1. 概述 　　CS5460是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。與目前在電子式電度表應用中廣泛使用的 AD7750和AD7755（見《國外電子元器件》1999年第3期文章）相比較，CS5460增加了以下功能： 　　●具有片內看門狗定時器（Watch Dog Timer）與內部電源監視器； 　　●具有瞬時電流、瞬時電壓、瞬時功率、電流有效值、電壓有效值、功率有效值測量及電能計量功能； 　　●提供了外部復位引腳； 　　●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； 　　●外部時鐘最高頻率可達20MHz； 　　●具有功率方向輸出指示。 　　這些增加的功能更加便于與微處理器（MPU）接口，并能方便地實現電壓、電流、功率的測量和用電量累積等功能。 2. 基本結構與技術指標 　　2.1 內部結構 　　CS5460內部集成了兩個△-∑A/D轉換器、高、低通數字濾波器、能量計算單元、串行接口、數字-頻率轉換器、寄存器陣列和看門狗定時器等模擬、數字信號處理單元,其內部結構框圖如圖1所示。 　　2.2 引腳排列及功能 　　CS5460的引腳排列如圖2所示。各引腳的功能如下： 　　1腳XOUT：晶體振蕩器輸出； 　　2腳CPUCLK：CPU時鐘輸出； 　　3腳VD+：數字電路電源正極； 　　4腳DGND：數字地； 　　5腳SCLK：串行時鐘輸入； 　　6腳SDO：串行數據輸出； 　　7腳CS：片選； 　　8腳NC：空腳； 　　9腳VIN+：差分電壓正輸入端； 　　10腳VIN-：差分電壓負輸入端； 　　11腳VREFOUT：參考電壓輸出； 　　12腳VREFIN：參考電壓輸入； 　　13腳VA-：模擬地； 　　14腳VA+：模擬電源正極； 　　15腳IIN-：差分電流負輸入端； 　　16腳IIN+：差分電流正輸入端； 　　17腳PFMON：電源掉電監視輸出； 　　18腳NC：空腳； 　　19腳RESET：復位輸入； 　　20腳INT：中斷輸出； 　　21腳EOUT：電能脈沖輸出； 　　22腳EDIR：功率方向指示輸出； 　　23腳SDI：串行數據輸入； 　　24腳XIN：晶體振蕩器輸入。 　　2.3 主要技術指標 　　●差分電壓輸入范圍：150mV； 　　●溫度系數：＜60ppm/℃ 　　●功率消耗：＜10mW； 　　●電能計量精度：在300∶動態范圍以上每秒讀取0.1％; 　　●電壓測量精度：讀數的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％。 [b]3. 串行接口及其操作 [/b]　　3.1 串行接口 　　CS5460的串行口包括4條控制線：CS、SDI、SDO、SCLK，如果片選CS直接與邏輯0相連接，則只需要3條線就可以完成串行口的操作，通過實驗還發現，如果將串行數據輸入SDI和串行數據輸出SDO連在一起，同樣可以進行串行通讀，而且僅需要兩條接口線，這對于使用AT89C1051和AT89C2051的系統是極為有利的。 　　一個數據的傳輸總是從向串行接口的SDI發送8位命令開始的，當命令中包括一個寫入振作時，在其后的24個SCLK周期內，串口將持續從SDI引腳讀入串行數據。當發出一個讀取命令時，串口將根據發出的命令，在其后的 8、16、24個SCLK周期從SDO引腳上串行輸出寄存器內容。圖3所示為讀寄的時序。 　　3.2 內部寄存器分配 　　CS5460內部集成了包括偏置寄存器、增益寄存器、脈沖速率寄存器和參數寄存器等16個寄存器，還集成了串行口發送寄存器、串行口接收寄存器和一個命令解釋狀態機，這些寄存器用來完成對 CS5460的設置、采集數據的存儲和串行輸入輸出的控制，CS5460內部寄存器分配圖如圖4所示。 　　在系統初始化或復位后，CS5460內部寄存器初始化為以下狀態: 　　配置寄存器：0X000001 　　偏置寄存器：0X000000 　　增益寄存器：0X400000 　　脈沖速率寄存器：0X0FA000 　　周期計數寄存器：0X000FA0 　　時基寄存器：0X800000 　　狀態寄存器：0X000001 　　屏蔽寄存器：0X000000 　　有符號寄存器：0X000000 　　無符號寄存器：0X000000 　　3.3 命令解釋及操作 　　對CS5460的操作是通過向其傳輸命令字來實現的， CS5460提供了寄存器的讀/寫和校準控制等在內的7個操作命令，所有的命令長度均為1個字節（8位）。命令狀態機在SCLK 的上升沿解釋8位命令字，它將命令字解釋為公認的標準，同時為數據的傳輸作好準備。本文僅以寄存器讀/寫命令為例加以簡要說明，詳細內容請參考 CS5460用戶手冊。 　　寄存器讀/寫命令： 　　這個命令通知狀態機需要對寄存器進行訪問，在8個SCLK時鐘周期內，地址寄存器的讀取被加載到輸出緩沖區，在第24個SCLK時，寫人數據被傳輸到輸入緩沖區。 　　其中：W/R：寫入/讀取控 　　0=讀取寄存器 　　1=寫入寄存器 　　RA0～RA4：寄存器地址位 4.CS5460的應用 　　4.1 電度表 　　CS5460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，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，因而可以方便的與步進電機計數器連接構成簡單的電度表。當晶振的頻率為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5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，假定量大電流有效值為Imax=100A，最大電壓有效值為Vmax=300V，根據CS5460的差分電壓輸入和差分電流輸入最大值為150mV的技術指標，則電流和電壓通道互器的變比Ki、Kv分別1/10000和1/20000。 　　當選取電流互感器二次側最大電流為10mA時，二次側取樣電阻R1的值應為15Ω。 　　4.2 由CS5460構成的分布式電能計量控制系統 　　目前我國高校學生公寓普遍采用限電措施來控制學校電能利用，公寓管理社會化后，限制學生用電凈改為鼓勵學生安全用電，從而將采用限制安全功率、限制基本電費、超量收費的形式。為了適應市場的需要，我們采用 CS5460設計了分布式電能控制系統，實現了公寓用電管理的分散控制和集中管理。圖6是由CS5460構成的分布式電能計量控制系統圖。該系統的特點是： 　　●單線（或電力載波）傳輸，減少了工程施工量和線路造價。 　　●前端采用AT89C2051系列單片機和CS5460芯片，實現了功率、電流、電壓栓測和電能計量等功能，性能價格比高，運行穩定可靠。 　　●采用RS485（或CAN總線）通訊標準，傳輸距離遠，易于組網。 　　●可對用電功率、電流、電量進行集中臨界測和控制。