Cirrus高精度、低能耗的单相多功能电能表设计方案

中心议题：
    *  基于CS5463单相高精度低成本电能表设计

本文以CIRRUS公司的CS5463 作为电能计量芯片，以华邦公司的单片机W77E58 作为控制器设计开发了一款新型高精度、低能耗、降成本的单相多功能电能表。CS5463专为住宅用单相电能表或工业用三相电能表而设计，既可以连接EEPROM 实现开机自启动，也可以连接微控制器进行灵活控制。该芯片还有能量脉冲信号输出模块，可以直接外接计数器或步进电机，从而省去控制器而直接外送用电量，降低电表类产品的成本。文中首先介绍了电能计量芯片CS5463 的基本工作原理和SPI 接口，接着给出了与单片机W77E58 接口的设计方法，最后详细分析了硬件原理图和软件框图。

1 芯片CS5463 简介

CS5463 为数字电能表制造商提供了一个高度精确且成本低廉的电能测量解决方案。该集成芯片专为住宅用单相电能表或工业用三相电能表设计，可精确测量瞬间电流和电压，并可计算瞬时功率、电流有效值IRMS和电压有效值VRMS、有功功率、视在功率、无功功率、基波功率、谐波功率、功率因数以及电压频率。

CS5463 与低成本分流电阻或电流互感器相连可用于测量电流，与电阻分压器或电压互感器相连可用于测量电压。此外，CS5463 片内还带有温度传感器，有助于设计者调整温度漂移误差，提高测量精度。CS5463 的内部结构如图1 所示。

图1 CS5463 内部结构图

它由2 个可编程增益放大器、2 个Δ － Σ 调制器、配套的高速滤波器、功率计算引擎、偏置和增益校正、功率监测、串行接口及相应功能寄存器等组成。两个可编程放大器采集电压和电流数据，Δ － Σ 调制器对模拟量采样处理，高速数字低通或可选的高通滤波器滤取可用电压、电流数字信号，功率计算引擎计算各类型的功率、电压、电流，并将计算的功率值通过串行接口对外输出，既可以连接EEPROM 实现开机自启动，也可以接微控制器进行灵活控制。该芯片还有能量脉冲信号输出模块，可以直接外接计数器或步进电机，从而省去控制器而直接外送用电量，降低电表类产品的成本。

2 工作原理和SPI 接口通信

2.1 工作原理

CS5463 的电压通道引脚VIN ± 两端输入电压信号波，经10 倍增益放大器放大，再通过二阶Δ － Σ 调制器来数字化。同时，电流通道引脚IIN ± 两端输入电流信号波，为适应不同电平的输入信号，电流通道集成有一个增益可编程放大器( PGA) ，使输入峰值电压可选择为± 250 mV 或± 50 mV，再通过四阶Δ － Σ 调制器来数字化。

然后，对数据进行低通滤波，以去除调制器输出的高频噪声。通道的低通滤波器由一个固定的Sinc3 滤波器实现，通道的数据接下来通过一个可选IIR 补偿滤波器，以补偿通过低通滤波器后产生的幅值衰减。两个通道都提供了一个可选的高通滤波器( 用HPF 表示) ，它可以加入信号通路，以在Vrms /Irms、有功功率、视在功率计算之前除去电流/电压信号中的直流成分。任意一个通道中的HPF 如果不用，则这通道将启动全通滤波器( 用APF 表示) ，以保持电压和电流的传感信号之间的相位关系。

电压有效值和电流有效值是利用最近的N( N 值放在周期计数寄存器中) 个瞬态电压/电流采样值计算，这些值可从Vrms和Irms寄存器中读出。

瞬时功率是通过瞬时电压和瞬时电流的数据相乘得到。N 个瞬时功率平均计算出有功功率的值用来驱动电能脉冲E1输出。电能输出E2是可选的，可指示电能方向，也可输出与视在功率成正比的脉冲。电能输出E3提供一个与无功功率或视在功率成正比的脉冲输出。

利用温度传感器能够补偿温度漂移。温度测量是在连续转换期间执行完成并存在Temperature 寄存器中。电压的频率值是通过间接计算得到的，实际测量的是电压频率与模数转换ADC 的采样频率fs的比值。假如时钟分频系数K = 1，时钟MCLK 为4．096 MHz，可得:

fs = MCLK /( K × 1024) = 4000 Hz。

假如读到的数为0．0125，则可计算出频率值为:

4000 × 0．0125 = 50 Hz。

2.2 接口通信

为了方便与外部微控制器通信，CS5463 集成有一个简单的三线串行接口( SPI) 。该接口主要通过三根线进行数据传输，包括同步时钟SCLK 和两条数据线SDI、SDO。串行接口集成了带有发送、接收缓冲器的状态机，状态机在SCLK 的上升沿解析8 位命令字，根据对命令的解码执行相应的操作，或者为被寻址的寄存器的数据传输做准备，内部寄存器都是24 位。

图2 和图3 分别指示出串行接口缓冲区的写、读时序。数据的读和写通过向SDI 引脚写入相应的8 位命令字( 高位在前) 来启动。当命令包含写操作时，串口将在下面24 个SCLK 周期记录SDI 引脚的数据( 从高位开始) 。寄存器写指令后必须跟24 位数据，一旦收到数据，状态机便将数据写入配置寄存器，然后等待下一个命令。启动读命令后，串行接口将在后续8 个、16 个或24 个SCLK 周期启动SDO 引脚上的寄存器进行内容转移( 从高位开始) ，寄存器读指令可以终止在8 位的边界上。读寄存器时，微控制器可以同时发送新指令，并立即执行新指令，同时终止读操作。

图2 CS5463 SPI 写时序图

图3 CS5463 SPI 读时序图

3 硬件电路设计

单相多功能表的电路原理如图4 所示。主控器为单片机W77E58，是整个电路的核心控制器，其工作晶振设为11．0592 MHz，以使其串行通信波特率除数误差为0，提高通信的可靠性。CS5463 与单片机通过SPI 三线接口连接，同时片选端和复位端连接到单片机的I /O 口上，以方便单片机对其控制操作。CS5463的电压通道输入信号由变压器变换得到，电流通道的输入信号由电流互感器检测得到。观察电压和电流通道的设计图，在每输入端都串入了一个470 Ω 的电阻，并且每个通道上放置了三个电容，它们目的有两个: 一是通过电阻来限制电流，起到保护输入引脚的作用; 二是电阻与电容组合成低通滤波器，滤掉输入信号中的高频噪声。图中还设计了四个按键，用于设置采样参数和通信参数。为显示更多的信息，系统选用了液晶显示模块，其接口为J2。数据通信采用SP3232 来完成单片机TTL 电平到RS － 232 电平地转换。电路设计中，为提高SPI 通信的可靠性，应在时钟CLK、SDI、SDO 各线路上加100 pF 的对地电容，滤除干扰毛刺，如图中C11 ～ C13 所示。

图4 硬件原理图

4 软件设计

该电能表的软件主要完成对CS5463 的读写控制，读取数据地处理及显示，键盘地处理和RS －232 通信控制等功能。程序采用C 语言编写，模块化结构，以使程序逻辑清晰、层次分明，便于调试和维护。主程序框图如图5 所示。软件首先对单片机内部进行初始化，设置堆栈，清缓存，设置通信波特率，设置必要的标志位和变量的初值; 接着对CS5463 初始化，设置工作模式，启动模数转换，读取测量数据，存储同时显示。程序中对按键和通信命令都设计了处理模块，完成对键盘和上位计算机地响应。

图5 主程序流程图

5 结束语

该系统设计采用CS5463，大大减少了外围元件数目，提高了系统的测量精度; 同时采用RS － 232 串行通信传输实测数据，满足计算机监控的需要。经使用证明，该电能表具有运行稳定、可靠性高、精度高、成本低等优点，而且实用性强。