新軟件在細密度頻譜儀器儀表里的運用
1概述
CS5460A是美國的CirrusLogic公司用于電子電能表的專用芯片，芯片具有測量交流的電壓和電流的瞬時值、有效值、有功功率的功能。由于CS5460A的轉(zhuǎn)換精度可達0. 2級，外圍電路無需運算放大器，使用單電源，具有三線式串行接口可很方便地與單片機接口，且價格低廉。使用該芯片制作工頻儀表替代目前常見類型的工頻儀表具有廣闊前景。CS5460A主要有如下特性：電能數(shù)據(jù)線性度：在1000： 1動態(tài)范圍內(nèi)線性度為0. 1% ；片內(nèi)功能：可以測量電能（有功） ， I，U， IRMS， VRMS，具有電能-脈沖轉(zhuǎn)換功能；可以不需要微控制器從串行EEPROM智能自引導(dǎo)��；具有AC和DC的系統(tǒng)校準功能；具有機械計數(shù)器/步進電機驅(qū)動器；符合IEC687/ 1036， JIS工業(yè)標準；功耗< 12mW；優(yōu)化的分流器接口；V對I的相位補償；
單電源地參考信號；
簡單的三線數(shù)字串行接口；
看門狗定時器；
內(nèi)帶電源監(jiān)視器；
2硬件構(gòu)成和工作原理
2. 1 CS5460A簡介
CS5460是帶有能量計算引擎的CMOS單芯片功率測量裝置。它將兩個ADC、一個高速能量計算單元和一個串行接口集成在一個單芯片上。它的內(nèi)部包括一個可編程增益放大器、兩個調(diào)制器、兩個高速數(shù)字濾波器，具有系統(tǒng)校準、I RMS、VRMS計算、能量計算、瞬時功率計算等功能。因此它用于精確測量和計算電能、瞬時功率以及電流和電壓的有效值。
輸入電流信號經(jīng)過一個可編程增益放大器，進入調(diào)制器和高速數(shù)字濾波器，電壓信號則經(jīng)過固定增益放大器進入調(diào)制器和數(shù)字濾波器，兩個濾波器的字輸出速率可程控，其輸出速率為（ MCLK/ K） / 1024，其中，MCLK為系統(tǒng)時鐘頻率，K為時鐘分配器，范圍0- 15.經(jīng)過濾波器輸出的即是電流、電壓的瞬時值，相乘就得到功率的瞬時值，每得到一次瞬時值就是完成一次轉(zhuǎn)換。電流、電壓的瞬時值經(jīng)過高通濾波器濾掉直流成分后，運算得到I RMS、VRMS和電能值。每個I RMS、VRMS和電能值的計算周期需要經(jīng)過N次轉(zhuǎn)換，因此電能的計算周期為（MCLK/ K） / 1024 N.即有效值采樣周期是瞬時值采樣周期的N倍。
2. 2 CS5460A和STC單片機組成工頻儀表
2是用CS5460A和STC單片機組成工頻儀表的電路原理圖，硬件由電流/電壓輸入電路、CS5460A、STC89C51、LED顯示、按鍵和電源模塊等電路組成。首先交流電壓和電流通過精密互感器在R1和R2上形成工頻電壓信號，通過阻容網(wǎng)絡(luò)分別送至CS5460A的V IN+、V IN-和I IN+、I IN-， CS5460A內(nèi)部硬件可直接得到I RMS、V RMS和P等數(shù)據(jù)存于片內(nèi)的寄存器中，單片機STC89C51通過SPI三線串口讀取CS5460A各種電參數(shù)數(shù)據(jù)，經(jīng)軟件處理后送到LED顯示、控制輸出和RS232/ 485接口。
在硬件設(shè)計時，選擇R1和R2的大小，使得CS5460A的V IN+、VIN-和IIN+、IIN-的輸入電壓150mV RMS.CS5460A的中斷輸出INT、復(fù)位輸入RESET、片選信號CS、串行時鐘SCK、數(shù)據(jù)輸入SDI和數(shù)據(jù)輸入SDO分別連接STC89C51的P1. 0、P1. 1、P1. 2、P1. 3、P1. 4口。硬件電路圖見3.
3軟件構(gòu)成和程序設(shè)計
3. 1 S5460A的控制命令字
CS5460A的SPI串行接口含有一個發(fā)送/接收緩沖器的狀態(tài)機，一個完整的控制命令字需傳送4個字節(jié)的數(shù)據(jù)，第1個字節(jié)為寄存器讀寫命令，后3個字節(jié)為讀寫數(shù)據(jù)，共需要單片機向CS5460A發(fā)送32個SCLK時鐘信號，狀態(tài)機在頭8個SCLK周期的上升沿解釋命令字，具體時序如。
寄存器讀/寫命令：
0 W/ R RA4 RA3 RA2 RA1 RA0 0這個命令通知狀態(tài)機需要對寄存器進行訪問，在8個SCLK時鐘周期內(nèi)，地址寄存器的讀取被加載到輸出緩沖區(qū)，在第24個SCLK時，寫人數(shù)據(jù)被傳輸?shù)捷斎刖彌_區(qū)。
其中：W/R：寫入/讀取控制0=讀取寄存器1=寫入寄存器RA0 RA4：寄存器地址位在實際操作時只需對CS5460A的內(nèi)部寄存器直接讀寫各種命令和數(shù)據(jù)就可以獲取我們所需要的電流有效值、電壓有效值和有功功率等。
3. 2程序設(shè)計
STC89C51單片機復(fù)位后，首先要對CS5460A進行復(fù)位和初始化，復(fù)位工作分為硬件復(fù)位和軟件復(fù)位二種，硬件復(fù)位就是給CS5460A的RESET腳一個低電平脈沖；軟件復(fù)位是一個命令字。初始化包括：直流I/U偏移量校正、交流I/U偏移量校正、I/U增益校正、P偏移量校正、配置寄存器設(shè)定等幾個步驟。
是儀表的程序流程圖。
CS5460A要設(shè)置有效值轉(zhuǎn)換結(jié)束中斷輸出模式，一旦有效值測量完畢，即向單片機輸出中斷信號，單片機即可向CS5460A發(fā)送讀數(shù)據(jù)命令，直接讀出各種數(shù)據(jù)。IRMS的寄存器地址是01011B， VRMS的寄存器地址是01100B， CS5460A內(nèi)部還有能量寄存器E， E的寄存器地址是01010B， 1秒鐘的能量和即為功率P.功率因數(shù)的測量可利用公式COS = P/ IU計算得出。
4結(jié)論
該芯片已成功制作成了電參數(shù)測量儀，并成功用于我校的電工實驗的交流電壓、電流、功率和功率因數(shù)的測量。實踐證明其測量精度達到0. 2級，具有成本低、電路結(jié)構(gòu)簡單、精度高的特點。中國糧油儀器網(wǎng) http://www.feta-virtual.com/
