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1、电子式电能表专用芯片CS5460及其在电测仪表中的应用电子式电能表专用芯片CS5460及其在电测仪表中的应用hanjuan导语：介绍了德国CIRRUSLOGIC公司推出的电子式电能表专用芯片CS5460的特点、控制方式、与输入信号微控制器的接口及其在电测仪表中的应用。摘要：介绍了德国CIRRUSLOGIC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。国外很多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
2、电子式电能表芯片有德国CIRRUSLOGIC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+AT73C501AT73C502等。它们的共同特点是：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%;易接口易于与微控制器或者步进电机接口。这些芯片为设计低本钱、高性能的电子式电能表提供了非常理想的解决方案。值得留意的是,在这些专用芯片中,有一些不仅可以测量功率、电能,而且可以测量电压、电流等其它电量,如CS5460、AT73C500+AT73C501AT73C502等。而很多电测仪表功能的实现都
3、是以测量功率、电能、电压、电流为根底的,如电力设备沟通阻抗测试仪、电力变压器综合参数测试仪等。因此,假如拓展思路,将这些电子式电能表专用芯片用于测仪表产品的开发中,不仅可以缩短产品开发周期,而且能大大进步产品的性能。笔者就运用CS5460成功地开发出了多功能电量监测仪。1CS5460的特点和内部构造1.1CS5460主要特点符合IEC521/1036、JIS工业标准可以测量瞬时电压、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/功率消耗图1是笔者在课题中采用的模拟信号输入电流。在图1
4、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。经变换后的补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展-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。4CS5460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CS546
5、0与微控制器之间数据传输同步。每次数据读/写操纵都要通过SDI引脚写入一个8位的命令字节,该操纵需要8个SCLK时钟周期。假如写入的是“存放器读/写命令,那么接下来应通过SDI引脚写入24位数据或者通过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。应当留意的是,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个空操纵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、写存放器和读存放器操纵的51汇编指令。;SDIBITP1.0;SDOB
6、ITP1.1;SCLKBITP1.2RD_REG：;读存放器程序入口;IN：A存放“读存放器命令字;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LCALLSET_COMMOVR2,#32HMOVR3,#03HRDLP1：MOVR4,#08HMOVR0,#0FEHRDLP2：CLRSCLKNOPMOVC,SDORLCAMOVR1,AMOVA,R0RLCAMOVR0,AMOVSDI,CSETBSCLKMOVA,R1DJNZR4,RDLP2MOVR2,ADECR2DJNZR3,RDLP1SJMPCOM_ENDWR_REG：;写存放器程序入口;IN：A存放“写存
7、放器命令字;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LCALLSET_COMMOVR2,#32HMOVR3,#03HRWLP1：MOVR4,#08HMOVA,R2RWLP2：RLCAMOVSDI,CCLRSCLKNOPSETBSCLKDJNZR4,RWLP2DECR2DJNZR3,RWLP1SJMPCOM_ENDSET_COM：;写命令字程序入口;IN：A存放命令字MOVR4,#08HCOMLP1：RLCAMOVSDI,CCLRSCLKNOPSETBSCLKDJNZR4,COMLP1COM_END：RET5CS5460在多功能电量检测仪中的应用5.1多功能电
8、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,是进展用电监察、供电质量监测的理想工具。考虑到CS5460的根本功能与该仪器的功能有很多相似之处,如测量电压有效值、电流有效值、有功功率和电能,而且将CS5460的根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
9、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,出单片机进展数据处理。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AMX756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,循环计数存放器的N值设为4000,那么一个根本的计算周期为1024N/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
10、流有效值可直接从电压有效值存放器、电流有效值存放器中读取。而由于计算周期设为1s,电能存放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存放器中读出。功率因数可由公式COS=P/UI得出。5.2.2频率的测量将循环计数存放器的N值改变为1,此时电压、电流瞬时值数据的刷新率为4000Hz,这就为通过软件进展信号过零判定创造了条件。频率测量的详细方法是：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,假如取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,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250,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。将循环计数存放器的N值改设为40,那么此时电能存放器数据刷新周期为10ms,即可以每10ms从电能存放器中读取数据并在单片机中累加。由于一次按键的时间为2030ms,并考虑到人为因素造成的计时误差,那么因电能存放器数据刷新时间间隔所引起的计数误差是可以忽略的。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、电能的测量精度均到达0.2级标准,频率测量误差小于0.02Hz,完全能知足现场应用要求。0