摘? 要: 介紹了德國(guó)CIRRUS LOGIC公司推出的電子式電能表專(zhuān)用芯片CS5460的特點(diǎn)、控制方式、與輸入信號(hào)及微控制器的接口及其在電測(cè)儀表中的應(yīng)用。
關(guān)鍵詞: 電子式電能表? 專(zhuān)用芯片CS5460? 微控制器? 電測(cè)儀表
?
近年來(lái),電子式電能表在國(guó)際、國(guó)內(nèi)得到了迅速推廣。國(guó)外許多IC廠家不失時(shí)機(jī)地推出了各種電子式電能表專(zhuān)用芯片。目前,國(guó)內(nèi)較為常用的單相電子式電能表芯片有德國(guó)CIRRUS LOGIC公司的CS5460、美國(guó)AD公司的AD7751和AD7755;三相電子式電能表專(zhuān)用芯片有美國(guó)ATMEL公司的AT73C500+AT73C501(AT73C502)等。它們的共同特點(diǎn)是:①高度集成(集成了ADC、電壓基準(zhǔn)、功率計(jì)算模塊);高精度(測(cè)量誤差大多小于0.3%);②易接口(易于與微控制器或步進(jìn)電機(jī)接口)。這些芯片為設(shè)計(jì)低成本、高性能的電子式電能表提供了非常理想的解決方案。
值得注意的是,在這些專(zhuān)用芯片中,有一些不僅能夠測(cè)量功率、電能,而且能夠測(cè)量電壓、電流等其它電量,如CS5460、AT73C500+AT73C501(AT73C502)等。而許多電測(cè)儀表功能的實(shí)現(xiàn)都是以測(cè)量功率、電能、電壓、電流為基礎(chǔ)的,如電力設(shè)備交流阻抗測(cè)試儀、電力變壓器綜合參數(shù)測(cè)試儀等。因此,如果拓展思路,將這些電子式電能表專(zhuān)用芯片用于電測(cè)儀表產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)中,不僅可以縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期,而且能大大提高產(chǎn)品的性能。筆者就運(yùn)用CS5460成功地開(kāi)發(fā)出了多功能電量監(jiān)測(cè)儀。
1 CS5460的特點(diǎn)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)
1.1? CS5460主要特點(diǎn)
· 符合IEC521/1036、JIS工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)
· 能夠測(cè)量瞬時(shí)電壓、瞬時(shí)電流、瞬時(shí)功率、電能、電壓有效值和電流有效值;能完成電能/脈沖轉(zhuǎn)換
· 電能測(cè)量精度:0.1%
· 具有相位補(bǔ)償和系統(tǒng)校準(zhǔn)功能
· 具有2.5V片內(nèi)電壓基準(zhǔn)(溫漂 60ppm/°C)
· 功率消耗<12mW
· 電源配置:
??? VA+=+5V,VA-=0V;VD+=+3V～+5V
??? 或? VA+=+2.5V，VA-=-2.5V;VD+=+3V?
1.2? CS5460的內(nèi)部組成模塊如下:
· 一個(gè)電流通道可編程增益放大器，其增益為10和50可選
????·一個(gè)電壓通道固定增益放大器,其增益為10
·兩個(gè)同時(shí)采樣的Σ-Δ模/數(shù)轉(zhuǎn)換器
·兩個(gè)高速數(shù)字濾波器
·兩個(gè)可選用的高通濾波器
·一個(gè)功率計(jì)算引擎
·一個(gè)2.5V片內(nèi)電壓基準(zhǔn)
·一個(gè)可以檢測(cè)電力不足或電源故障的電源監(jiān)視器
· 一個(gè)持續(xù)監(jiān)視串口通訊的看門(mén)狗
· 一個(gè)2.5MHz～20MHz可選的內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器
· 一個(gè)雙向串行接口
· 一個(gè)電能/脈沖變換器
????· 一個(gè)校準(zhǔn)用SRAM
2 CS5460的功能控制和測(cè)量數(shù)據(jù)輸出方式
2.1 CS5460的功能控制
CS5460的功能控制是通過(guò)寫(xiě)命令字的方式實(shí)現(xiàn)的。這些8位長(zhǎng)度的命令字包括“啟動(dòng)轉(zhuǎn)換”、“同步調(diào)整”、“上電/暫?？刂啤?、“掉電控制”、“校準(zhǔn)控制”和“寄存器讀/寫(xiě)” 等命令。CS5460內(nèi)部有16個(gè)24位長(zhǎng)度的用戶(hù)可訪問(wèn)的寄存器。對(duì)這些寄存器的訪問(wèn)是根據(jù)填寫(xiě)在“寄存器讀/寫(xiě)”命令中的地址進(jìn)行的。這些寄存器包括“基本配置”、“電流、電壓偏移校準(zhǔn)”、“電流、電壓增益校準(zhǔn)”、“循環(huán)計(jì)數(shù)值N”、“電能/脈沖轉(zhuǎn)換尺度”、“前次轉(zhuǎn)換的電流、電壓、功率瞬時(shí)值”、“前個(gè)計(jì)算周期的電能、電流有效值、電壓有效值”、“時(shí)基校準(zhǔn)”、“狀態(tài)”、“中斷屏蔽”等寄存器。
2.2 CS5460的測(cè)量數(shù)據(jù)輸出方式
在CS5460接收到“啟動(dòng)轉(zhuǎn)換”命令(設(shè)置為多計(jì)算循環(huán)方式)后,電能寄存器和電壓、電流有效值寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù),每N(N值在循環(huán)計(jì)數(shù)寄存器中設(shè)置)次A/D轉(zhuǎn)換(等于一個(gè)計(jì)算周期)完畢后更新一次。而電壓、電流、功率瞬時(shí)值寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù),則每一次A/D轉(zhuǎn)換完畢后便更新一次。應(yīng)當(dāng)注意的是:CS5460的狀態(tài)寄存器中的“DRDY”(數(shù)據(jù)有效)位,在每個(gè)計(jì)算周期(N次A/D轉(zhuǎn)換完畢)后才置位,同時(shí)在/INT引腳產(chǎn)生中斷信號(hào)(當(dāng)屏蔽寄存器的“DRDY”位未被屏蔽時(shí)),所以若讓電壓、電流、功率的瞬時(shí)值數(shù)據(jù)每更新一次就產(chǎn)生一個(gè)中斷請(qǐng)求,需將循環(huán)計(jì)數(shù)寄存器的值N設(shè)為1。微控制器進(jìn)行中斷處理的一般過(guò)程是:讀CS5460狀態(tài)寄存器→屏蔽中斷→進(jìn)行中斷服務(wù)處理→將步驟一讀出的值寫(xiě)回CS5460狀態(tài)寄存器(清狀態(tài)位)→開(kāi)中斷→返回。
3 CS5460的模擬信號(hào)輸入電路
CS5460的電流通道可與低功耗分流器或互感器接口;電壓通道可與阻性分壓器或互感器接口。其電流通道的可編程增益放大器(PGA)的增益可設(shè)為10和50,分別對(duì)應(yīng)于最大有效值為150mV和30mV的交流信號(hào)輸入;電壓通道的最大有效值輸入為150mV。由于CS5460的Σ-Δ型模/數(shù)轉(zhuǎn)換器采用過(guò)采樣原理,對(duì)高頻噪聲有較強(qiáng)的抑制作用,因而對(duì)輸入信號(hào)無(wú)需進(jìn)行復(fù)雜的濾波處理(引入阻容濾波電路反而容易引起相移)。
圖1是筆者在課題中采用的模擬信號(hào)輸入電路。在圖1中,PT為變比1：1的電流型電壓互感器,CT為變比2000：1的電流互感器。取樣電阻R1、R2、R5、R6的阻值由被測(cè)信號(hào)的最大值決定。經(jīng)變換后的被測(cè)信號(hào)以差模電壓的形式接到CS5460的模擬信號(hào)輸入端。由于互感器角差的影響,可能造成輸入信號(hào)的相移,使功率測(cè)量的誤差增大。而CS5460具有相位補(bǔ)償功能(可進(jìn)行-2.4°至+2.5°的相位補(bǔ)償,步進(jìn)0.34°),可以大大減小互感器角差的影響。
4 CS5460與微控制器的接口及編程
CS5460有四條串行接口線:/CS、SDI、SDO和SCLK。/CS為片選控制線,低電平有效;SDI為串行數(shù)據(jù)輸入線;SDO為串行數(shù)據(jù)輸出線;SCLK為串行時(shí)鐘,用于控制CS5460與微控制器之間數(shù)據(jù)傳輸同步。
每次數(shù)據(jù)讀/寫(xiě)操作都要通過(guò)SDI引腳寫(xiě)入一個(gè)8位的命令字節(jié),該操作需要8個(gè)SCLK時(shí)鐘周期。如果寫(xiě)入的是“寄存器讀/寫(xiě)”命令,那么接下來(lái)應(yīng)通過(guò)SDI引腳寫(xiě)入24位數(shù)據(jù)或通過(guò)SDO引腳輸出8、16、24位數(shù)據(jù)。SCLK時(shí)鐘周期的個(gè)數(shù)由數(shù)據(jù)位數(shù)決定。應(yīng)當(dāng)注意的是,在通過(guò) SDO引腳讀取數(shù)據(jù)的時(shí)候,必須同時(shí)向SDI引腳寫(xiě)入與8、16、24位數(shù)據(jù)大小相對(duì)應(yīng)的1、2、3個(gè)空操作(NOP)命令字節(jié)(0xFE)。
圖2是筆者在課題中使用的CS5460與MCS51系列單片機(jī)的接口原理圖。
?
下面是與此接口方式相對(duì)應(yīng)的寫(xiě)命令字、寫(xiě)寄存器和讀寄存器操作的51匯編指令。
;SDI??? BIT?? P1.0
;SDO? BIT?? P1.1
;SCLK???BIT?? P1.2
RD_REG：????????? ;讀寄存器程序入口
;????? IN： A? ?? 存放“讀寄存器”命令字
;????? OUT： 32H? 存放讀出數(shù)據(jù)高字節(jié)
;????????????31H? 存放讀出數(shù)據(jù)中字節(jié)
????;????????????30H? 存放讀出數(shù)據(jù)低字節(jié)
???????????????
???? 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：?????????? ;寫(xiě)寄存器程序入口?
;IN： A??????? 存放“寫(xiě)寄存器”命令字?
;?? 32H??????? 存放寫(xiě)入數(shù)據(jù)高字節(jié)?
;?? 31H??????? 存放寫(xiě)入數(shù)據(jù)中字節(jié)?
;?? 30H??????? 存放寫(xiě)入數(shù)據(jù)低字節(jié)???? ?
?????????????????? 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：????????? ;寫(xiě)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在多功能電量檢測(cè)儀中的應(yīng)用
5.1? 多功能電量檢測(cè)儀簡(jiǎn)介??
多功能電量檢測(cè)儀是筆者研制的供電部門(mén)工作人員使用的便攜式儀器,它能在不斷電不拆線的情況下現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)單相機(jī)械式電能表的精度,同時(shí)還能檢測(cè)回路的電壓、電流、有功功率、功率因數(shù)和頻率,是進(jìn)行用電監(jiān)察、供電質(zhì)量監(jiān)測(cè)的理想工具?？紤]到CS5460的基本功能與該儀器的功能有許多相似之處,如測(cè)量電壓有效值、電流有效值、有功功率和電能,而且將CS5460的基本功能加以變通運(yùn)用,還可以派生出一些其它功能,如測(cè)取頻率和功率因數(shù)。我們?cè)谠搩x器中采用了CS5460作為其核心。
圖3是多功能電量檢測(cè)儀的硬件框圖。
?
?
該儀器由互感器電路及流/壓變換電路將回路的電壓、電流信號(hào)分別變換為最大有效值為150mV和30mV(將CS5460電流通道的PGA增益設(shè)為50)的小電壓信號(hào)。CS5460測(cè)取電壓有效值、電流有效值、有功功率、電能、電壓瞬時(shí)值后,由單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。該儀器中的EEPROM存有各個(gè)電量的系數(shù)(從CS5460讀取的數(shù)據(jù)乘以系數(shù)才是最終結(jié)果)以及校驗(yàn)電能表時(shí)設(shè)定的轉(zhuǎn)盤(pán)圈數(shù)和電能表常數(shù)。電源芯片MAX756提供+5V的儀器工作電壓。
在該儀器中,將CS5460的工作時(shí)鐘MCLK選定為4.096MHz,分頻系數(shù)K設(shè)為1,循環(huán)計(jì)數(shù)寄存器的N值設(shè)為4000,則一個(gè)基本的計(jì)算周期為1024×N)/(MCLK/K)=1s。
5.2? 運(yùn)用CS5460測(cè)取各電量的方案
5.2.1 電壓有效值、電流有效值、有功功率、功率因數(shù)的測(cè)量
電壓、電流有效值可直接從電壓有效值寄存器、電流有效值寄存器中讀取。而由于計(jì)算周期設(shè)為1s,電能寄存器中的電能值即為有功功率值,因此有功功率值可直接從電能寄存器中讀出。功率因數(shù)可由公式COSΦ=P/(UI)得出。
5.2.2? 頻率的測(cè)量
將循環(huán)計(jì)數(shù)寄存器的N值改設(shè)為1,此時(shí)電壓、電流瞬時(shí)值數(shù)據(jù)的刷新率為4000Hz,這就為通過(guò)軟件進(jìn)行信號(hào)過(guò)零判斷創(chuàng)造了條件。頻率測(cè)量的具體方法是:通過(guò)一個(gè)過(guò)零函數(shù)來(lái)記錄電壓信號(hào)正向過(guò)零次數(shù),并同時(shí)記下讀取數(shù)據(jù)次數(shù),如果取10個(gè)周期的平均時(shí)間為實(shí)測(cè)周期時(shí)間,那么當(dāng)記到第11次正向過(guò)零時(shí),就停下來(lái)算出每個(gè)周期內(nèi)讀取數(shù)據(jù)次數(shù),默認(rèn)兩次讀取數(shù)據(jù)的時(shí)間差為250μs,便可算出頻率。
5.2.3 電能累計(jì)值的測(cè)量
電能表誤差的計(jì)算公式如下:
其中,E為電能表轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)過(guò)設(shè)定圈數(shù)所用時(shí)間(靠?jī)纱伟存I來(lái)確定)中的電能累計(jì)值,單位為焦耳。將循環(huán)計(jì)數(shù)寄存器的N值改設(shè)為40,則此時(shí)電能寄存器數(shù)據(jù)刷新周期為10ms,即可以每10ms從電能寄存器中讀取數(shù)據(jù)并在單片機(jī)中累加。由于一次按鍵的時(shí)間為20～30ms，并考慮到人為因素造成的計(jì)時(shí)誤差,則因電能寄存器數(shù)據(jù)刷新時(shí)間間隔所引起的計(jì)時(shí)誤差是可以忽略的。
本文介紹的以CS5460為核心的多功能電量檢測(cè)儀已于2000年6月通過(guò)陜西省計(jì)量局的技術(shù)鑒定,其電壓、電流、有功功率、電能的測(cè)量精度均達(dá)到0.2級(jí)標(biāo)準(zhǔn),頻率測(cè)量誤差小于0.02Hz,完全能滿足現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用要求。
?
參考文獻(xiàn)
1 Single Phase Bi-Directional Power/Energy IC-CS5460.Preliminary Product Information.APR’99DS279PP3,In
ternet網(wǎng)址:http：//www.crystal.com
2 張志偉.電測(cè)新技術(shù)及其發(fā)展.電測(cè)與儀表,1997(9)
3 中華人民共和國(guó)電力標(biāo)準(zhǔn)DL/T585—95