电子式电能表专用芯片CS5460及其在电测仪表中的应用

　　摘 要: 介绍了德国CIRRUS LOGIC公司推出的电子式电能表专用芯片CS5460的特点、控制方式、与输入信号及微控制器的接口及其在电测仪表中的应用。

　　关键词: 电子式电能表 专用芯片CS5460 微控制器 电测仪表

　　近年来,电子式电能表在国际、国内得到了迅速推广。国外许多IC厂家不失时机地推出了各种电子式电能表专用芯片。目前,国内较为常用的单相电子式电能表芯片有德国CIRRUS LOGIC公司的CS5460、美国AD公司的AD7751和AD7755;三相电子式电能表专用芯片有美国ATMEL公司的AT73C500+AT73C501(AT73C502)等。它们的共同特点是:①高度集成(集成了ADC、电压基准、功率计算模块);高精度(测量误差大多小于0.3%);②易接口(易于与微控制器或步进电机接口)。这些芯片为设计低成本、高性能的电子式电能表提供了非常理想的解决方案。

　　值得注意的是,在这些专用芯片中,有一些不仅能够测量功率、电能,而且能够测量电压、电流等其它电量,如CS5460、AT73C500+AT73C501(AT73C502)等。而许多电测仪表功能的实现都是以测量功率、电能、电压、电流为基础的,如电力设备交流阻抗测试仪、电力变压器综合参数测试仪等。因此,如果拓展思路,将这些电子式电能表专用芯片用于电测仪表产品的开发中,不仅可以缩短产品开发周期,而且能大大提高产品的性能。笔者就运用CS5460成功地开发出了多功能电量监测仪。

1 CS5460的特点和内部结构

1.1 CS5460主要特点

　　· 符合IEC521/1036、JIS工业标准

　　· 能够测量瞬时电压、瞬时电流、瞬时功率、电能、电压有效值和电流有效值;能完成电能/脉冲转换

　　· 电能测量精度:0.1%

　　· 具有相位补偿和系统校准功能

　　· 具有2.5V片内电压基准(温漂 60ppm/°C)

　　· 功率消耗<12mW

　　· 电源配置:

V_A+=+5V,V_A-=0V;V_D+=+3V～+5V

或 V_A+=+2.5V，V_A-=-2.5V;V_D+=+3V

1.2 CS5460的内部组成模块如下:

　　· 一个电流通道可编程增益放大器，其增益为10和50可选

·一个电压通道固定增益放大器,其增益为10

　　·两个同时采样的Σ-Δ模/数转换器

　　·两个高速数字滤波器

　　·两个可选用的高通滤波器

　　·一个功率计算引擎

　　·一个2.5V片内电压基准

　　·一个可以检测电力不足或电源故障的电源监视器

　　· 一个持续监视串口通讯的看门狗

　　· 一个2.5MHz～20MHz可选的内部时钟发生器

　　· 一个双向串行接口

　　· 一个电能/脉冲变换器

· 一个校准用SRAM

2 CS5460的功能控制和测量数据输出方式

2.1 CS5460的功能控制

　　CS5460的功能控制是通过写命令字的方式实现的。这些8位长度的命令字包括“启动转换”、“同步调整”、“上电/暂停控制”、“掉电控制”、“校准控制”和“寄存器读/写” 等命令。CS5460内部有16个24位长度的用户可访问的寄存器。对这些寄存器的访问是根据填写在“寄存器读/写”命令中的地址进行的。这些寄存器包括“基本配置”、“电流、电压偏移校准”、“电流、电压增益校准”、“循环计数值N”、“电能/脉冲转换尺度”、“前次转换的电流、电压、功率瞬时值”、“前个计算周期的电能、电流有效值、电压有效值”、“时基校准”、“状态”、“中断屏蔽”等寄存器。

2.2 CS5460的测量数据输出方式

　　在CS5460接收到“启动转换”命令(设置为多计算循环方式)后,电能寄存器和电压、电流有效值寄存器内的数据,每N(N值在循环计数寄存器中设置)次A/D转换(等于一个计算周期)完毕后更新一次。而电压、电流、功率瞬时值寄存器内的数据,则每一次A/D转换完毕后便更新一次。应当注意的是:CS5460的状态寄存器中的“DRDY”(数据有效)位,在每个计算周期(N次A/D转换完毕)后才置位,同时在/INT引脚产生中断信号(当屏蔽寄存器的“DRDY”位未被屏蔽时),所以若让电压、电流、功率的瞬时值数据每更新一次就产生一个中断请求,需将循环计数寄存器的值N设为1。微控制器进行中断处理的一般过程是:读CS5460状态寄存器→屏蔽中断→进行中断服务处理→将步骤一读出的值写回CS5460状态寄存器(清状态位)→开中断→返回。

3 CS5460的模拟信号输入电路

　　CS5460的电流通道可与低功耗分流器或互感器接口;电压通道可与阻性分压器或互感器接口。其电流通道的可编程增益放大器(PGA)的增益可设为10和50,分别对应于最大有效值为150mV和30mV的交流信号输入;电压通道的最大有效值输入为150mV。由于CS5460的Σ-Δ型模/数转换器采用过采样原理,对高频噪声有较强的抑制作用,因而对输入信号无需进行复杂的滤波处理(引入阻容滤波电路反而容易引起相移)。

　　图1是笔者在课题中采用的模拟信号输入电路。在图1中,PT为变比1：1的电流型电压互感器,CT为变比2000：1的电流互感器。取样电阻R1、R2、R5、R6的阻值由被测信号的最大值决定。经变换后的被测信号以差模电压的形式接到CS5460的模拟信号输入端。由于互感器角差的影响,可能造成输入信号的相移,使功率测量的误差增大。而CS5460具有相位补偿功能(可进行-2.4°至+2.5°的相位补偿,步进0.34°),可以大大减小互感器角差的影响。

4 CS5460与微控制器的接口及编程

　　CS5460有四条串行接口线:/CS、SDI、SDO和SCLK。/CS为片选控制线,低电平有效;SDI为串行数据输入线;SDO为串行数据输出线;SCLK为串行时钟,用于控制CS5460与微控制器之间数据传输同步。

　　每次数据读/写操作都要通过SDI引脚写入一个8位的命令字节,该操作需要8个SCLK时钟周期。如果写入的是“寄存器读/写”命令,那么接下来应通过SDI引脚写入24位数据或通过SDO引脚输出8、16、24位数据。SCLK时钟周期的个数由数据位数决定。应当注意的是,在通过 SDO引脚读取数据的时候,必须同时向SDI引脚写入与8、16、24位数据大小相对应的1、2、3个空操作(NOP)命令字节(0xFE)。

　　图2是笔者在课题中使用的CS5460与MCS51系列单片机的接口原理图。

　　下面是与此接口方式相对应的写命令字、写寄存器和读寄存器操作的51汇编指令。

　　;SDI BIT P1.0

　　;SDO 　 BIT P1.1

　　;SCLK BIT P1.2

　　RD_REG： ;读寄存器程序入口

　　; IN： A 存放“读寄存器”命令字

　　; OUT： 32H 存放读出数据高字节

　　; 31H 存放读出数据中字节

; 30H 存放读出数据低字节

　　LCALL SET_COM

MOV R2 ， #32H

MOV R3， #03H

RDLP1： MOV R4， #08H

MOV R0， #0FEH

RDLP2： CLR SCLK

NOP

MOV C， SDO

RLC A

MOV R1， A

MOV A， R0

RLC A

MOV R0， A

MOV SDI， C

SETB SCLK

MOV A， R1

DJNZ R4， RDLP2

MOV @R2， A

DEC R2

DJNZ R3， RDLP1

SJMP COM_END

WR_REG： ;写寄存器程序入口

　　;IN： A 存放“写寄存器”命令字

　　; 32H 存放写入数据高字节

　　; 31H 存放写入数据中字节

　　; 30H 存放写入数据低字节

LCALL SET_COM

MOV R2， #32H

MOV R3， #03H

RWLP1： MOV R4， #08H

MOV A， @R2

RWLP2： RLC A

MOV SDI， C

CLR SCLK

NOP

SETB CLK

DJNZ R4， RWLP2

DEC R2

DJNZ R3， RWLP1

SJMP COM_END

SET_COM： ;写命令字程序入口

　　; IN： A 存放命令字

　 MOV R4， #08H

COMLP1： RLC A

MOV SDI， C

CLR SCLK

NOP

SETB SCLK

DJNZ R4， COMLP1

COM_END： RET

5 CS5460在多功能电量检测仪中的应用

5.1 多功能电量检测仪简介

　　多功能电量检测仪是笔者研制的供电部门工作人员使用的便携式仪器,它能在不断电不拆线的情况下现场检验单相机械式电能表的精度,同时还能检测回路的电压、电流、有功功率、功率因数和频率,是进行用电监察、供电质量监测的理想工具。考虑到CS5460的基本功能与该仪器的功能有许多相似之处,如测量电压有效值、电流有效值、有功功率和电能,而且将CS5460的基本功能加以变通运用,还可以派生出一些其它功能,如测取频率和功率因数。我们在该仪器中采用了CS5460作为其核心。

　　图3是多功能电量检测仪的硬件框图。

　　该仪器由互感器电路及流/压变换电路将回路的电压、电流信号分别变换为最大有效值为150mV和30mV(将CS5460电流通道的PGA增益设为50)的小电压信号。CS5460测取电压有效值、电流有效值、有功功率、电能、电压瞬时值后,由单片机进行数据处理。该仪器中的EEPROM存有各个电量的系数(从CS5460读取的数据乘以系数才是最终结果)以及校验电能表时设定的转盘圈数和电能表常数。电源芯片MAX756提供+5V的仪器工作电压。

　　在该仪器中,将CS5460的工作时钟MCLK选定为4.096MHz,分频系数K设为1,循环计数寄存器的N值设为4000,则一个基本的计算周期为1024×N)/(MCLK/K)=1s。

5.2 运用CS5460测取各电量的方案

5.2.1 电压有效值、电流有效值、有功功率、功率因数的测量

　　电压、电流有效值可直接从电压有效值寄存器、电流有效值寄存器中读取。而由于计算周期设为1s,电能寄存器中的电能值即为有功功率值,因此有功功率值可直接从电能寄存器中读出。功率因数可由公式COSΦ=P/(UI)得出。

5.2.2 频率的测量

　　将循环计数寄存器的N值改设为1,此时电压、电流瞬时值数据的刷新率为4000Hz,这就为通过软件进行信号过零判断创造了条件。频率测量的具体方法是:通过一个过零函数来记录电压信号正向过零次数,并同时记下读取数据次数,如果取10个周期的平均时间为实测周期时间,那么当记到第11次正向过零时,就停下来算出每个周期内读取数据次数,默认两次读取数据的时间差为250μs,便可算出频率。

5.2.3 电能累计值的测量

　　电能表误差的计算公式如下:

　　其中,E为电能表转盘转过设定圈数所用时间(靠两次按键来确定)中的电能累计值,单位为焦耳。将循环计数寄存器的N值改设为40,则此时电能寄存器数据刷新周期为10ms,即可以每10ms从电能寄存器中读取数据并在单片机中累加。由于一次按键的时间为20～30ms，并考虑到人为因素造成的计时误差,则因电能寄存器数据刷新时间间隔所引起的计时误差是可以忽略的。

　　本文介绍的以CS5460为核心的多功能电量检测仪已于2000年6月通过陕西省计量局的技术鉴定,其电压、电流、有功功率、电能的测量精度均达到0.2级标准,频率测量误差小于0.02Hz,完全能满足现场应用要求。

参考文献

1 Single Phase Bi-Directional Power/Energy IC-CS5460.Preliminary Product Information.APR’99DS279PP3,In

ternet网址:http：//www.crystal.com

2 张志伟.电测新技术及其发展.电测与仪表,1997(9)

3 中华人民共和国电力标准DL/T585—95