高 翔，王雪梅

（西南交通大学机械工程学院，四川 成都 610031）

0 引 言

目前，国内外电能表多为传统感应式电能表，受其结构和原理上的制约，通常存在着稳定性差、精度低等缺点；其次，测量指标不够全面，因而常常不能满足实际应用的需要。为改善以上问题，本文设计了基于CS5463芯片的电力参数测试仪。该测试仪具有测量精度高、测量指标全面等优点，并且具有校准方便、简单可行的特点。很多人对于CS5463芯片的校准概念模糊，错误的校准方法会影响测试仪的测量准确度和稳定性；因此，本文在介绍测试仪器总体结构和硬件电路的基础上，重点论述了CS5463芯片需要校准的原因和理论，以及校准流程。在对测试仪进行校准后，各种电力参数的测量准确度和稳定性均能够达到较高指标。

1 测试仪总体结构

本文所设计的电力参数综合测试仪，能够方便地外接用电设施，采集电压和电流信号，经过处理后得到有效电压、有效电流、有功功率、无功功率、视在功率和功率因数等相关参数的测量值，并直接显示。该测试仪电压测量量程为0～250 V，电流量程为0～2 A，测量准确度在0.5%以上。

整个仪器主要由基于CS5463芯片的信号检测处理电路和基于STM32单片机的显示控制电路两部分组成，仪器总体结构如图1所示。CS5463芯片是专门用于电力参数测量的电子芯片，具有方便的片上AC/DC系统校准功能。STM32为16位单片机，它是高性能、低成本、低功耗的ARM系列单片机[1]，是用低成本实现高端性能的绝佳选择。

2 硬件电路设计

本仪器电路原理如图2所示。交流输入接口为电源输入端，频率为50Hz，电压范围为0～250V，交流输出接口外接用电设施。由于电流传感器转换精度较高，所以电压传感器由大功率电阻和电流传感器构成，R1和R2为62K/1W大功率电阻，将测量电压转换为测量电流，电流传感器[2]转换系数为2mA/2mA。电压和电流信号经过采样电阻R3和R4后，转换为采样电压。R5、R6、R7和R8为偏置电阻，将采样电压转化为差分信号。R9、R10、C1和 R11、R12、C2分别组成低通抗混迭滤波器，滤掉不需要的高频信号。由于CS5463芯片瞬时电压值采样数越多，有效值计算越精确[3]，因此本仪器设定瞬时电压采样频率为4kHz，根据采样定理，设计该低通抗混迭滤波器截止频率为2kHz。最后采样电压进入CS5463芯片的电压和电流采样通道VIN和IIN。利用CS5463芯片内部的A/D转换器将采样电压转换为数字信号，经过数字滤波，然后对电压和电流进行有效值和功率计算，得到有关电力参数值，并将结果存储在CS5463芯片内部寄存器中。

图2 测试仪电路原理图

CS5463芯片与STM32单片机之间采用SPI通信[4]。SPI是用于芯片间的一种同步串行通信标准，它采用3或4线制，收发数据独立、可同步进行。CS为SPI通信口片选管脚，SCLK为时钟管脚，SDO为数据输出口，SDI为数据输入口，REST为复位管脚，INT为中断输出管脚。当测量完成时，CS5463芯片内部状态寄存器相关状态位置位，如果开通CS5463中断寄存器，则CS5463芯片的INT管脚置低。因此，STM32单片机可以通过查询方式或中断方式获取测量数据。由于CS5463芯片供电电压为5 V，STM32单片机供电电压为3.3 V，所以CS5463芯片向单片机传送数据时，需要加1 kΩ的限流电阻R13和R14。单片机读取数据后，将其转换为实际测量值，并显示测量结果。本设计使用迪文显示器，采用USART通信，USART是一个全双工通用同步/异步串行收发模块[5]，图2中TXD和RXD分别为STM32单片机USART串口发送和接收数据管脚。

3 CS5463芯片的校准

3.1 CS5463芯片校准原理

采样信号在CS5463芯片中需要经过放大器、A/D转换器和滤波器等电子器件。采样信号中含有噪声信号，其有效值不为0，同时由于电子器件的温漂特性[6]，CS5463会产生零点漂移现象，形成偏移电压。采样信号为模拟信号，经A/D转换为数字信号，A/D基准电压采用CS5463芯片内部参考电压，参考电压存在一定误差，同时由于A/D转换位数为24位，转换精度有限[7]，增益并非理想化，形成增益误差。

未校准前测量曲线见图3，曲线1为理想测量曲线，实际值和测量值之间增益系数K1为1。曲线2为实际测量曲线，y3为偏移电压，K2为增益系数。可以看出，由于偏移电压的存在和增益系数不为1，造成了实际测量的不准确。因此，校准过程应该先进行偏移校准，使测量曲线起始点为零点，再进行增益校准，否则可能越校越乱。在增益校准过程中，如果标准信号选取数值过大或过小，会造成测量曲线一端数值增益准确度较高，而另一端数值增益准确度较差的后果，因此应选取量程中间值为校准对象。图4为CS5463校准后曲线图，可以看出，实际测量曲线和理想曲线已经十分接近，但仍未完全重合，这是因为实际测量误差和校准误差无法完全消除，因此实际应用中只能尽量将误差降至最小。

图3 CS5463校准前曲线

图4 CS5463校准后曲线

CS5463有瞬时值测量和交流有效值测量。交流有效值测量过程是采取一定数量的瞬时值，经过有效值公式运算后取平均值。因此，CS5463校准过程包括直流偏移及其增益校准和交流偏移及其增益校准[8]。由于可以开通CS5463自带的高通滤波器滤掉直流分量，所以只需要进行交流偏移及其增益校准。

3.2 CS5463校准过程

CS5463内部含有校准寄存器，只需要写相关的校准命令字，便可以方便地对其进行校准。交流电压偏移校准流程如图5所示。外界不需接任何信号，校准前清空CS5463内部的偏移寄存器，并且设置增益为1，然后依次写校准时间即CYCLE COUNT寄存器、校准命令字，等待校准完成后，便可读取数值。多次校准后取平均值，并在下次测量前把该校准值写入交流偏移寄存器。需要注意的是，写入CYCLE COUNT寄存器中的数值对校准结果有直接影响，数值越大，校准时间越长，校准越准确[9]。

图5 电压偏置校准流程

交流电压增益校准流程如图6所示。先接入标准仪表，从测量通道输入标准信号，将增益值设为1，读取CS5463测量数值a，同时读取标准仪表数值b，计算增益系数k1=b∶a，将增益系数写入增益寄存器，再次进行测量，计算增益系数k2，将比值k2/k1写入增益寄存器。不断重复以上操作，不断减少增益误差，直到获得理想效果。

图6 电压增益校准流程

3.3 校准实验数据

在对CS5463电压通道和电流通道进行校准，消除了交流偏移误差和增益系数误差后，需进行实际测量验证。电压测量数据见表1，量程为0～250V，测量间隔为20V。电压绝对误差δU计算见式（1）。电流测量数据见表2，量程为0～2A，测量间隔为200mA，电流绝对误差δI计算见式（2）。

式中：U0——标准万用表测量电压；

U——测试仪测量电压。

式中：I0——标准万用表测量电流；

I——测试仪测量电流

表1 电压测量数据表

表2 电流测量数据表

通常测试仪表测量误差要求范围为±1%，由表中数据可知，校准后本测试仪测量误差δ远远小于±1%，测量准确度已经达到要求。

4 结束语

本文设计了电力参数测试仪，利用该测试仪能实现有效电压、有效电流、有功功率、无功功率、视在功率和功率因数等相关参数的测量。电力测量芯片CS5463测量交流信号时，结果中含有交流偏移误差和增益误差，需要进行校准。校准顺序为先进行偏移校准，再进行增益校准。校准过程中应该保证足够长的校准时间和足够多的校准次数，才能获得满意的结果。经过正确校准后，结果表明由CS5463芯片组成的测试仪稳定性好，测量精确度高，可以作为测试仪表使用。

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