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1 引 言 CS5460A是美國CRYSTAL公司最新推出的帶有串行接口的單相雙向功率／電能計量集成電路芯片，現主要應用在單相電子式電能表和三相電子式電能表中。該芯片的性能優于其它計量芯片，主要表現在： ·可測量瞬時電流、瞬時電壓、瞬時功率、電流有效值、電壓有效值、功率有效值和電能計量； ·具有片內看門狗定時器（Watch Dog Timer）與內部電源監視器； ·雙向串行接口與內部寄存器陣列可以方便地與微處理器相連接； ·具有機械計度器／步進馬達驅動器； ·片內2．5V參考電壓； ·外部時鐘最高頻率可達20MHz； ·具有功率方向輸出指示； ·提供了外部復位引腳。 2 技術特性 CS5460A是一個包含兩個△-Σ模－數轉換器（ADC）、一個串行接口的具有高速電能計量功能的高度集成△Σ模－數轉換器。CS5460A具有與微控制器通訊的雙向串口和與能量成正比的頻率可編程的脈沖輸出。CS5460具有方便的片上AC／DC系統校準功能。CS5460A能獨自工作，在系統上電后自動初始化。芯片內結構見圖1，引腳功能如下： 
1腳XOUT：晶體振蕩器輸出。 24腳XIN：晶體振蕩器輸入。XOUT，XIN——芯片內的一個門電路與這些引腳相連，可連接晶體為芯片提供系統時鐘。另外，也可以有外部時鐘（與CMOS時鐘兼容）驅動引腳XIN，為芯片提供系統時鐘。 2腳CPUCLK：CPU時鐘輸出。CPUCLK——片上振蕩器的輸出，可以驅動一個標準的CMOS負荷。 3腳VD＋：數字電路電源正極。以DGND為參考，一般為＋5V±10％。 4腳DGND：數字地。數字接地，與VA－具有相同的電平。 5腳SCLK：串行時鐘輸入。該腳確定SDI和SDO引腳的輸入和輸出速率。此輸入具有一個允許使用邊沿緩慢的信號的施密特觸發器。只有當CS低時，SCLK引腳才識別時鐘。 6腳SDO：串行數據輸出。SDO是串行數據端口的輸出引腳，當CS高時，其輸出將處于高阻抗狀態。 7腳CS：片選。當處于低電平時，端口可以識別SCLK。該腳高電平狀態使SDO引腳處于高阻抗狀態。CS應在SCLK處于低電平時改變狀態。 8腳MODE：模式選擇。當處于高電平時CS5460A開始執行自導入序列，從外接EEPROM讀取命令和設置。當處于低電平時CS5460運行在常規命令模式。引腳不連接時下拉為邏輯低電平。 9腳VIN＋：差分電壓正輸入端。 10腳VIN－：差分電壓負輸入端。VIN＋、VIN－—電壓通道的差分模擬輸入引腳。 11腳VREFOUT：參考電壓輸出。芯片上的參考電壓由該引腳輸出，參考電壓的標稱值為2．5V（以VA－引腳為參考）。 12腳VREFIN：參考電壓輸入。該引腳輸入的電壓給芯片上的調制器提供參考電壓。 13腳VA－：模擬地負極。負模擬電源引腳，必須具有最低的電壓。 14腳VA＋：模擬電源正極。以VA－為參考，通常為＋5V±10％。 15腳IIN－：差分電流負輸入端。 16腳IIN＋：差分電流正輸入端。IIN－、IIN＋為電流通道的差分模擬輸入引腳。 17腳PFMON：電源掉電監視輸出。PFMON——掉電監視器，用來監視模擬電源，相對于VA－引腳的典型閥值電平為2．5V，具有＋／－50mV的滯環。如果PFMON的電壓低于閥值，則狀態寄存器的LSD（低電源檢測）位將被置位。 18腳NC：空腳。該引腳保持懸浮態。 19腳RESET：復位輸入。RESET——當復位引腳為低電平時，所有內部寄存器都被設置為缺省值。 20腳INT：中斷輸出。當INT變低時，表明一個允許的事件已發生。可以通過向CS5460A寫入適當命令來使INT清除（邏輯1）。 21腳EOUT：電能脈沖輸出。EOUT——電量輸出引腳，輸出一個脈沖寬固定、頻率（可編程）和電能成比例的脈沖串。 22腳EDIR：能量方向指示輸出。如果測量到的電能是負值，電能方向指示器發出指示。 23腳SDI：串行數據輸入。SDI是串行數據接口的輸入引腳。數據的輸入速率由SCLK決定。 3 操作原理 CS5460A可以在單一＋5V電源下運行。電流通道輸入范圍為30mVRMS或150 mVRMS，電壓通道輸入范圍為150 mVRMS。當在VA＋／－引腳用單電源＋5V供電時，CS5460A可以承受范圍為－0．25V到VA＋的共模信號。總功耗＜500mW；電能計量精度：在1000∶1動態范圍以上每秒讀取0．1％；電流測量精度：讀數的0．1％；瞬時功率測量精度：讀數的0．1％。供電引腳最大輸入電流為±50mA；（VA＋）－（VA－）≤＋6．0V。 任意時刻，軟件或硬件復位都可以使系統初始化。軟件復位是通過向配置寄存器的RS位寫入邏輯1來實現的，復位后該位自動恢復為邏輯0。硬件復位是通過強制拉低RESET引腳50ns以上來實現。 寄存器讀寫命令如下：
其中，W／R為0讀寄存器，為1寫寄存器，RA（0～4）寄存器地址說明如下：00000：配置寄存器，00001：電流偏移校準，00010：電流增益校準，00011：電壓偏移校準，00010：電壓增益校準，00101：轉換次數，00110：能量，00111：最新電流，01000：最新電壓，01001：最新功率，01111：狀態寄存器，10000：交流電流偏移寄存器，10001：交流電壓偏移寄存器。 CS5460的串行接口部分集成了一個帶有發送／接收緩沖器的狀態機，狀態機在SCLK上升沿解釋8位命令字。根據對命令的解碼，狀態機將執行相應的操作，或者，為把尋址的內部寄存器的數據傳送到發送緩沖區，寫操作在數據傳輸前要等24個SCLK周期。通過寄存器讀／寫命令，數據可被寫入或從CS5460A中讀出，圖2、圖3為讀、寫時序。數據的讀、寫通過向串口SDI引腳寫入相應的8位命令字（高位在前）來啟動。需要注意的是：一些命令字在執行時受周期計數寄存器和配置寄存器內容的影響，需要先對周期計數器和配置寄存器內容進行正確設置。寄存器寫指令后必須跟24位數據，先寫命令字啟動寫操作，然后隨著24個連續的串行時鐘脈沖，CS5460A將從串行輸入引腳SDI接收串行數據，一旦收到數據，狀態機便將數據寫入配置寄存器并返回到命令模式。寄存器讀指令可以終止在8位的邊界上。通過SDI引腳寫入命令后，可從SDO引腳讀出數據。
4 應 用 因為CS5460A可以用來測量瞬時電流、瞬時電壓、瞬時功率、電能以及電壓和電流的有效值，測量結果將以24位有符號或無符號形式存儲在內部寄存器中，所以可以用CS5460A設計單相多功能電能表。另外，CS5460還提供了電能計量脈沖輸出端口EOUT和功率方向端口EDIR，可以方便地與步進電機計數器連接構成簡單的電能表。當晶振頻率為4．096MHz，分頻比為1，且兩個轉換器的直流輸入皆為最大值時，輸出脈沖的頻率與脈沖速度寄存器的頻率相同。 圖4所示為一個典型的電度表電路，它的基本電流有效值Ib＝20A，相線電壓有效值V＝220V（50Hz），計量常數K＝500imp／kWh，最大電流有效值為Imax＝100A，最大電壓有效值為Vmax＝300V，差分電壓輸入和差分電流輸入最大值為150mV，電阻R1調整差分電流輸入值。
如果用CS5460A設計電子式三相多功能電能表，可以在A、B、C每一相用一片CS5460A，每片輸入參數值都要符合CS5460A技術要求，通過MCU對三相的能量等各參數進行處理，用MCU發出脈沖，同時可以計量每一相的用電情況。利用3片CS5460A設計的電子式三相多功能電能表，有功精度可達0．5級，無功精度可達1．0級，此表現已投入生產使用。 5 結束語 CS5460A性能優于其它單相計量芯片。目前，供電部門對電網的用電考核參數越來越多，如：有功、無功、瞬時電壓、瞬時電流、瞬時功率等。而CS5460A提供了許多計量參數，設計在電能表中，其功能基本滿足供電部門需求，市場前景極為廣闊。 |
