帶有串行接口的功率/電能計量芯片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）相比較，CS5460增加了以下功能：
    ●具有片內(nèi)看門狗定時器（Watch Dog Timer）與內(nèi)部電源監(jiān)視器；
    ●具有瞬時電流、瞬時電壓、瞬時功率、電流有效值、電壓有效值、功率有效值測量及電能計量功能；
    ●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，并能方便地實現(xiàn)電壓、電流、功率的測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△-∑A/D轉(zhuǎn)換器、高、低通數(shù)字濾波器、能量計算單元、串行接口、數(shù)字-頻率轉(zhuǎn)換器、寄存器陣列和看門狗定時器等模擬、數(shù)字信號處理單元。
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；
    ●電能計量精度：在300∶動態(tài)范圍以上每秒讀取0.1％;
    ●電壓測量精度：讀數(shù)的0.1％;
    ●電流測量精度：讀數(shù)的0.1％;
    ●瞬時功率測量精度：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，通過實驗還發(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，這對于使用AT89C1051和AT89C2051的系統(tǒng)是極為有利的。
    一個數(shù)據(jù)的傳輸總是從向串行接口的SDI發(fā)送8位命令開始的，當(dāng)命令中包括一個寫入振作時，在其后的24個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)出一個讀取命令時，串口將根據(jù)發(fā)出的命令，在其后的 8、16、24個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命令解釋狀態(tài)機(jī)，這些寄存器用來完成對 CS5460的設(shè)置、采集數(shù)據(jù)的存儲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狀態(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
    周期計數(shù)寄存器：0X000FA0
    時基寄存器：0X800000
    狀態(tài)寄存器：0X000001
    屏蔽寄存器：0X000000
    有符號寄存器：0X000000
    無符號寄存器：0X000000
3.3 命令解釋及操作
    對CS5460的操作是通過向其傳輸命令字來實現(xiàn)的， CS5460提供了寄存器的讀/寫和校準(zhǔn)控制等在內(nèi)的7個操作命令，所有的命令長度均為1個字節(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)，同時為數(shù)據(jù)的傳輸作好準(zhǔn)備。本文僅以寄存器讀/寫命令為例加以簡要說明，詳細(xì)內(nèi)容請參考 CS5460用戶手冊。
    寄存器讀/寫命令：
    這個命令通知狀態(tài)機(jī)需要對寄存器進(jìn)行訪問，在8個SCLK時鐘周期內(nèi)，地址寄存器的讀取被加載到輸出緩沖區(qū)，在第24個SCLK時，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=讀取寄存器
    1=寫入寄存器
    RA0～RA4：寄存器地址位

4.CS5460的應(yīng)用

4.1 電度表
    CS5460可以用來測量瞬時電流、瞬時電壓、瞬時功率、電能以及電壓和電流的有效值，測量結(jié)果將以 24位有符號或無符號形式存儲在內(nèi)部寄存器中，另外，CS5460還提供了電能計量脈沖輸出端口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，且兩個轉(zhuǎn)換器的直流輸入皆為最大值時，輸出脈沖的頻率與脈沖速度寄存器的頻率相同。
    一個典型的電度表電路，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，二次側(cè)取樣電阻R₁的值應(yīng)為15Ω。
4.2 由CS5460構(gòu)成的分布式電能計量控制系統(tǒng)
    目前我國高校學(xué)生公寓普遍采用限電措施來控制學(xué)校電能利用，公寓管理社會化后，限制學(xué)生用電凈改為鼓勵學(xué)生安全用電，從而將采用限制安全功率、限制基本電費、超量收費的形式。為了適應(yīng)市場的需要，我們采用 CS5460設(shè)計了分布式電能控制系統(tǒng)，實現(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)成的分布式電能計量控制系統(tǒng)圖。該系統(tǒng)的特點是：
    ●單線（或電力載波）傳輸，減少了工程施工量和線路造價。
    ●前端采用AT89C2051系列單片機(jī)和CS5460芯片，實現(xiàn)了功率、電流、電壓栓測和電能計量等功能，性能價格比高，運行穩(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)。
    ●可對用電功率、電流、電量進(jìn)行集中臨界測和控制。