电能计量芯片CS5460及其应用.doc

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：0X0000003.3 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RA0RA4：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15。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