帶有串行接口的功率/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(jiàn)《國(guó)外電子元器件》1999年第3期文章）相比較，CS5460增加了以下功能：
    ●具有片內(nèi)看門(mén)狗定時(shí)器（Watch Dog Timer）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)部寄存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.  基本結(jié)構(gòu)與技術(shù)指標(biāo)

2.1 內(nèi)部結(jié)構(gòu)
    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、寄存器陣列和看門(mén)狗定時(shí)器等模擬、數(shù)字信號(hào)處理單元。
2.2 引腳排列及功能
    CS5460的各引腳的功能如下：
    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；
    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，則只需要3條線就可以完成串行口的操作，通過(guò)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)行串行通讀，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。
    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(kāi)始的，當(dāng)命令中包括一個(gè)寫(xiě)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引腳上串行輸出寄存器內(nèi)容。
3.2 內(nèi)部寄存器分配
    CS5460內(nèi)部集成了包括偏置寄存器、增益寄存器、脈沖速率寄存器和參數(shù)寄存器等16個(gè)寄存器，還集成了串行口發(fā)送寄存器、串行口接收寄存器和一個(gè)命令解釋狀態(tài)機(jī)，這些寄存器用來(lái)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。
    在系統(tǒng)初始化或復(fù)位后，CS5460內(nèi)部寄存器初始化為以下?tīng)顟B(tài):
    配置寄存器：0X000001
    偏置寄存器：0X000000
    增益寄存器：0X400000
    脈沖速率寄存器：0X0FA000
    周期計(jì)數(shù)寄存器：0X000FA0
    時(shí)基寄存器：0X800000
    狀態(tài)寄存器：0X000001
    屏蔽寄存器：0X000000
    有符號(hào)寄存器：0X000000
    無(wú)符號(hào)寄存器：0X000000
3.3 命令解釋及操作
    對(duì)CS5460的操作是通過(guò)向其傳輸命令字來(lái)實(shí)現(xiàn)的， CS5460提供了寄存器的讀/寫(xiě)和校準(zhǔn)控制等在內(nèi)的7個(gè)操作命令，所有的命令長(zhǎng)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。本文僅以寄存器讀/寫(xiě)命令為例加以簡(jiǎn)要說(shuō)明，詳細(xì)內(nèi)容請(qǐng)參考 CS5460用戶(hù)手冊(cè)。
    寄存器讀/寫(xiě)命令：
    這個(gè)命令通知狀態(tài)機(jī)需要對(duì)寄存器進(jìn)行訪問(wèn)，在8個(gè)SCLK時(shí)鐘周期內(nèi)，地址寄存器的讀取被加載到輸出緩沖區(qū)，在第24個(gè)SCLK時(shí)，寫(xiě)人數(shù)據(jù)被傳輸?shù)捷斎刖彌_區(qū)。
    其中：W/R：寫(xiě)入/讀取控
    0=讀取寄存器
    1=寫(xiě)入寄存器
    RA0～RA4：寄存器地址位

4.CS5460的應(yīng)用

4.1 電度表
    CS5460可以用來(lái)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)果將以 24位有符號(hào)或無(wú)符號(hào)形式存儲(chǔ)在內(nèi)部寄存器中，另外，CS5460還提供了電能計(jì)量脈沖輸出端口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(jiǎn)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寄存器的頻率相同。
    一個(gè)典型的電度表電路，它的基本電流有效值I_b=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I_max=100A，最大電壓有效值為V_max=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)，則電流和電壓通道互器的變比Ki、Kv分別1/10000和1/20000。
    當(dāng)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(guó)高校學(xué)生公寓普遍采用限電措施來(lái)控制學(xué)校電能利用，公寓管理社會(huì)化后，限制學(xué)生用電凈改為鼓勵(lì)學(xué)生安全用電，從而將采用限制安全功率、限制基本電費(fèi)、超量收費(fèi)的形式。為了適應(yīng)市場(chǎng)的需要，我們采用 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線路造價(jià)。
    ●前端采用AT89C2051系列單片機(jī)和CS5460芯片，實(shí)現(xiàn)了功率、電流、電壓栓測(cè)和電能計(jì)量等功能，性能價(jià)格比高，運(yùn)行穩(wěn)定可靠。
    ●采用RS485（或CAN總線）通訊標(biāo)準(zhǔn)，傳輸距離遠(yuǎn)，易于組網(wǎng)。
    ●可對(duì)用電功率、電流、電量進(jìn)行集中臨界測(cè)和控制。