電子式電能表專用芯片CS5460及其在電測(cè)儀表中的應(yīng)用

摘要：介紹了德國(guó)CIRRUS LOGIC公司推出的電子式電能表專用芯片CS5460的特點(diǎn)、控制方式、與輸入信號(hào)微控制器的接口及其在電測(cè)儀表中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：電子式電能表 專用芯片CS5460 微控制器 電測(cè)儀表

近年來，電子式電能表在國(guó)際、國(guó)內(nèi)得到了迅速推廣。國(guó)外許多IC廠家不失時(shí)機(jī)地推出了各種電子式電能表專用芯片。目前，國(guó)內(nèi)較為常用的單相電子式電能表芯片有德國(guó)CIRRUS LOGIC公司的CS5460、美國(guó)AD公司的AD7751和AD7755；三相電子式電能表專用芯片有美國(guó)ATMEL公司的AT73C500+AT73C501（AT73C502）等。它們的共同特點(diǎn)是：①高度集成（集成了ADC、電壓基準(zhǔn)、功率計(jì)算模塊）；高精度（測(cè)量誤差大多小于0.3%）；②易接口（易于與微控制器或步進(jìn)電機(jī)接口）。這些芯片為設(shè)計(jì)低成本、高性能的電子式電能表提供了非常理想的解決方案。

值得注意的是，在這些專用芯片中，有一些不僅能夠測(cè)量功率、電能，而且能夠測(cè)量電壓、電流等其它電量，如CS5460、AT73C500+AT73C501（AT73C502）等。而許多電測(cè)儀表功能的實(shí)現(xiàn)都是以測(cè)量功率、電能、電壓、電流為基礎(chǔ)的，如電力設(shè)備交流阻抗測(cè)試儀、電力變壓器綜合參數(shù)測(cè)試儀等。因此，如果拓展思路，將這些電子式電能表專用芯片用于測(cè)儀表產(chǎn)品的開發(fā)中，不僅可以縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，而且能大大提高產(chǎn)品的性能。筆者就運(yùn)用CS5460成功地開發(fā)出了多功能電量監(jiān)測(cè)儀。

1 CS5460的特點(diǎn)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)

1.1 CS5460主要特點(diǎn)

·符合IEC521/1036、JIS工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)

·能夠測(cè)量瞬時(shí)電壓、瞬時(shí)電流、瞬時(shí)功率、電能、電壓有效值和電流有效值；能完成電能/脈沖轉(zhuǎn)換

·電能測(cè)量精度：0.1%

·具有相位補(bǔ)償和系統(tǒng)校準(zhǔn)功能

·具有2.5V片內(nèi)電壓基準(zhǔn)（溫漂60ppm/℃）

·功率消耗12mW

·電源配置：

VA+=+5V,VA-=0V;VD+=+3V～+5V或VA+=2.5V,VA-=-2.5V;VD+=+3V

1.2 CS5460的內(nèi)部組成模塊如下：

·一個(gè)電流通道可編程增益放大器，其增益為10和50個(gè)可選

·一個(gè)電壓通道固定增益放大器，其增益為10

·兩個(gè)同時(shí)采樣的∑-Δ模/數(shù)轉(zhuǎn)換器

·兩個(gè)高速數(shù)字濾波器

·兩個(gè)可選用的高通濾波器

·一個(gè)功率計(jì)算引擎

·一個(gè)2.5V片內(nèi)電壓基準(zhǔn)

·一個(gè)可以檢測(cè)電力不足或電源故障的電源監(jiān)視器

·一個(gè)持續(xù)監(jiān)視串口通訊的看門狗

·一個(gè)2.5MHz～20MHz可選的內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器

·一個(gè)雙向串行接口

·一個(gè)電能/脈沖變換器

·一個(gè)校準(zhǔn)用SRAM

2 CS5460的功能控制和測(cè)量數(shù)據(jù)輸出方式

2.1 CS5460的功能控制

CS5460的功能控制是通過寫命令字的方式實(shí)現(xiàn)的。這些8位長(zhǎng)度的命令字包括“啟動(dòng)轉(zhuǎn)換”、“同步調(diào)整”、“上電/暫?？刂啤?、“掉電控制”、“校準(zhǔn)控制和“寄存器讀/寫”等命令。CS5460內(nèi)部有16個(gè)24位長(zhǎng)度的用戶可訪問的寄存器。對(duì)這些寄存器的訪問是根據(jù)填寫在“寄存器讀/寫”命令中的地址進(jìn)行的。這些寄存器包括“基本配置”、“電流、電壓偏移校準(zhǔn)”、“電流、電壓增益校準(zhǔn)”、“循環(huán)計(jì)數(shù)值N”、“電能/脈沖轉(zhuǎn)換尺度”、“前次轉(zhuǎn)換的電流、電壓、功率瞬時(shí)值”、“前個(gè)計(jì)算周期的電能、電流有效值、電壓有效值”、“時(shí)基校準(zhǔn)”、“狀態(tài)”、“中斷屏蔽”等寄存器。

2.2 CS5460的測(cè)量數(shù)據(jù)輸出方式

在CS5460接收到“啟動(dòng)轉(zhuǎn)換”命令（設(shè)置為多計(jì)算循環(huán)方式）后，電能寄存器和電壓、電流有效值寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)，每N（N值在循環(huán)計(jì)數(shù)寄存器中設(shè)置）次A/D轉(zhuǎn)換（等于一個(gè)計(jì)算周期）完畢后更新一次。而電壓、電流、功率瞬時(shí)值寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)，則每一次A/D轉(zhuǎn)換完畢后便更新一次。應(yīng)當(dāng)注意是：CS5460的狀態(tài)寄存器中的“DRDY”（數(shù)據(jù)有效）位，在每個(gè)計(jì)算周期（N次A/D轉(zhuǎn)換完畢）后才置位，同時(shí)在/INT引腳產(chǎn)生中斷信號(hào)（當(dāng)屏蔽寄存器的“DRDY”位未被屏蔽時(shí)），所以若讓電壓、電流、功率的瞬時(shí)值數(shù)據(jù)每更新一次就產(chǎn)生一個(gè)中斷請(qǐng)求，需將循環(huán)計(jì)數(shù)寄存器的值N設(shè)為1.微控制器進(jìn)行中斷算是一般過程是：讀CS5460狀態(tài)寄存器→屏蔽中斷→進(jìn)行中斷服務(wù)處理→將步驟一讀出的值寫回CS5460狀態(tài)寄存器（清狀態(tài)位）→開中斷→返回。

3 CS5460的模擬信號(hào)輸入電路

CS5460的電流通道可與低功耗分流器或互感器接口；電壓通道可與阻笥分壓器或互感器接口。其電流通道的可編程增益放大器（PGA）的增益可設(shè)為10和50，分別對(duì)應(yīng)于最大有效值為150mV和30mV的交流信號(hào)輸入；電壓通道的最大有效值輸入為150mV。由于CS5460的∑-Δ型模/數(shù)轉(zhuǎn)換器采有過采樣原理，對(duì)高頻噪聲有較強(qiáng)的抑制八月，因而對(duì)輸入信號(hào)無需進(jìn)行復(fù)雜的濾波器處理（引入阻容濾波電路反而容易引起相移）。

圖1是筆者在課題中采用的模擬信號(hào)輸入電流。在圖1中，PT為變比1：1的電流型電壓互感器，CT為變比2000：1的電流互感器。取樣電阻R1、R2、R5、R6的阻值由被測(cè)信號(hào)的最大值決定。經(jīng)變換后的補(bǔ)測(cè)信號(hào)以差模電壓的形式接到CS5460的模擬信號(hào)輸入端。由于互感器角差的影響，可能造成輸入信號(hào)的相移，使功率測(cè)量的誤差增大。而CS5460具有相位補(bǔ)償功能（可進(jìn)行-2.4°至+2.5°的相位補(bǔ)償，步進(jìn)0.34°），可以大大減小互感器角差的影響。

4 CS5460與微控制器的接口及編程

CS5460有四條串行接口線：/CS、SDI、SDO和SCLK。/CS為片選控制線，低電平有效；SDI為串行數(shù)據(jù)輸入線；SDO為串行數(shù)據(jù)輸出線；SCLK為串行時(shí)鐘，用于控制CS5460與微控制器之間數(shù)據(jù)傳輸同步。

每次數(shù)據(jù)讀/寫操作都要通過SDI引腳寫入一個(gè)8位的命令字節(jié)，該操作需要8個(gè)SCLK時(shí)鐘周期。如果寫入的是“寄存器讀/寫”命令，那么接下來應(yīng)通過SDI引腳寫入24位數(shù)據(jù)或通過SDO引腳輸出8、16、24位數(shù)據(jù)。SCLK時(shí)鐘周期的個(gè)數(shù)由數(shù)據(jù)位數(shù)決定。應(yīng)當(dāng)注意的是，在通過SDO引腳讀取數(shù)據(jù)的時(shí)候，必須同時(shí)向SDI引腳寫入與8、16、24位數(shù)據(jù)大小相對(duì)應(yīng)的1、2、3個(gè)空操作（NOP）命令字節(jié)（0xFE）。

圖2是筆者在課題中使用的CS5460與MCS51系列單片機(jī)的接口原理圖。

下面是與此接口方式相對(duì)應(yīng)的寫命令字、寫寄存器和讀寄存器操作的51匯編指令。

；SDI BIT P1.0

；SDO BIT P1.1

；SCLK BIT P1.2

RD_REG： ；讀寄存器程序入口

； IN：A 存放“讀寄存器”命令字

； OUT：32H 存放讀出數(shù)據(jù)高字節(jié)

； 31H 存放讀出數(shù)據(jù)中字節(jié)

； 30H 存放讀出數(shù)據(jù)低字節(jié)

LCALL SET_COM

MOV R2， #32H

MOV R3， #03H

RDLP1：MOV R4， #08H

MOV R0， #0FEH

RDLP2：CLR SCLK

NOP

MOV C， SDO

RLC A

MOV R1， A

MOV A，R0

RLC A

MOV R0，A

MOV SDI，C

SETB SCLK

MOV A， R1

DJNZ R4，RDLP2

MOV @R2，A

DEC R2

DJNZ R3，RDLP1

SJMP COM_END

WR_REG： ；寫寄存器程序入口

；IN：A 存放“寫寄存器”命令字

； 32H 存放寫入數(shù)據(jù)高字節(jié)

； 31H 存放寫入數(shù)據(jù)中字節(jié)

； 30H 存放寫入數(shù)據(jù)低字節(jié)

LCALL SET_COM

MOV R2， #32H

MOV R3， #03H

RWLP1： MOV R4，#08H

MOV A， @R2

RWLP2： RLC A

MOV SDI，C

CLR SCLK

NOP

SETB SCLK

DJNZ R4，RWLP2

DEC R2

DJNZ R3，RWLP1

SJMP COM_END

SET_COM： ；寫命令字程序入口

； IN： A 存放命令字

MOV R4,#08H

COMLP1： RLC A

MOV SDI，C

CLR SCLK

NOP

SETB SCLK

DJNZ R4，COMLP1

COM_END：RET

5 CS5460在多功能電量檢測(cè)儀中的應(yīng)用

5.1 多功能電量檢測(cè)儀簡(jiǎn)介

多功能電量檢測(cè)儀是筆者研制的供電部門工作人員使用的便攜式儀器，它能在不斷電不拆線的情況下現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)單相機(jī)械式電能表的精度，同時(shí)還能檢測(cè)回路的電壓、電流、有功功率、功率因數(shù)和頻率，是進(jìn)行用電監(jiān)察、供電質(zhì)量監(jiān)測(cè)的理想工具?？紤]到CS5460的基本功能與該儀器的功能有許多相似之處，如測(cè)量電壓有效值、電流有效值、有功功率和電能，而且將CS5460的基本功能加以變通運(yùn)用，還可以派生出一些其它功能，如測(cè)取頻率和功率因數(shù)。我們?cè)谠搩x器中采用了CS5460作為其核心。

圖3是多功能電量檢測(cè)儀的硬件框圖。

該儀器由互感器電路及流/壓變換電路將回路的電壓、電流信號(hào)分別變換為最大有效值為150mV和30mV（將CS5460電流通道的PGA增益設(shè)為50）的小電壓信號(hào)。CS5460測(cè)取電壓有效值、電流有效值、有功功率、電能、電壓瞬時(shí)值后，出單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。該儀器中的EEPROM存有各個(gè)電量的系數(shù)（從CS5460讀取的數(shù)據(jù)乘以系數(shù)才是最終結(jié)果）以及校驗(yàn)電能表時(shí)設(shè)定的轉(zhuǎn)盤圈數(shù)和電能表常數(shù)。電源芯片AMX756提供+5V的儀器工作電壓。

在該儀器中，將CS5460的工作時(shí)鐘MCLK選定為4.096MHz，分頻系數(shù)K設(shè)為1，循環(huán)計(jì)數(shù)寄存器的N值設(shè)為4000，則一個(gè)基本的計(jì)算周期為1024×N）/（MCLK/K）=1s。

5.2 運(yùn)用CS5460測(cè)取各電量的方案

5.2.1 電壓有效值、電流有效值、有功功率、功率因數(shù)的測(cè)量

電壓、電流有效值可直接從電壓有效值寄存器、電流有效值寄存器中讀取。而由于計(jì)算周期設(shè)為1s，電能寄存器中的電能值即為有功功率值，因此有功功率值可直接從電能寄存器中讀出。功率因數(shù)可由公式COSφ=P/(UI)得出。

5.2.2 頻率的測(cè)量

將循環(huán)計(jì)數(shù)寄存器的N值改變?yōu)?，此時(shí)電壓、電流瞬時(shí)值數(shù)據(jù)的刷新率為4000Hz，這就為通過軟件進(jìn)行信號(hào)過零判斷創(chuàng)造了條件。頻率測(cè)量的具體方法是：通過一個(gè)過零函數(shù)來記錄電壓信號(hào)正向過零次數(shù)，并同時(shí)記下讀取數(shù)據(jù)次數(shù)，如果取10個(gè)周期的平均時(shí)間為實(shí)測(cè)周期時(shí)間，那么當(dāng)記到第11次正向過零時(shí)，停下來算出每個(gè)周期內(nèi)讀取數(shù)據(jù)次數(shù)，默認(rèn)兩次讀取數(shù)據(jù)的時(shí)間差為250μ，便可算出頻率。

5.2.3 電能累計(jì)值的測(cè)量

電能表誤差的計(jì)算公式如下：

其中，E為電能表轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)過設(shè)定圈數(shù)所用時(shí)間（靠?jī)纱伟存I來確定）中的電能累計(jì)值，單位為焦耳。將循環(huán)計(jì)數(shù)寄存器的N值改設(shè)為40，則此時(shí)電能寄存器數(shù)據(jù)刷新周期為10ms，即可以每10ms從電能寄存器中讀取數(shù)據(jù)并在單片機(jī)中累加。由于一次按鍵的時(shí)間為20～30ms，并考慮到人為因素造成的計(jì)時(shí)誤差，則因電能寄存器數(shù)據(jù)刷新時(shí)間間隔所引起的計(jì)數(shù)誤差是可以忽略的。

本文介紹的以CS5460為核心的多功能電量檢測(cè)儀已于2000年6月通過陜西省計(jì)量局的技術(shù)鑒定，其電壓、電流、有功功率、電能的測(cè)量精度均達(dá)到0.2級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，頻率測(cè)量誤差小于0.02Hz，完全能滿足現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用要求。