的電子式電能表的設計
摘要：針對目前應用需求設計了壹款新型多功能電子式電能表。本文主要介紹該電能表的主要功能以及
所采用的電能計量芯片CS5463A的特性、工作原理以及在電子式電能表中的應用電路，最後介紹了CS5463A
芯片通訊接口的實現。
Abstract Aim at the currently need of the multi-function Watt-hour meter,a new multi-function Watt-hour meter
was designed.This paper introduces the main function of the Watt-hour meter and the functional speciality,working
principle and application electric circuit of its used energy IC CS5463A.This paper finally introduces the realization of
the communication interface of CS5463A.
關鍵詞：電子式電能表專用芯片CS5463A電量測量SPI總線
Key words:Electronic Watt-hour meter ASIC CS5463A Measure energy SPI bus
1、引言
電能計量作為計量工作的壹個重要組成部分，是
電力企業生產經營管理及電網安全運行的重要環節，
其技術水平不僅事關電力工業的發展和電力企業的形
象，而且影響電能貿易結算的公平、公正和準確、可
靠，關系到電力企業、廣大電力用戶的利益。
近年來，電子式電能表在國際、國內得到了迅速
推廣。國外許多IC（Integratecircuit）廠家不失時機的
推出了各種電子式電能表專用芯片。目前國內較為常
本文基於電能計量芯片CS5463A設計了壹種電子
式多功能電能表。該表可計量正反向有功電能、正反
向無功電能、四象限無功電能；能夠測量A、B、C各
相電壓、電流、視在功率、有功功率、無功功率、功
率因數、相角、頻率；計量正反向有功需量及8費率
分時需量；能分時計量最多8費率的電能量及需量數
據；計量變壓器銅損、鐵損；具有電能凍結功能、顯
示與抄表功能、監控與事件記錄功能、自檢功能、負
荷曲線記錄功能、權限與安全管理功能、IC卡參數設
置功能；具有兩路獨立的RS485通信接口，壹路紅外
光通信接口。
2多功能電子電能表的設計
本文所設計的多功能電子式電能表原理框圖如圖
1所示。該電能表由電流互感器、專業電能計量芯片
CS5463A、計量微處理器、管理微處理器、實時時鐘、
數據接口設備（如通信接口、IC卡接口）和人機接口
設備組成（如按鈕、LCD顯示）。
電網電壓經過電壓分壓電路轉換成小電壓信號輸
入到CS5463A的電壓通道輸入腳，電網電流經過電流
互感器轉換成電流小信號，再通過電流采樣電路得到
小電壓信號輸入到芯片的電流通道輸入腳。CS5463A
將轉換後得到的信號進行數字處理並計算測得電網電
壓、電流、功率等數據，再通過壹個SPI口與計量微
處理器進行通信，將測量到的數據傳輸到計量微處理
器進行處理，如計算功率因數角、頻率；判斷有功無
功功率方向、電壓是否逆相序；進行數制轉換等。
計量微處理器與管理微處理器也是通過壹個SPI
口進行通信，計量微處理器將以上數據處理結果傳到
管理微處理器進行壹系列功能實現，如電量累加、最
大需量計算、監控與事件記錄等功能。
引導”的特點使CS5463A能獨自工作，在系統上電後
自動初始化。在自引導模式中，CS5463A從壹個外部
EEPROM中讀取校準數據和啟動指令。它內部帶有溫
度傳感器，具有溫度誤差補償、電壓下降檢測、相位
補償等功能。
3.2 CS5463A的工作原理
CS5463A的XOUT、XIN為晶振輸入輸出腳，為
系統提供時鐘，也可以通過XIN引入外部時鐘；SCLK
為串行通信的時鐘信號；SDO、SDI為串行通信的輸
出輸入腳；VIN+、VIN-為電壓通道的輸入引腳；IIN+、
IIN-為電流通道的輸入引腳；PFMON為電壓下降檢測
腳。
CS5463A是具有功率計算引擎和電能-脈沖轉換
功能的雙聲道ADC。電壓通道輸入引腳VIN±兩端輸
入電壓信號，經10倍增益放大器放大，再通過二階
調制器數字化；同時，電流通道輸入引腳IIN±兩端
輸入電壓信號。為適應不同電平的輸入電壓，電流通
道集成有增益可編程放大器（PGA），使輸入電平滿量
程可選擇為±250mVrms或±50mVrms。通道數據再通
3.3 CS5463A的外部引腳電路
圖2為CS5463A的典型應用電路圖。電網電壓經
過電壓采樣電路得到小電壓信號輸入到CS5463A的電
壓通道輸入引腳。電壓采樣電路由R205、R206、R207、
R208、C205組成。電壓采樣電路由精密電阻網絡及濾
波電容組成。為了保證精度，采樣電阻全部采用高穩
定度的精密電阻，誤差為25ppm。電流互感器的電流
信號經過電流采樣電路將電流信號轉換為小電壓信號
輸入到CS5463A的電流通道輸入引腳。電流采樣電路
由R213、R201、R202、R203、R204、C207、C210、R209、
C206組成。C205、C207、C210起濾除高頻諧波分量
的作用；R209、C206起濾波和抗混疊的作用；D201、
D203為輸入保護器件，防止由於輸入電壓過高而造成
CS5463A的損壞。
SDO輸出將保持高阻抗；SCLK是控制數據輸出AD轉
換器或輸入AD轉換器的串行位時鐘，在SCLK的電
平轉換能被端口識別之前，CS必須被置為邏輯0，為
了和光耦合器相匹配，SCLK的輸入端集成了壹個施
密特觸發器，以允許使用上升和下降時間較長的光電
耦合器直接驅動管腳。
另外，SDO具有吸收和輸出5mA電流的能力，可
以直接驅動光電耦合器的LED，在吸收或輸出5mA電
流時，SDO的驅動電壓損失小於400mA。
壹次數據的傳輸總是從向串口（SDI腳）發送有
效的8位命令（MSB位先）開始的。需要註意的是有
些命令的執行需要使用變換次數寄存器和配置寄存器
中的信息，首先向這些寄存器寫入正確的信息對於這
類命令很重要的。當命令中包括寫入操作時，在下面
24個SCLK周期內串口將持續從SDI腳讀入串行數據
（MSB位先）。當發送讀取命令時，串口將根據發出的
命令在下面的8、16或24個SCLK周期從SDO管腳上
串行輸出寄存器內容。當讀取寄存器數據時，允許微
控制器發出新的命令，新的命令將立即被執行並可能
結束寄存器的讀取。在數據從SDO口移出時，在SDI
上出現的SYNC0命令（NOP）應當被禁止。
本文使用CS5463A設計的電子式多功能電能表性
能穩定、功能豐富，可用於發電廠、變電站、各種企
事業單位有功、無功電量計量。它是新壹代電子式電
能表的代表，有著非常廣闊的應用前景。
參考文獻
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