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电能计量芯片CS5460及其应用

1. 概述
　　CS5460是CRYSTAL公司最新推出的带有串行接口的单相双向功率/电能计量集成电路芯片。与目前在电子式电度表应用中广泛使用的 AD7750和AD7755（见《国外电子元器件》1999年第3期文章）相比较，CS5460增加了以下功能：
　　●具有片内看门狗定时器（Watch Dog Timer）与内部电源监视器；
　　●具有瞬时电流、瞬时电压、瞬时功率、电流有效值、电压有效值、功率有效值测量及电能计量功能；
　　●提供了外部复位引脚；
　　●双向串行接口与内部寄存器阵列可以方便地与微处理器相连接；
　　●外部时钟最高频率可达20MHz；
　　●具有功率方向输出指示。
　　这些增加的功能更加便于与微处理器（MPU）接口，并能方便地实现电压、电流、功率的测量和用电量累积等功能。

2. 基本结构与技术指标
　　2.1 内部结构
　　CS5460内部集成了两个△-∑A/D转换器、高、低通数字滤波器、能量计算单元、串行接口、数字-频率转换器、寄存器阵列和看门狗定时器等模拟、数字信号处理单元,其内部结构框图如图1所示。
　　2.2 引脚排列及功能
　　CS5460的引脚排列如图2所示。各引脚的功能如下：
　　1脚XOUT：晶体振荡器输出；
　　2脚CPUCLK：CPU时钟输出；
　　3脚VD+：数字电路电源正极；
　　4脚DGND：数字地；
　　5脚SCLK：串行时钟输入；
　　6脚SDO：串行数据输出；
　　7脚CS：片选；
　　8脚NC：空脚；
　　9脚VIN+：差分电压正输入端；
　　10脚VIN-：差分电压负输入端；
　　11脚VREFOUT：参考电压输出；
　　12脚VREFIN：参考电压输入；
　　13脚VA-：模拟地；
　　14脚VA+：模拟电源正极；
　　15脚IIN-：差分电流负输入端；
　　16脚IIN+：差分电流正输入端；
　　17脚PFMON：电源掉电监视输出；
　　18脚NC：空脚；
　　19脚RESET：复位输入；
　　20脚INT：中断输出；
　　21脚EOUT：电能脉冲输出；
　　22脚EDIR：功率方向指示输出；
　　23脚SDI：串行数据输入；
　　24脚XIN：晶体振荡器输入。

　　2.3 主要技术指标
　　●差分电压输入范围：150mV；
　　●温度系数：＜60ppm/℃
　　●功率消耗：＜10mW；
　　●电能计量精度：在300∶动态范围以上每秒读取0.1％;
　　●电压测量精度：读数的0.1％;
　　●电流测量精度：读数的0.1％;
　　●瞬时功率测量精度：读数的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条控制线：CS、SDI、SDO、SCLK，如果片选CS直接与逻辑0相连接，则只需要3条线就可以完成串行口的操作，通过实验还发现，如果将串行数据输入SDI和串行数据输出SDO连在一起，同样可以进行串行通读，而且仅需要两条接口线，这对于使用AT89C1051和 AT89C2051的系统是极为有利的。
　　一个数据的传输总是从向串行接口的SDI发送8位命令开始的，当命令中包括一个写入振作时，在其后的24个SCLK周期内，串口将持续从SDI引脚读入串行数据。当发出一个读取命令时，串口将根据发出的命令，在其后的 8、16、24个SCLK周期从SDO引脚上串行输出寄存器内容。图3所示为读寄的时序。
　　3.2 内部寄存器分配
　　CS5460内部集成了包括偏置寄存器、增益寄存器、脉冲速率寄存器和参数寄存器等16个寄存器，还集成了串行口发送寄存器、串行口接收寄存器和一个命令解释状态机，这些寄存器用来完成对 CS5460的设置、采集数据的存储和串行输入输出的控制，CS5460内部寄存器分配图如图4所示。
　　在系统初始化或复位后，CS5460内部寄存器初始化为以下状态:
　　配置寄存器：0X000001
　　偏置寄存器：0X000000
　　增益寄存器：0X400000
　　脉冲速率寄存器：0X0FA000
　　周期计数寄存器：0X000FA0
　　时基寄存器：0X800000
　　状态寄存器：0X000001
　　屏蔽寄存器：0X000000
　　有符号寄存器：0X000000
　　无符号寄存器：0X000000

　　3.3 命令解释及操作
　　对CS5460的操作是通过向其传输命令字来实现的， CS5460提供了寄存器的读/写和校准控制等在内的7个操作命令，所有的命令长度均为1个字节（8位）。命令状态机在SCLK 的上升沿解释8位命令字，它将命令字解释为公认的标准，同时为数据的传输作好准备。本文仅以寄存器读/写命令为例加以简要说明，详细内容请参考 CS5460用户手册。
　　寄存器读/写命令：
　　这个命令通知状态机需要对寄存器进行访问，在8个SCLK时钟周期内，地址寄存器的读取被加载到输出缓冲区，在第24个SCLK时，写人数据被传输到输入缓冲区。
　　其中：W/R：写入/读取控
　　0=读取寄存器
　　1=写入寄存器
　　RA0～RA4：寄存器地址位

4.CS5460的应用
　　4.1 电度表
　　CS5460可以用来测量瞬时电流、瞬时电压、瞬时功率、电能以及电压和电流的有效值，测量结果将以 24位有符号或无符号形式存储在内部寄存器中，另外，CS5460还提供了电能计量脉冲输出端口EOUT和功率方向端口EDIR，因而可以方便的与步进电机计数器连接构成简单的电度表。当晶振的频率为 4.096MHz，分频比为1，且两个转换器的直流输入皆为最大值时，输出脉冲的频率与脉冲速度寄存器的频率相同。
　　图5所示为一个典型的电度表电路，它的基本电流有效值Ib=20A，相线电压有效值V=220V（50Hz），计量常数K=500imp/kWh，假定量大电流有效值为Imax=100A，最大电压有效值为Vmax=300V，根据CS5460的差分电压输入和差分电流输入最大值为150mV的技术指标，则电流和电压通道互器的变比Ki、Kv分别1/10000和1/20000。
　　当选取电流互感器二次侧最大电流为10mA时，二次侧取样电阻R1的值应为15Ω。
　　4.2 由CS5460构成的分布式电能计量控制系统
　　目前我国高校学生公寓普遍采用限电措施来控制学校电能利用，公寓管理社会化后，限制学生用电净改为鼓励学生安全用电，从而将采用限制安全功率、限制基本电费、超量收费的形式。为了适应市场的需要，我们采用 CS5460设计了分布式电能控制系统，实现了公寓用电管理的分散控制和集中管理。图6是由 CS5460构成的分布式电能计量控制系统图。该系统的特点是：

　　●单线（或电力载波）传输，减少了工程施工量和线路造价。
　　●前端采用AT89C2051系列单片机和CS5460芯片，实现了功率、电流、电压栓测和电能计量等功能，性能价格比高，运行稳定可靠。
　　●采用RS485（或CAN总线）通讯标准，传输距离远，易于组网。
　　●可对用电功率、电流、电量进行集中临界测和控制。