用CS5460和μPD75P3116实现功率和电能计量

1 CS5460功能简介

CS5460是在一个芯片上包含2个△∑模拟一数字转换器(ADC)、高速电能计算功能和一个串行接口的高度集成的△∑模拟一数字转换器。他可以测量瞬时电压、瞬时电流、瞬时功率等；他还具有与单片机通讯的双向串口。上电后CS5460可被初始化并可执行全部功能，包括在用户程序控制下的系统校准。

1．1 结构

CS5460的结构如图1所示。其中IN十，IN一为模拟电流输入通道；VIN+，VIN一为模拟电压输入通道输；而为了和输入电压的不同量级匹配，电流通道还集成有一个增益可编程放大器(PGA)，使输入信号的满量程范围可选择；2个△∑模拟一数字转换器对系统采样的信号进行模一数转换；2个数字高速滤波器以(MCLK／K)／1024的字输出速率输出数据；2个高通滤波器可以在能量计算前将输入信号的直流分量滤除；校准单元实现对模拟输入通道的校准；功率计算单元用于计算瞬时功率和电压电流有效值等。串行接口(Serial Interface)单元提供了CS5460与外部的数据通讯接口。

1．2 工作原理

CS5460是具有能量计算引肇的CMOS单片功率测量芯片。电压模拟信号由VIN+，VIN一输入后由△∑模拟一数字转换器进行转换，转换后的信号经高速滤波器及高通滤波器后送人功率计算器。电流模拟信号由VIN+，VIN一输人后由△∑模拟一数字转换器进行转换，转换后的信号经高速滤波器及高通滤波器后送人功率计算器。功率计算器将两路信号进行处理运算后输出测量到的电压、电流、功率等。所有这些数据由串行接口和单片机进行数据交换。

1．2．1 模拟信号输入

采样部分的外部电路与CS5460的接口如图2所示。

采样电路是实现测量瞬时电压、瞬时电流、瞬时功率的基础。各电阻和电容不但要求高，而且其作用也不相同。电路中的RPl用于在出现浪涌电流时对电流通道的输入管脚进行限流保护；在VlN+脚不需要保护电阻是因为采用了电阻分压器作为传感器，电阻分压器串联的电阻已被引到VIN+脚，如果CS5460电压输入通道的负端没有接地(VIN+和VIN一接成差分输入方式)在信号的输入端加保护电阻是非常必要的。CPl和CP2的作用是吸收耦合到输入线路中的高频噪声。

各电阻和电容应终保证电压通道输入的信号满量程幅值为150mV，而电流通道输入的信号满量程幅值为30mV或150mV可选择(通过增益可编程放大器由程序实现)。

1．2．2 校 准

对输入通道的校准，主要有图3所示的几个软件校准过程。

采样通道全部的校准过程均通过计算机校准软件进行，应按顺序由图3中自左向右依次校准。校准完成后可通过用更别的校验设备来做比对，来保证所测量数据的。

1．2．3 运算处理

电压和电流通道输人的信号被校准后送到功率计算单元，由测得的电压和电流计算出功率。同时还由测得的瞬时电压和瞬时电流计算出电压和电流的有效值。

2 系统硬件设计

本系统由CS5460实现瞬时电压、瞬时电流、瞬时功率的测量，由单片机μPD75P3116实现电能计量及其他功能，接口电路如图4所示。

CS5460的串行接口包括4个控制线即：CS，SDI，SDO和SCLK。CS为片选信号，是允许访问串口的控制线，低电平有效，高电平时SDO端呈高阻状态；SDI为串行数据输入端，用来把从单片机的数据传输到CS5460；SDO为串行数据输出端，用来将数据输出到单片机；SCLK是控制数据输入或输出的串行位时钟，在SCLK的电平转换能被端口识别之前CS必须被置为逻辑低电平。单片机就是通过这4条控制线来实现与CS5460的数据交换。

单片机从CS5460中读取的瞬时电压、瞬时电流和瞬时功率等数据经处理后存在存储器内，上电后单片机从存储器内读数据到内存中。所有这些数据可以通过外部通讯接口由上位机读出，也可以由液晶显示器上方便地查询。

为了保证系统运行的安全可靠，在系统中加入"看门狗"电路。由CMOS元件HCF4060和部分分立元件组成的"看门狗"电路，其成本低、使用简单、稳定可靠。当程序运行出错或进入死循环时，可保证系统快速安全可靠地复位。

3 系统软件设计

根据设计电路编写程序，其流程图如图5所示。

程序开始运行时，先启动看门狗电路，然后测试存储器。如果测试不成功则重新测试，若成功则读CS5460。将所读数据处理后，将瞬时电压、瞬时电流、瞬时功率、累计电能和电压、电流有效值显示在液晶显示器上。

4 结 语

这种利用CS5460和t~PD75P3116实现功率和电能计量的方法，以操作简单、使用方便、性能价格比高等特点受到了广大设计开发部门的青睐，有很好的市场前景。目前，我公司已根据这一方法研制出了单相电子表、三相多功能电子表以及单相现场校验仪等产品，已被电力部门广泛使用。