电能计量芯片CS5460及其应用

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。