CS5460管教说明及其应用

2020-04-13 22:57

技术特性:

CS5460A是一个包含两个△-Σ模-数转换器(ADC)、一个串行接口的具有高速电能计量功能的高度集成△Σ模-数转换器。CS5460A具有与微控制器通讯的双向串口和与能量成正比的频率可编程的脉冲输出。CS5460具有方便的片上AC/DC系统校准功能。CS5460A能独自工作,在系统上电后自动初始化。引脚功能如下:

1脚XOUT:晶体振荡器输出。

24脚XIN:晶体振荡器输入。XOUT,XIN——芯片内的一个门电路与这些引脚相连,可连接晶体为芯片提供系统时钟。另外,也可以有外部时钟(与CMOS时钟兼容)驱动引脚XIN,为芯片提供系统时钟。

2脚CPUCLK:CPU时钟输出。CPUCLK——片上振荡器的输出,可以驱动一个标准的CMOS负荷。

3脚VD+:数字电路电源正极。以DGND为参考,一般为+5V±10%。 4脚DGND:数字地。数字接地,与VA-具有相同的电平。

5脚SCLK:串行时钟输入。该脚确定SDI和SDO引脚的输入和输出速率。此输入具有一个允许使用边沿缓慢的信号的施密特触发器。只有当CS低时,SCLK引脚才识别时钟。

6脚SDO:串行数据输出。SDO是串行数据端口的输出引脚,当CS高时,其输出将处于高阻抗状态。 7脚CS:片选。当处于低电平时,端口可以识别SCLK。该脚高电平状态使SDO引脚处于高阻抗状态。CS应在SCLK处于低电平时改变状态。

8脚MODE:模式选择。当处于高电平时CS5460A开始执行自导入序列,从外接EEPROM读取命令和设置。当处于低电平时CS5460运行在常规命令模式。引脚不连接时下拉为逻辑低电平。

9脚VIN+:差分电压正输入端。

10脚VIN-:差分电压负输入端。VIN+、VIN-—电压通道的差分模拟输入引脚。

11脚VREFOUT:参考电压输出。芯片上的参考电压由该引脚输出,参考电压的标称值为2.5V(以VA-引脚为参考)。

12脚VREFIN:参考电压输入。该引脚输入的电压给芯片上的调制器提供参考电压。

13脚VA-:模拟地负极。负模拟电源引脚,必须具有最低的电压。 14脚VA+:模拟电源正极。以VA-为参考,通常为+5V±10%。

15脚IIN-:差分电流负输入端。

16脚IIN+:差分电流正输入端。IIN-、IIN+为电流通道的差分模拟输入引脚。

17脚PFMON:电源掉电监视输出。PFMON——掉电监视器,用来监视模拟电源,相对于VA-引脚的典型阀值电平为2.5V,具有+/-50mV的滞环。如果PFMON的电压低于阀值,则状态寄存器的LSD(低电源检测)位将被置位。

18脚NC:空脚。该引脚保持悬浮态。

19脚RESET:复位输入。RESET——当复位引脚为低电平时,所有内部寄存器都被设置为缺省值。

20脚INT:中断输出。当INT变低时,表明一个允许的事件已发生。可以通过向CS5460A写入适当命令来使INT清除(逻辑1)。

21脚EOUT:电能脉冲输出。EOUT——电量输出引脚,输出一个脉冲宽固定、频率(可编程)和电能成比例的脉冲串。

22脚EDIR:能量方向指示输出。如果测量到的电能是负值,电能方向指示器发出指示。

23脚SDI:串行数据输入。SDI是串行数据接口的输入引脚。数据的输入速率由SCLK决定。

操作原理

CS5460A可以在单一+5V电源下运行。

电流通道输入范围为30mVRMS或150 mVRMS,电压通道输入范围为150 mVRMS。

当在VA+/-引脚用单电源+5V供电时,CS5460A可以承受范围为-0.25V到VA+的共模信号。 总功耗<500mW;

电能计量精度:在1000∶1动态范围以上每秒读取0.1%;

电流测量精度:读数的0.1%;瞬时功率测量精度:读数的0.1%。 供电引脚最大输入电流为±50mA; (VA+)-(VA-)≤+6.0V。 任意时刻,软件或硬件复位都可以使系统初始化。软件复位是通过向配置寄存器的RS位写入逻辑1来实现的,复位后该位自动恢复为逻辑0。硬件复位是通过强制拉低RESET引脚50ns以上来实现。

寄存器读写命令如下:

其中,W/R为0读寄存器,为1写寄存器,RA(0~4)寄存器地址说明如下:00000:配置寄存器,00001:电流偏移校准,00010:电流增益校准,00011:电压偏移校准,00010:电压增益校准,00101:转换次数,00110:能量,00111:最新电流,01000:最新电压,01001:最新功率,01111:状态寄存器,10000:交流电流偏移寄存器,10001:交流电压偏移寄存器。

CS5460的串行接口部分集成了一个带有发送/接收缓冲器的状态机,状态机在SCLK上升沿解释8位命令字。根据对命令的解码,状态机将执行相应的操作,或者,为把寻址的内部寄存器的数据传送到发送缓冲区,写操作在数据传输前要等24个SCLK周期。通过寄存器读/写命令,数据可被写入或从CS5460A中读出,图2、图3为读、写时序。数据的读、写通过向串口SDI引脚写入相应的8位命令字(高位在前)来启动。需要注意的是:一些命令字在执行时受周期计数寄存器和配置寄存器内容的影响,需要先对周期计数器和配置寄存器内容进行正确设置。寄存器写指令后必须跟24位数据,先写命令字启动写操作,然后随着24个连续的串行时钟脉冲,CS5460A将从串行输入引脚SDI接收串行数据,一旦收到数据,状态机便将数据写入配置寄存器并返回到命令模式。寄存器读指令可以终止在8位的边界上。通过SDI引脚写入命令后,可从SDO引脚读出数据。

CS5460A是Crystal公司最新推出的用于测电流、电压、功率等的芯片,是CS5460的增强版,精度高、性能强且成本低;该增强设备无需微控制器也可独立运行。CS5460A含有2个增益可编程放大器、2个△Σ调制器、2个高速滤波器,具有系统校准和有效值/功率计算功能,以提供瞬时电压/电流/功率数据采样及有功能量,IRMS,VRMS的周期计算结果。为适应低价测量CS5460A也能在给定引脚上输出脉冲串,输出的脉冲数与有功能量寄存器的数值成正比,适应范围更为广泛。 2 特 性

(1)可以从串行E2PROM智能\自引导\,不需要微控制器,具有电能一脉冲转换功能。 (2)具有AC或DC系统校准功能,可以调整电压对电流的相位补偿。 (3)具有简单的三线数字串行接口,可以方便地进行读写。 (4)看门狗定时器,内带电源监视器。

(5)电能数据线性度:在1 000:1动态范围内线性度为土0.1%。

3 CS5460A的操作

CS5460A的操作主要是通过SPI口写命令,读写不同的寄存器,执行不同的操作;CS5460A的寄存器主要包括状态寄存器、配置寄存器、控制寄存器、各种校准寄存器、数据寄存器等。在进行测量前,要恰当地设置寄存器,以便得到正确的结果。

3.1 系统校准

CS5460A提供数字校准功能,通过写指定的值到校准命令寄存器即可实现系统偏置校准和系统增益校准等。当执行校准时,必须把相应的校准信号到电压电流通道。CS5460A具有一系列的校准寄存器,执行某一校准命令后,相应的寄存器就会保留校准产生的修正值,这些值可以读出;若将其保存在外部非易失存储器,在系统复位后把值写入相应的寄存器,不必重新校准。校准寄存器包括直流电压/电流偏置寄存器,电压/电流增益寄存器,交流电压/电流偏置寄存器。校准之前必须使CS5460A处于活动状态,同时使其准备接收有效命令,并清除状态寄存器的DRDY位,因为DRDY用于判断校准是否完成。在执行偏置校准时,应该输入零信号;在执行增益校准时,应该输入满刻度信号。校准完成后,就可以进行测量了。

3.2 数据的读写

在进行数据的读写前,应该进行串口的初始化。因为开始串口与SCLK可能不同步,任何输入CS5460A的有效指令或者不会产生动作或者产生错误动作,此时需重新初始化串口。当命令包含写操作时,串口将在下面24个SCLK周期对SDI引脚的数据(从高位开始)记录。寄存器写指令后必须跟24位的数据。比如,写配置寄存器,应先写命令字(0x40)启动写操作,然后,随着24个连续的串行时钟脉冲,CS5460A将从串行输入引脚SDI接收串行输人数据,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。当启动了读命令,串口将在下8个、16个或24个SCLK周期启动SDO脚上的寄存器内容的转移(从高位开始)。寄存器读指令可以终止在8位的边界上(例如,读出时可只读8,16或24位)。同样,数据寄存器读出允许采用\命令链\。因此读寄存器时,微控制器可同时发送新指令,新指令将被立即执行,并可能终止读操作。例如,命令字送人状态机读取某一输出寄存器,进行了16个连续的读数据串行时钟脉冲后,执行

写命令字(如状态寄存器清零命令),数据从SDI引脚输入,同时剩下的8位读出数据被传送到SDO引脚。又如,用户仅需从读操作中获取16位有效位时,可在SDO读出8位数据后从SDI输入第2个读命令。注意:在读周期,当从SDO引脚输出数据时,必须用SYNC0指令(NOP)使SDI引脚处于选通态。读/写时序如图1和图2所示。

4 CS5460A的应用

CS5460A主要用于智能电度表的设计,也可用于瞬时电压电流,电压电流有效值及功率的测量。电路设计可以用单片机,也可以用自引导EPROM,运用灵活可以适应不同的需求。

电压电流有效值读出的是3B 24位的无符号数,而瞬时值则是有符号24位数表示,最高位表示正负。

CS5460A还提供了电能计量脉冲输出端口EOUT和功率方向端口EDIR,因而可以方便的与步进电机计数器连接构成简单的电度。图3是一个典型的应用电路。根据所测电压范围的不同,选用适当的分压电阻,也可以选用电压互感器。这里假设我们所用的电源是正弦交流信号,电压最高是250V,电流是20 A。对正弦波,可精确测量的有效值为峰值的0.7071(输入不过载)。由于实际功率信号不能完全符合正弦曲线,为预防数值超量程,当电源线电压和电源线电流的有效值分别为250V和20A时,我们需要将电压有效值和电流有效值寄存器设置为0.6。因此当RMS寄存器的值设置为0.6时,输入电平为0.6×250=150mV。现在我们就可以得到传感器增益常数KV和KI,的值,当电源线电压/电流为最大值250V和20A时,电压/电流通道的输入将为KV=150 mV/250 V=0.0006;KI=150mV/20A=0.007 5 n。这些常数将确定互感器或电阻分压器的比率。与单片机的SPI接口有4根线SCLK,SDI,SDO和INT,如果单片机主动查询数据,则只用3根线。SPI口读写程序如下:

写8位数据子程序,A是写入数据 INBYTE: MOVR R2,#08H INBYTEl: CLR SCLK RLC A MOV SDI,C DJNZ R2,INBYTEl RET

读子程序3B数据,所读数据存放首地址在R1 OUTBYTE: MOV R2,#03H OUTBYTEl; MOV R3,#08H OUTBYTE2: SETB SCLK CLR SCLK MOV C,SDO RLC A

DJNZ R3,OUTBYTE2 MOV @R1,A INC R1

DJNZ R2,OUTBYTE1 CLR SDI CLR SDO CLR SCLK RET


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