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。