1 CS5460功能簡介

CS5460是在一個芯片上包含2個△∑模擬一數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)、高速電能計算功能和一個串行接口的高度集成的△∑模擬一數(shù)字轉(zhuǎn)換器。他可以測量瞬時電壓、瞬時電流、瞬時功率等；他還具有與單片機(jī)通訊的雙向串口。上電后CS5460可被初始化并可執(zhí)行全部功能，包括在用戶程序控制下的系統(tǒng)校準(zhǔn)。

1．1 結(jié)構(gòu)

CS5460的結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中IN十，IN一為模擬電流輸入通道；VIN+，VIN一為模擬電壓輸入通道輸；而為了和輸入電壓的不同量級匹配，電流通道還集成有一個增益可編程放大器(PGA)，使輸入信號的滿量程范圍可選擇；2個△∑模擬一數(shù)字轉(zhuǎn)換器對系統(tǒng)采樣的信號進(jìn)行模一數(shù)轉(zhuǎn)換；2個數(shù)字高速濾波器以(MCLK／K)／1024的字輸出速率輸出數(shù)據(jù)；2個高通濾波器可以在能量計算前將輸入信號的直流分量濾除；校準(zhǔn)單元實現(xiàn)對模擬輸入通道的校準(zhǔn)；功率計算單元用于計算瞬時功率和電壓電流有效值等。串行接口(Serial Interface)單元提供了CS5460與外部的數(shù)據(jù)通訊接口。

1．2 工作原理

CS5460是具有能量計算引肇的CMOS單片功率測量芯片。電壓模擬信號由VIN+，VIN一輸入后由△∑模擬一數(shù)字轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的信號經(jīng)高速濾波器及高通濾波器后送人功率計算器。電流模擬信號由VIN+，VIN一輸人后由△∑模擬一數(shù)字轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的信號經(jīng)高速濾波器及高通濾波器后送人功率計算器。功率計算器將兩路信號進(jìn)行處理運(yùn)算后輸出測量到的電壓、電流、功率等。所有這些數(shù)據(jù)由串行接口和單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

1．2．1 模擬信號輸入

采樣部分的外部電路與CS5460的接口如圖2所示。

采樣電路是實現(xiàn)測量瞬時電壓、瞬時電流、瞬時功率的基礎(chǔ)。各電阻和電容不但要求高，而且其作用也不相同。電路中的RPl用于在出現(xiàn)浪涌電流時對電流通道的輸入管腳進(jìn)行限流保護(hù)；在VlN+腳不需要保護(hù)電阻是因為采用了電阻分壓器作為傳感器，電阻分壓器串聯(lián)的電阻已被引到VIN+腳，如果CS5460電壓輸入通道的負(fù)端沒有接地(VIN+和VIN一接成差分輸入方式)在信號的輸入端加保護(hù)電阻是非常必要的。CPl和CP2的作用是吸收耦合到輸入線路中的高頻噪聲。

各電阻和電容應(yīng)終保證電壓通道輸入的信號滿量程幅值為150mV，而電流通道輸入的信號滿量程幅值為30mV或150mV可選擇(通過增益可編程放大器由程序?qū)崿F(xiàn))。

1．2．2 校 準(zhǔn)

對輸入通道的校準(zhǔn)，主要有圖3所示的幾個軟件校準(zhǔn)過程。

采樣通道全部的校準(zhǔn)過程均通過計算機(jī)校準(zhǔn)軟件進(jìn)行，應(yīng)按順序由圖3中自左向右依次校準(zhǔn)。校準(zhǔn)完成后可通過用更別的校驗設(shè)備來做比對，來保證所測量數(shù)據(jù)的。

1．2．3 運(yùn)算處理

電壓和電流通道輸人的信號被校準(zhǔn)后送到功率計算單元，由測得的電壓和電流計算出功率。同時還由測得的瞬時電壓和瞬時電流計算出電壓和電流的有效值。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

本系統(tǒng)由CS5460實現(xiàn)瞬時電壓、瞬時電流、瞬時功率的測量，由單片機(jī)μPD75P3116實現(xiàn)電能計量及其他功能，接口電路如圖4所示。

CS5460的串行接口包括4個控制線即：CS，SDI，SDO和SCLK。CS為片選信號，是允許訪問串口的控制線，低電平有效，高電平時SDO端呈高阻狀態(tài)；SDI為串行數(shù)據(jù)輸入端，用來把從單片機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)紺S5460；SDO為串行數(shù)據(jù)輸出端，用來將數(shù)據(jù)輸出到單片機(jī)；SCLK是控制數(shù)據(jù)輸入或輸出的串行位時鐘，在SCLK的電平轉(zhuǎn)換能被端口識別之前CS必須被置為邏輯低電平。單片機(jī)就是通過這4條控制線來實現(xiàn)與CS5460的數(shù)據(jù)交換。

單片機(jī)從CS5460中讀取的瞬時電壓、瞬時電流和瞬時功率等數(shù)據(jù)經(jīng)處理后存在存儲器內(nèi)，上電后單片機(jī)從存儲器內(nèi)讀數(shù)據(jù)到內(nèi)存中。所有這些數(shù)據(jù)可以通過外部通訊接口由上位機(jī)讀出，也可以由液晶顯示器上方便地查詢。

為了保證系統(tǒng)運(yùn)行的安全可靠，在系統(tǒng)中加入"看門狗"電路。由CMOS元件HCF4060和部分分立元件組成的"看門狗"電路，其成本低、使用簡單、穩(wěn)定可靠。當(dāng)程序運(yùn)行出錯或進(jìn)入死循環(huán)時，可保證系統(tǒng)快速安全可靠地復(fù)位。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

根據(jù)設(shè)計電路編寫程序，其流程圖如圖5所示。

程序開始運(yùn)行時，先啟動看門狗電路，然后測試存儲器。如果測試不成功則重新測試，若成功則讀CS5460。將所讀數(shù)據(jù)處理后，將瞬時電壓、瞬時電流、瞬時功率、累計電能和電壓、電流有效值顯示在液晶顯示器上。

4 結(jié) 語

這種利用CS5460和t~PD75P3116實現(xiàn)功率和電能計量的方法，以操作簡單、使用方便、性能價格比高等特點受到了廣大設(shè)計開發(fā)部門的青睞，有很好的市場前景。目前，我公司已根據(jù)這一方法研制出了單相電子表、三相多功能電子表以及單相現(xiàn)場校驗儀等產(chǎn)品，已被電力部門廣泛使用。