電能計(jì)量芯片CS5460及其應(yīng)用9431

電能計(jì)量芯片CS5460及其應(yīng)用1.概述CS5460是CRYSTAL公司最新推出的帶有串行接口的單相雙向功率/電能計(jì)量集成電路芯片。與目前在電子式電度表應(yīng)用中廣泛使用的AD7750和AD7755〔見?國外電子元器件?1999年第3期文章〕相比擬，CS5460增加了以下功能：●具有片內(nèi)看門狗定時(shí)器〔WatchDogTimer〕與內(nèi)部電源監(jiān)視器；●具有瞬時(shí)電流、瞬時(shí)電壓、瞬時(shí)功率、電流有效值、電壓有效值、功率有效值測(cè)量及電能計(jì)量功能；●提供了外部復(fù)位引腳；●雙向串行接口與內(nèi)部存放器陣列可以方便地與微處理器相連接；●外部時(shí)鐘最高頻率可達(dá)20MHz；●具有功率方向輸出指示。這些增加的功能更加便于與微處理器〔MPU〕接口，并能方便地實(shí)現(xiàn)電壓、電流、功率的測(cè)量和用電量累積等功能。2.根本構(gòu)造與技術(shù)指標(biāo)2.1內(nèi)部構(gòu)造CS5460內(nèi)部集成了兩個(gè)△-∑A/D轉(zhuǎn)換器、高、低通數(shù)字濾波器、能量計(jì)算單元、串行接口、數(shù)字-頻率轉(zhuǎn)換器、存放器陣列和看門狗第1頁

定時(shí)器等模擬、數(shù)字信號(hào)處理單元,其內(nèi)部構(gòu)造框圖如圖1所示。2.2引腳排列及功能CS5460的引腳排列如圖2所示。各引腳的功能如下：1腳XOUT：晶體振蕩器輸出；2腳CPUCLK：CPU時(shí)鐘輸出；3腳VD+：數(shù)字電路電源正極；4腳DGND：數(shù)字地；5腳SCLK：串行時(shí)鐘輸入；6腳SDO：串行數(shù)據(jù)輸出；7腳CS：片選；8腳NC：空腳；9腳VIN+：差分電壓正輸入端；10腳VIN-：差分電壓負(fù)輸入端；11腳VREFOUT：參考電壓輸出；12腳VREFIN：參考電壓輸入；13腳VA-：模擬地；14腳VA+：模擬電源正極；15腳IIN-：差分電流負(fù)輸入端；16腳IIN+：差分電流正輸入端；17腳PFMON：電源掉電監(jiān)視輸出；18腳NC：空腳；19腳RESET：復(fù)位輸入；第2頁

20腳INT：中斷輸出；21腳EOUT：電能脈沖輸出；22腳EDIR：功率方向指示輸出；23腳SDI：串行數(shù)據(jù)輸入；24腳XIN：晶體振蕩器輸入。2.3主要技術(shù)指標(biāo)●差分電壓輸入范圍：150mV；●溫度系數(shù)：＜60ppm/℃●功率消耗：＜10mW；●電能計(jì)量精度：在300∶動(dòng)態(tài)范圍以上每秒讀取0.1％;●電壓測(cè)量精度：讀數(shù)的0.1％;●電流測(cè)量精度：讀數(shù)的0.1％;●瞬時(shí)功率測(cè)量精度：讀數(shù)的0.1％。3.串行接口及其操作3.1串行接口CS5460的串行口包括4條控制線：CS、SDI、SDO、SCLK，如果片選CS直接與邏輯0相連接，那么只需要3條線就可以完成串行口的操作，通過實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，如果將串行數(shù)據(jù)輸入SDI和串行數(shù)據(jù)輸出SDO連在一起，同樣可以進(jìn)展串行通讀，而且僅需要兩條接口線，這對(duì)于使用AT89C1051和AT89C2051的系統(tǒng)是極為有利的。第3頁

一個(gè)數(shù)據(jù)的傳輸總是從向串行接口的SDI發(fā)送8位命令開場(chǎng)的，當(dāng)命令中包括一個(gè)寫入振作時(shí)，在其后的24個(gè)SCLK周期內(nèi)，串口將持續(xù)從SDI引腳讀入串行數(shù)據(jù)。當(dāng)發(fā)出一個(gè)讀取命令時(shí)，串口將根據(jù)發(fā)出的命令，在其后的8、16、24個(gè)SCLK周期從SDO引腳上串行輸出存放器內(nèi)容。圖3所示為讀寄的時(shí)序。3.2內(nèi)部存放器分配CS5460內(nèi)部集成了包括偏置存放器、增益存放器、脈沖速率存放器和參數(shù)存放器等16個(gè)存放器，還集成了串行口發(fā)送存放器、串行口接收存放器和一個(gè)命令解釋狀態(tài)機(jī)，這些存放器用來完成對(duì)CS5460的設(shè)置、采集數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和串行輸入輸出的控制，CS5460內(nèi)部存放器分配圖如圖4所示。在系統(tǒng)初始化或復(fù)位后，CS5460內(nèi)部存放器初始化為以下狀態(tài):配置存放器：0X000001偏置存放器：0X000000增益存放器：0X400000脈沖速率存放器：0X0FA000周期計(jì)數(shù)存放器：0X000FA0時(shí)基存放器：0X800000狀態(tài)存放器：0X000001屏蔽存放器：0X000000有符號(hào)存放器：0X000000無符號(hào)存放器：0X000000第4頁

3.3命令解釋及操作對(duì)CS5460的操作是通過向其傳輸命令字來實(shí)現(xiàn)的，CS5460提供了存放器的讀/寫和校準(zhǔn)控制等在內(nèi)的7個(gè)操作命令，所有的命令長度均為1個(gè)字節(jié)〔8位〕。命令狀態(tài)機(jī)在SCLK的上升沿解釋8位命令字，它將命令字解釋為公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)為數(shù)據(jù)的傳輸作好準(zhǔn)備。本文僅以存放器讀/寫命令為例加以簡要說明，詳細(xì)內(nèi)容請(qǐng)參考CS5460用戶手冊(cè)。存放器讀/寫命令：這個(gè)命令通知狀態(tài)機(jī)需要對(duì)存放器進(jìn)展訪問，在8個(gè)SCLK時(shí)鐘周期內(nèi)，地址存放器的讀取被加載到輸出緩沖區(qū)，在第24個(gè)SCLK時(shí)，寫人數(shù)據(jù)被傳輸?shù)捷斎刖彌_區(qū)。其中：W/R：寫入/讀取控0=讀取存放器1=寫入存放器RA0～RA4：存放器地址位4.1電度表CS5460可以用來測(cè)量瞬時(shí)電流、瞬時(shí)電壓、瞬時(shí)功率、電能以及電壓和電流的有效值，測(cè)量結(jié)將果以24位有符號(hào)或無符號(hào)形式存儲(chǔ)在內(nèi)部存放器中，另外，CS5460還提供了電能計(jì)量脈沖輸出端口第5頁

EOUT和功率方向端口EDIR，因而可以方便的與步進(jìn)電機(jī)計(jì)數(shù)器連接構(gòu)成簡單的電度表。當(dāng)晶振的頻率為4.096MHz，分頻比為1，且兩個(gè)轉(zhuǎn)換器的直流輸入皆為最大值時(shí)，輸出脈沖的頻率與脈沖速度存放器的頻率一樣。圖5所示為一個(gè)典型的電度表電路，它的根本電流有效值Ib=20A，相線電壓有效值V=220V〔50Hz〕，計(jì)量常數(shù)K=500imp/kWh，假定量大電流有效值為Imax=100A，最大電壓有效值為Vmax=300V，根據(jù)CS5460的差分電壓輸入和差分電流輸入最大值為150mV的技術(shù)指標(biāo)，那么電流和電壓通道互器的變比Ki、Kv分別1/10000和1/20000。中選取電流互感器二次側(cè)最大電流為10mA時(shí)，二次側(cè)取樣電阻R1的值應(yīng)為15Ω。4.2由CS5460構(gòu)成的分布式電能計(jì)量控制系統(tǒng)目前我國高校學(xué)生公寓普遍采用電限措施來控制學(xué)校電能利用，公寓管理社會(huì)化后，制限學(xué)生用電凈改為鼓勵(lì)學(xué)生平安用電，從而將制限平安功率、制限根本電費(fèi)、超量收費(fèi)的形式。為了適應(yīng)市場(chǎng)的需要，我們CS5460設(shè)計(jì)了分布式電能控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了公寓用電管理的分散控制和集中管理。圖6是由CS5460構(gòu)成的分布式電能計(jì)量控制系統(tǒng)圖。該系統(tǒng)的特點(diǎn)是：●單線〔或電力載波〕傳輸，減少了工程施工量和