【摘要】本文介绍一种以CS5460A为核心的电能数据采集控制系统，该系统由AT89C51作为核心控制器，通过RS485总线技术实现实时的数据传输。 【关键词】CS5460A；AT89C51；三相电能
1.引言
随着电力自动化技术和电力智能控制系统的建设需要，具有智能化、数字化、网络化、多功能的配电系统逐渐成为电力工程应用中最基本的要求，采用专用的三相电参量采集芯片CS5460A和高性价比的AT89C51单片机作为处理器构建的智能配电系统，并应用RS485总线技术实现实时的数据传输，该系统具有检测数据精度高、功耗低、扩展性好等优点。
2.硬件系统设计
2.1 AT89C51
AT89C51是一种低功耗、低电压、高性能CMOS 8位微控制，俗称单片机，具有4K在系统可编程Flash存储器，很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
AT89C51主要特性为：
（1）4K字节可编程闪烁存储器，（2）寿命：1000写/擦循环，（3）数据保留时间：10年，（4）全静态工作：0Hz—24MHz，（5）三级程序存储器锁定，（6）128*8位内部RAM，（7）32个可编程I/O线，（8）两个16位定时器/计数器，（9）5个中断源，（10）可编程串行通道，（11）低功耗的闲置和掉电模式。
2.2 CS5460A电参量采集芯片
CS5460A包含两个转换器与微控制器通讯的双向串口，芯片的脉冲输出频率与有功能量成正比且具有高速电能计算功能。片内具有看门狗定时器与内部电源监视器；具有瞬时电流、瞬时电压、瞬时功率、电流有效值、电压有效值、功率有效值测量及电能计量功能；提供了外部复位引脚；双向串行接口与内部寄存器阵列可以方便地与微处理器相连接；外部时钟最高频率可达20MHz；具有功率方向输出指示。这些增加的功能更加便于与微控制器接口，并能方便地实现电压、电流、功率的测量和用电量累积等功能。据此选择CS5460A作为电能计量芯片更能实现各种电参数的测量。
CS5460A的性能：
（1）能量数据精确度：在1000：1动态范围内精确度为0.1%；（2）芯片功能：可以测量电能，I·U，、和，具有电能与脉冲转换功能；（3）通过串行EEPROM实现智能“自引导”，不需要微控制器；（4）AC或DC系统校准；（5）可驱动机计度器/步进马达；（6）能量消耗小于12mw；（7）为分流传感器提供优化的接口；（8）具有相补偿功能；（9）为单电源提供地参考信号；（10）芯片上带有2.5V基准电压（最大温漂60Ppm/）；（11）具有简单的三线数字串行接口；（12）具有看门狗定时器，电源监视器和电源配置功能。芯片共有24个引脚，其引脚图如图1。
2.3 微控制器AT89C51与CS5460A的接口设计
微控制器AT89C51与Intel系列的80C51微控制器的指令集和管脚兼容，微控制器内有4K字节的可擦写闪烁只读程序存储器和256字节的数据存储器。它具有掉电模式和闲置状态两种工作方式。其工作原理同8031微控制器。
由于CS546OA提供了SPI串行接口，减少了单片机的总线使用数，为微控制器的外围电路的扩展提供了更多的总线。在SPI总线上传送的数据和命令字都是高位在先的方式传送。由图2可知使用AT89C51的P10、P11、P12引脚分别与CS546OA的SDI、SDO、SCLK引脚交换数据。CS546OA的片选引脚接地，使其始终保持有效状态。
此外，使用AT89C51的外部中断12 （INTO）接收CS546OA的电能输出引脚（）输出的表示电能的脉冲信号，当AT89C51接收到一个脉冲时发生中断使存放累计电能值的存储单元的值按一个脉冲所代表的电能数增加。AT89C51的P10、P11、P12引脚分别与CS5460A的SDI、SDO、SCLK引脚交换数据。CS5460A的输出的低电平信号说明CS5460A发生了一个激活的事件，单片机AT89C51接收到这个信号就发生中断向CS5460A写入正确地命令字并使CS5460A的变为逻辑高电平。CS5460A的复位引脚接AT89C51的P14，CS5460A的复位信号由AT89C51提供。
CS5460A外围电路及供电电路设计
在电路图2中，参考电压输入端（VRE—FIN）和参考电压输出端（VREFOUT）直接相连并通过0.1pF电容接地，模拟电源负引脚（VA—）也直接接地。这使得片上模/数转换器的参考电压为O伏，并且使用变换器内部2.5V的基准电压，0.1pF的电容起作电源抗干扰的作用。根据单相电子式电能表使用的具体情况在系统时钟输出引脚（XOUT）和系统时钟输入引脚（XIN）。
3.系统通信
3.1 MODBUS协议通信简介
Modbus协议是应用于电子控制器上的一种通用语言。通过此协议控制器相互之间、控制器经由网络（例如以太网）和其它设备之间可以通信。它已经成为一通用工业标准。有了它，不同厂商生产的控制设备可以连成工业网络，进行集中监控。此协议定义了一个控制器能认识使用的消息结构，而不管它们是经过何种网络进行通信的。传统的Modbus协议分为Mod—bus ASCII模式和Modbus RTU模式，其中ASCII模式的数据包要求有开始标记和结束标记，并要求传输的数据都是ASCII格式，如要传输0x5A，ASCII模式要分成0x35和0x41即5和A的ASCII进行传输，降低了通信效率[7]。RTU模式不需要开始标记和结束标记，而是以消息传输时的3.5个字符以上的时间间隔作为一个数据包的开始和结束，如果等待接收下一个字符的时间超1.5个字符时间间隔，则认为是下一个数据包的开始，传输的数据都是16进制数，数据通信效率较高。因为智能配电系统通信的数据量很大，要求传输的速度和效率比较高，所以选用Modbus RTU模式。一个典型的Modbus RTU数据包格式如表1所示[8]。RTU模式中使用了CRC校验方法，对设备地址、功能码和数据采用CRC16校验，由数据包的发送者计算出16位CRC校验码，放入数据包的后面，接收者重新计算接收到数据的CRC，并和收到的CRC相比较，如果两个CRC值不相等，则表明数据传输有误，接收者返回错误消息要求重发。要生成CRC校验码，首先要预置一个全1的16位CRC寄存器和反转CRC多项式码0xA001，把数据包中的第一个8位数和16位CRC寄存器做异或运算，并将异或结果放入16位CRC寄存器，如果CRC寄存器的最后一位为1，则把CRC寄存器逻辑左移一位后与0xA001进行异或运算，否则则只进行逻辑左移，最终结果CRC寄存器循环8次完成一个字节数据的校验码计算，如果是多个字节，则重复以上过程CRC简单函数如下：
3.2 Modbus RTU协议通信实现
Modbus RTU模式的编程要处理数据包的开始和结束时间间隔，即两个数据包之间的至少3.5个字符的时间间隔，才能保证接收数据包的完整性，当接收者接侦测到一个数据包开始时，开始接收数据，并把接收到的第一个数据即地址域和自己的地址相比较，如果相同，则接收完整的数据包并做CRC校验。如果地址不同，则放弃接收过程，等待下一个数据包的开始。在AT89C51中实现时，使用了定时器中断来侦测数据包之间的数据间隔，实现的程序流程如图3所示。
4.结束语
本系统采用了CS5460A芯片，提高了数据采集的速度和精度，减少了软件中的计算工作。同时采用了MODBUS协议通信，提高了数据的传输效率，同时也提高了其传输的安全性与稳定性。
参考文献
[1]古碧绮，王健，基于SA9904B的三相多功能电表的设计[J].国外电子测量技术，2004（1）：29—31.
[2]张毅刚，彭喜元.单片机原理与应用设计[M].北京：电子工业出版社，2008.
[3]粟梅，刘小强.基于CS5460A的高精度数据采集处理系统的设计与实现[J].中国仪器仪表，2005（11）：87—90.
