才能直接接入CS5463，否则会烧坏芯片，且非常危险。因此要考虑模拟信号的输入电路的设计，在这里采用了电压互感器和电流互感器将交流电压，交流电流转换为毫伏级的交流电，采用这种方式既可以满足要求，又做到了强弱电的安全隔离，同时隔离了干扰。
如图2所示取交流电压的一侧，首先根据测量范围确定电压互感器的型号，通过查阅CS5463的技术资料，其加在VIN+和VIN-之间的采样电压在150mA左右为最佳采样信号，选用常用的2mA/2mA电流互感器，在互感器输出侧串入100Ω的电压变换电阻R3，在交流电压中串入一个250K的大电阻R1，这样输入侧的交流电压就变为100mV左右的采样电压。同理，将交流电流的输入电路通过10A/10mA电流的电流互感器LH1，从而实现了强弱电的隔离转换，再在电流互感器的输出侧串入一个10Ω的电阻R2，10Ω×10mA=100mV，也可以得出满意的采样电流信号。

2.2 测量电路的接口电路设计

CS5463由2个可编程增益放大器、2个△-∑调制器、配套的高速滤波器、功率计算引擎、偏置和增益校正、功率监测、串行接口及相应功能寄存器等组成。2个可编程放大器采集电压和电流数据，△-∑调制器对模拟量采样处理，高速数字低通或可选的高通滤波器滤取可用电压电流数字信号，功率计算引擎计算各类型的功率，电压、电流，并将计算的功率值通过串行接口对外输出，既可以接EEPROM，也可以接微控制器。该电路还有能量脉冲信号输出模块，可以直接外接计数器或步进电机，省去微控制器直接外送用电量，降低电表类产品的成本。

2.3 （4-20）mA信号输出电路设计

在工业现场，用一个仪表放大器来完成信号的调理并进行长线传输，会产生以下问题：第一，由于传输的信号是电压信号，传输线会受到噪声的干扰；第二，传输线的分布电阻会产生电压降；第三，在现场如何提供仪表放大器的工作电压。为了解决上述问题和避开相关噪声的影响，采源于：高中英语论文www.7ctime.com
用电流来传输信号，因为电流对噪声并不敏感。4mA～20mA的电流环便是用4mA表示零信号，用20mA表示信号的满刻度，而低于4mA高于20mA的信号用于各种故障的报警。

2.4 串行通讯485接口电路设计

RS-485串行总线接口标准以差分平衡方式传输信号，具有很强的抗共模干扰的能力，允许一对双绞线上一个发送器驱动多个负载设备，工业现场控制系统中一般都采用该总线标准进行数据传输。由于RS-485通讯是一种半双工通讯，发送和接收需要共用同一物理信道。在任意时刻只允许一台单机处于发送状态。半双工通讯对主机和从机的发送和接收时序有严格的要求。如果在时序上配合不好，就会发生总线冲突，使整个系统的通讯瘫痪，所以总线上的设备在时序上的严格配合。单片机通过485与上位机通信主要宗旨是，实时性要强。即上位机对模块要随叫随到。因此我们采用串口中断方式，且模块在没有进入中断时，时刻处在等待接收数据状态。一旦上位机有数据到来，模块便进入接收中断，执行相应命令。 针对模块的485通信软件设计，用VB编写了一个上位机通信调试软件，软件界面如图3所示。
此软件是根据下位机制定的通信协议编写，能够读取模块的所有电参数，并进行模块地址的设置、电参数校准，控制数字量的输出，搜索模块的地址，查看模块的好坏，进而达到通过传输错误次数来检测通信质量的目的。 源于：标准论文www.7ctime.com