随着电子技术的飞速发展，电能表的集成度越来越高，在三相多功能电表市场上，主要有两种架构：电能计量芯片加微控制器；A/D转换芯片加微处理器。第一种方案成本比较低，功能主要取决于电能芯片，微控制器不能进行复杂的数据处理，所以不具有谐波分析功能。第二种方案可以通过复杂的数据处理，实现非常多的功能。本文主要介绍基于CS5451A+TMS320F2801的三相多功能电表设计。
CS5451A是 Cirrus Logic 公司为能源 测量 工业设计的高度集成的Δ-Σ A/D转换器。CS5451A在一个芯片上集成了6个Δ-Σ A/D转换器、 滤波器 和一个与微控制器或 DSP 相联接的串行 接口 。CS5451A与一个变流器或可测量 电流 的分流器和 电阻 分割器或测量用 变压器 直接连接。同时该产品已被初始化和功能完全设置，并包括一个参考电压。
图1：基于CS5451A+TMS320F2801的三相多功能电表框图。
TMS320C28x系列数字信号控制器是业界第一款32位基于DSP的控制器，具有板载Flash 存储器 和高达150 MI PS的性能，它们针对于工业自动化、 数字电源 、汽车控制以及高级传感应用。C28x内核是世界上最高性能控制优化内核，提供计算带宽来实时处理许多复杂的控制算法，如无传感速度控制、随机PWM以及功率因数校正。C28x还提供了足以与一般 MCU 相匹敌的C代码效率，与C2000系列中的当前器件完全代码兼容。
硬件设计
图1所示为本方案的硬件框图，本方案按功能可分成以下几个模块：
电压转化模块是一个电阻网络，用分压电阻的方法，把 三相电 压信号转化成三个400mV的信号，经过阻容滤波送入CS5451A（见图2）。
图2：采用电阻网络的电压转化模块。
电流转化模块是通过 电流互感器 ，把0-6安的三相电流信号转化成三个400mV的信号，经过阻容滤波送入CS5451A（见图3）。
CS5451A模块功能是把输入的六通道电压电流信号转化成数字信号输出。CS5451A与TMS320F2801通过S PI 口连接，每隔250微秒主动发出一组数据。
TMS320F2801有两个SPI接口，一个作为从SPI接收CS5451A数据，另一个作为从SPI与MCU通讯。24C04用来保存设置数据和校准数据。
软件设计
软设计分两大部份，TMS320F2801的软件和MCU软件。
MCU软件主要是从TMS320F2801种读取数据、显示和与PC机通讯，本文不作介绍。
TMS320F2801的软件实现对CS5451A的 数据采集 、电量计算、谐波分析、与89C52
通讯、脉冲输出。软件主流程如图4。
图3：通过电流 互感器 把0-6安的三相电流信号转化成三个400mV的信号。
初始化系统配置 寄存器 ，包括系统频率设置、Flash寄存器初始化、SPIA和SPIB的使能。SPIA用来接收CS5451A的数据，SPIB用于89C52通讯。
外部中断用来捕捉CS5451A的同步信号，在捕捉到同步信号以后，初始化并启动SPIA模块，SPIA模块在接收到12个字节数据以后产生中断，把数据保存到缓存中。流程如图5。
图4：软件主流程图。
电能计算方法
谐波分析方法
由于电网频率是变化的，采样频率固定，所以每个周波采集到的瞬时值个数是不固定的。要进行64点 FFT 计算，必须把采集到的瞬时值转化成64点瞬时值，转化方法有多种，本设计采用的是拉格朗日二次差值法，精度比线性差值法高，计算量也可以达到要求。
图5：中断处理流程图。
/*
拉格朗日定理（lagrange）：
若函数f（x）满足：（1）f（x）在闭区间［a，b］上连续；（2）f（x）在开区间（a，b）可导；
则在开区间（a，b）必存在S，使得f（b）-f（a）=f‘（s）（b-a）。
拉格朗日二次插值公式：
已知曲线上三点（x0，y0），（x1，y1），（x2，y2），则该二次曲线为：
L（x）=（x-x1）（x-x2）f（x0）/（x0-x1）（x0-x2）+（x-x0）（x-x2）f（x1）/（x1-x0）（x1-x2）+（x-x0）（x-x1）f（x2）/（x2-x0）（x2-x1）;
*/
//Ta是周期值
//Points是要抽取的点数，本系统进行64点FFT计算，Points取64
float fft_buf［128］; // 保存CS5451A采集的128点数据
float dataR［128］; // 保存抽出来的64点数据
void DataChange（float Ta，int Points）
图4：软件主流程图。
{
int i，j，k;
int index; //offset;
float p=1.0;//初始化p
float c=1.0;
float yE=0;
float m;
int T0=25; //To单位为10us.
for（i=0;i{
//找到所需的三个点的第一个点。 整除的状况要考虑。
index=（floor（（i*Ta*100）/（Points*T0）））;
//若所求的点为已知点则跳过。
if （（i*Ta*100）/（Points*T0）-floor（（i*Ta*100）/（Points*T0））==0）
{
dataR［i］=fft_buf［index］;
con ti nue;
}
//用lagrange计算出所求的点。
for（j=0;j《3;j++）
{
p=1;
c=1;
for（ k=0;k《3;k++）
{
if（k==j）con TI nue;//判断是否为同一个数
m=index+k;
m=m*T0*Points;
p=p*（Ta*i*100-m）;
p=p/Points;
c=c*（（index+j）*T0-（index+k）*T0）; }
//求和
yE=yE+p*fft_buf［index+j］/c;
}
dataR［i］=yE;
yE=0;
}
}
本方案中数据运算量很大，对TMS320F2801的要求很高，所以FFT计算和电量计算程序用汇编语言编写，程序编写这里不作介绍。
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