CS5460A芯片的電網電流表設計

概述

傳統的電網電流表一般都采用指針式表頭，且都存在著測量范圍小，穩定性差，精度低，表頭指針指示不便于讀數且誤差大等缺點，已經不適應社會發展的需要。而隨著智能化測控技術的迅速發展．以單片機為核心的數字電表的優勢已十分明顯。為此，本文采用單片機作為儀表的主控制器，并用Cirrus Logic公司的電能計量芯片負責采集數據，給出了一款性價比高、抗干擾能力強、測量精度很的電網電流表的設計方法。

1 系統工作原理

在工業生產和日常生活中，準確、實時的測量電網電流是必不可少的。本文采用開關穩壓電源將220 V交流市電整流穩壓為模擬、數字兩路+5 V電源，來為整個電表電路供電。然后通過電流互感器檢測電流信號，再將其轉換為電壓信號，并送入單相功率／電能集成芯片CS5460A內，同時在片內完成信號的采樣、計算和誤差校正。整個過程可在MCU控制下進行。該儀表系統的工作原理及結構框圖如圖1所示。



本系統中的開關穩壓電源具有功耗小、穩壓范圍寬、體積小、重量輕、安全可靠等優點。由于系統檢測電路部分要用到CS5460A，因此，為了避免模數間的干擾，該開關穩壓電源部分需要有兩路+5 V輸出。

2 基于CS5460A的電流檢測電路

系統中的電流檢測電路是該電流表設計的核心部分．其主要功能是在AT89C52的控制下由CS5460A檢測電流信號并輸出瞬時值給單片機，本電路選用X5045來存放標準校正值。以供單片機隨時校準電流值。檢測電路中的主要器件有電流互感器、CS5460A、AT89C52、X5045等。

2．1 CS5460A功能概述

CS5460A是一個包含有兩個△∑模一數轉換器(ADC)、高速電能計算功能和一個串行接口的高集成△∑模一數轉換器。它可以精確測量和計算有功電能、瞬時功率、IRMS和VRMS，可用于研制開發單相二線或三線電表。CS5460A可以使用低成本的分流器或電流互感器來測量電流，而使用分壓電阻或電壓互感器測量電壓。CS5460A具有與微控制器通訊的雙向串口。芯片的脈沖輸出頻率與有功能量成正比。此外，CS5460A還具有方便的片上AC／DC系統校準功能。“自引導”的特點使CS5460A能獨自工作，可在系統上電后自動初始化。在自引導模式，CS5460A可從一個外部：EEPROM中讀取校準數據和啟動指令。使用該模式時，CS5460A在工作時不需要外加微控制器，因此，當電表用于大批量住宅電能測量時，可降低電表的成本。

CS5460A可以提供瞬時電壓／電流，功率數據采樣以及有功能量、IRMS、VRMS的周期計算結果。為適應低價測量應用，CS5460A也能在給定引腳上輸出脈沖串，其輸出的脈沖數與有功能量寄存器的數值成正比。同時，CS5460A還專為功率測量進行了優化，非常適合與分流器或電流互感器相連來測量電流：或與分壓電阻或電壓互感器相連來測量電壓。為適應不同電平的輸入電壓，其電流通道集成有一個增益可編程的放大器(PGA)，從而使輸入電平滿量程可選擇為±250 mVRMS或±50 mV RMS。電壓通道的PGA可適應±250mV的輸入電壓范圍。對于VA+和VA-兩端接單+5V電源的情況．兩個通道的差模輸入引腳間所加的共模信號電壓為-0．25 V到+5 V。另外，設計時可以在某一個信道或兩個信道實現雙端差模輸入，此時，輸入信號的共模電壓加在AGND上。

CS5460A每通道都有一個高速數字濾波器，可將兩個△∑調制器的輸出衰減10倍并積分。濾波器以(MCLK／K)／1024的字輸出速率(OWR)輸出24位數據。為了方便與外部微控制器的通訊，CS5460A還集成有一個簡單的三線串行接口，該串口與SPPM和MicrowireTM標準兼容。串口的串行時鐘(SCL)和RESET引腳內包含的一個施密特觸發器，允許使用上升速度較慢的信號。

CS5460A特性如下：

電能數據的線性度在1000∶1動態范圍內為±0．1％：

片內可以測量電能(有功)、I*V、IRMS和VRMS，并具有電能一脈沖轉換功能；

可以從串行EEPROM智能“自引導”，不需要微控制器：

可AC或DC系統校準：

具有機械計度器／步進電機驅動器：

符合IEC687／1036，JIS工業標準；

功耗<12mW：

帶有優化的分流器接口：

具有V對I的相位補償：

單電源地參考信號

片內帶有2．5 V參考電壓(最大溫漂60ppm／℃)；

有簡單的三線數字符串行接口和看門狗定時器：

內帶電源監視器：

電源配置為VA+=+5 V；VA-=0V；VD+=+3．3V～+5 V

圖2所示為CS5460A在單電源單相二線系統的功率測量方案電路圖。該電路可用監控電源線電流的電阻分流器聯接在電源的火線端。



2．2電流檢測電路

通過電流互感器可獲取高壓電路的互感電流。采用電流互感器這種形式的主要優點在于可實現高壓與低壓的隔離。圖3所示是本系統的電流檢測電路。由于CS5460A的電流檢測實際上是將電流信號轉變為電壓信號后的電壓檢測，所以，圖2電路中由R1、R2將互感電流轉變為電壓信號，再通過R3、R4限流和C3、C4濾波后輸入到CS5460A的電流檢測管腳(16、15)。另外，在兩路輸入中。還分別使用二極管進行電壓嵌位，以避免電壓過高時損壞CS5460A。CS5460A的3、14腳分別為模擬、數字+5 V電源。同時為了濾除電壓波動，增加電源的穩定性，可在兩路電源輸入端分別加一小濾波電容。由于此為電流檢測。所以電壓檢測的兩輸入腳9、10(為了避免干擾)也應接模擬地。另外，將13腳VA接模擬地，4腳DGND接數字地，模擬地和數字地之間用電感連接。1、24(XOUT，XIN)兩腳接4．096 MHz的晶振。以用過程控制CS5460A自動完成輸入信號的檢測，并通過6腳SDO輸出數據；同時分別由5腳SCLK、7腳CS、19腳R＼E＼S＼、20腳I＼N＼T、23腳SDI輸出單片機的時鐘脈沖、片選信號、復位信號、中斷信號和單片機對CS5460A的控制信號。由于CS5460A可以完成對模擬信號的檢測并以數字信號輸出檢測值．即一個芯片同時有模擬、數圖3 系統電流檢測電路字兩種信號，因此，它需要模擬數字兩路電源；同時。其需要接地的管腳一定要正確接相應的地，不然將會引入很大的干擾。



3 控制電路

本儀表由AT89C52控制CS5460A的檢測過程和顯示數值，其控制電路如圖4所示。電路上電以后，可通過撥碼開關對電路進行初始化，并通過撥碼開關輸入單片機要初始化的電量的代碼，然后由單片機根據設定好的編碼規則向CS5460A發出相應的指令，CS5460A則根據單片機發來的指令將相應的要初始化的電量的標準校準值傳給單片機．此后單片機再將此數據傳給X5045并存儲在其中，以供CS5460A復位時再次獲得校準值，并供單片機用于隨時校準檢測值．這種方式可以大大提高精度。



4 顯示電路

本儀表系統采用七段LED顯示。移位寄存器74HCl64的時鐘信號由單片機的2腳P1．1／T2EX提供，并從單片機的P1．3引腳輸出數據信號(先輸出低位，后輸出高位)。數據首先傳輸到對應顯示高位數碼管的74HCl64，每當到來一個時鐘脈沖時，數據便移位一次，這樣，經過一個周期，數據就能夠全部傳輸到其對應各位的74HCl64，最后由各位數碼管鎖存并顯示出來。

5 軟件設計

基于CS5460A的電網電流表的軟件設計主要是系統初始化、測量子程序和顯示子程序的設計。圖5所示是其幾個子程序的軟件流程圖。



6 結束語

本文給出了一款新型民用電流表的設計方案，詳細說明了電表的工作原理和設計思想，重點介紹了電流檢測電路的原理和實現電路，并給出了程序設計流程圖。經使用證明，該電流表具有可靠性好，成本低，精度高，實用性強等優點。此外，還可以針對不同用戶的需求，進一步增強防雷保護措施等。