電能計量芯片CS5460及其應用

1、電能計量芯片 CS5460 及其應用 電能計量芯片 CS5460 及其應用 1. 概述 CS5460是CRYSTA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

2、 20MH；z 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。 1 / 8 電能計量芯片CS5460及其應用 IE5ET 、is* hr ! 昭曰IF VKEIVLT 八 陡TW: Ktt A Afx. / Al _;. h-H-irap； ifft s Tl- IEIGTh it KOttliri ft piir比笙vq 行 K HI XU nr EKS :trr 需陽 pa邯idn cnn( in *%、藺肉曜眾 2. 基本結(jié)構(gòu)與技術(shù)指標 2.1內(nèi)部結(jié)構(gòu) CS5460內(nèi)部集成了兩個-刀A/D轉(zhuǎn)換器、高、低通數(shù)

3、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，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。 2.2引腳排列及功能 CS5460的引腳排列如圖2所示。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

4、極； 15腳IIN-:差分電流負輸入端； 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。 WL7 g 3囂即 TlrfLl I sl 彷E OTI xin區(qū) ST* C 3 rvr 馬聞E C 3 K 紀匚 q ” E J ti v (1 ! J;匚 w 3 ii- i 負 alt 2.3主要技術(shù)指標 差分電壓輸入范圍：150mV 溫度系數(shù)：v 60ppm/C 功率消

5、耗：v 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 % Oh iei BMW TT -T7 P 叩 Ml rl 2 m 11 j FJ 1 fl 4 i 初 pet P17 p押 MJ FJJ PIS IliiF 廠 itib -.i HF T 士 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

6、串行數(shù)據(jù)輸出 SDC連在一起，同樣可以進行串行通讀，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)。當發(fā)出一個讀取命令時，串口將根據(jù) 5 / 8 電能計量芯片 CS5460 及其應用 發(fā)出的命令，在其后的8、16、24個SCLK周期從SDC引腳上串行輸 出寄存器內(nèi)容。圖 3 所示為讀寄的時序。 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

7、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，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，CS5460內(nèi) 部寄存器分配圖如圖 4 所示。 在系統(tǒng)初始化或復位后，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： 0X0

8、00000 6 / 8 電能計量芯片CS5460及其應用 .u nnftnnnhn SRIHl _ 亠 jjj拉 -doOq L_葉吒咐*乍J MIS .譏 QOOGt 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)機在SCLK的上升沿解釋8位命 令字，它將命令字解釋為公認的標準，同時為數(shù)據(jù)的傳輸作好準備。 本文僅以寄存器讀/寫命令為例加以簡要說明，詳細內(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)機需要對寄存器進行訪問，在 8個S

9、CLK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 0二讀取寄存器 仁寫入寄存器 RAA RA4:寄存器地址位 ?V： 4卜娜甲It上欄 | jrj紗王訂 r5wWFl * TL- 4. CS5460的應用 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電機計數(shù)器連接 構(gòu)成簡單的電度表。當晶振的頻率為4

10、.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。 圖5所示為一個典型的電度表電路，它的基本電流有效值 lb=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lmax=100A最大電壓有效值為 Vmax=300V 根據(jù)CS5460的差分電壓輸入和差分電流輸入最大值為150mV勺技術(shù) 指標，則電流和電壓通道互器的變比 Ki、Kv分別1/10000和1/20000。 當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的值應為15Q 4.2由CS5460構(gòu)成的分布式電能計量控制系統(tǒng) 目前我國高校學生公寓普遍采用限電措施來控制學校電能利用， 公寓管理社會化后，限制學生用電凈改為鼓勵學生安全用電， 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