CS5460A及其在电子式电能表中的应用
1 简介
cs5460a是美国水晶公司最新推出的带串行接口的单相双向电力/电能计量集成电路芯片。主要用于单相电子式电能表和三相电子式电能表。该芯片的性能优于其他测量芯片，主要表现在：可测量瞬时电流、瞬时电压、瞬时功率、电流有效值、电压有效值、功率有效值和电能测量；
· 具有片上看门狗定时器（watch dog timer）和内部电源监视器；
·双向串行接口和内部寄存器阵列，可方便地与微处理器连接；
·带机械仪表/步进电机驱动器；
·片内2.5v参考电压；
外部时钟最高频率可达20mhz；
·具有功率方向输出指示；
? 提供外部复位引脚。
2技术特点
cs5460a 是一款高度集成的 delta-sigma 模数转换器，具有高速电能计量功能，包括两个 delta-sigma 模数转换器 (adcs)、一个串行接口。cs5460a 具有用于与微控制器通信的双向串行端口和具有与能量成比例的可编程频率的脉冲输出。cs5460 具有方便的片上交流/直流系统校准功能。cs5460a可以单独工作，系统上电后自动初始化。芯片内部结构如图1所示，引脚功能如下：
1 脚 xout：晶振输出。
24脚xin：晶振输入。xout, xin - 芯片中的一个门连接到这些引脚寄存器传输级，可以连接到晶体为芯片提供系统时钟。此外，还可以有一个外部时钟（兼容CMOS时钟）来驱动pin xin，为芯片提供系统时钟。
2-pin cpuclk：cpu时钟输出。cpuclk - 片上振荡器的输出，可以驱动标准 CMOS 负载。
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。数字地，与va-相同的电平。
5脚sclk：串行时钟输入。该引脚决定 sdi 和 sdo 引脚的输入和输出速率。该输入有一个施密特触发器，允许使用慢边信号。sclk 引脚仅在 cs 为低电平时识别时钟。
6-pin sdo：串行数据输出。sdo 为串行数据口的输出引脚，当cs为高电平时，其输出为高阻态。
7脚cs：芯片选择。低电平时，端口可以识别sclk。该管脚的高电平使sdo管脚处于高阻抗状态。当 sclk 为低电平时，cs 应该改变状态。
8-pin mode：模式选择。在高电平时，cs5460a开始执行自我介绍序列，从外部eeprom读取命令和设置。低电平时，cs5460 以常规命令模式运行。引脚未连接时下拉至逻辑低电平。
9脚vin+：差分电压正输入端。
10脚vin-：差分电压负输入。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管脚输出，参考电压标称值为2.5v（以va-管脚为参考）。
12-pin vrefin：参考电压输入。该引脚的电压输入为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，必须具有最低电压。
14脚va+：模拟电源正极。以va-为参考，一般为+5v±10%。
15脚iin-：差动电流负输入端。
16脚iin+：差动电流正输入端。iin- 和 iin+ 是当前通道的差分模拟输入引脚。
17脚pfmon：断电监控输出。pfmon - 掉电监控器，用于监控模拟电源，相对于 va-pin 的典型阈值电平为 2.5v，具有 +/- 50mv 迟滞。如果 pfmon 的电压低于阈值，状态寄存器的 lsd（低功耗检测）位将被设置。
18 英尺 nc：空脚。该引脚保持悬空。
19 脚复位：复位输入。复位 - 当复位引脚为低电平时，所有内部寄存器都设置为其默认值。
20脚int：中断输出。当 int 变低时，发生了允许的事件。可以通过向 cs5460a 写入适当的命令来清除 int（逻辑 1）。
21脚eout：电源脉冲输出。eout——功率输出引脚，输出一个脉冲串，脉冲宽度固定，频率（可编程）与功率成正比。22脚edir：能量方向指示输出。如果测得的能量为负，则能量方向指示灯指示。
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。
3 工作原理
cs5460a 可以在单个 +5v 电源上运行。电流通道输入范围为 30mvrms 或 150mvrms，电压通道输入范围为 150mvrms。当va+/-引脚由+5v单电源供电时，cs5460a可以承受-0.25v到va+范围内的共模信号。总耗电量<500mw；电能计量精度：1000:1动态范围以上每秒读数的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%。电源引脚最大输入电流为±50ma；(va+)-(va-)≤+6.0v。
在任何时候，软件或硬件复位都可以初始化系统。软件复位通过向配置寄存器的 rs 位写入逻辑 1 来完成，复位后自动返回逻辑 0。硬件复位是通过强制将复位引脚拉低超过 50ns 来实现的。
寄存器读写命令如下：
其中，w/r为0读寄存器，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发送/接收缓冲区的状态机，状态机在 sclk 的上升沿解释 8 位命令字。根据命令的解码，状态机将执行相应的操作，或者，为了将寻址的内部寄存器的数据传输到发送缓冲区，写操作在数据传输前等待 24 个 sclk 周期。通过寄存器读/写命令，可以从cs5460a中写入或读取数据。图 2 和图 3 是读写时序。数据的读写是通过将相应的 8 位命令字（高位在前）写入串口 sdi 引脚来开始的。需要注意的是，有些命令字在执行过程中会受到周期计数寄存器和配置寄存器内容的影响，并且首先需要正确设置循环计数器和配置寄存器的内容。寄存器写指令后面必须跟 24 位数据，先写命令字开始写操作，然后连续 24 个串行时钟脉冲，cs5460a 将从串行输入引脚 sdi 接收串行数据，一旦接收到数据, status 机器将数据写入配置寄存器并返回命令模式。寄存器读取指令可以在 8 位边界上终止。通过 sdi 引脚写入命令后，可以从 sdo 引脚读取数据。然后连续 24 个串行时钟脉冲，cs5460a 将从串行输入引脚 sdi 接收串行数据，一旦接收到数据，状态机将数据写入配置寄存器并返回命令模式。寄存器读取指令可以在 8 位边界上终止。通过 sdi 引脚写入命令后，可以从 sdo 引脚读取数据。然后连续 24 个串行时钟脉冲，cs5460a 将从串行输入引脚 sdi 接收串行数据，一旦接收到数据，状态机将数据写入配置寄存器并返回命令模式。寄存器读取指令可以在 8 位边界上终止。通过 sdi 引脚写入命令后，可以从 sdo 引脚读取数据。
4 应用
由于cs5460a可用于测量瞬时电流、瞬时电压、瞬时功率、电能，以及电压和电流的有效值，测量结果会以24位有符号或无符号形式存储在内部寄存器中，因此您可以使用cs5460a设计单相多相功能电能表。此外，cs5460还提供电能计量脉冲输出端口eout和功率方向端口edir，可以方便地与步进电机计数器连接，组成一个简单的电能表。当晶振频率为4.096mhz，分频比为1，两个转换器的直流输入为最大值时，输出脉冲的频率与脉冲速度寄存器的频率相同。
图4为典型的电度表电路，其基本电流有效值ib=20a，相线电压有效值v=220v（50hz），计量常数k=500imp/kwh，最大电流有效值imax=100a，最大电压有效值为vmax=300v，差分电压输入和差分电流输入最大值为150mv，电阻r1调节差分电流输入值。
如果用cs5460a设计电子式三相多功能电能表，a、b、c三相各用一个cs5460a即可。每个芯片的输入参数值必须满足cs5460a的技术要求，可以通过mcu测量三相电能等参数。处理，使用单片机发出脉冲寄存器传输级，同时可以测量各相的用电量。采用3片cs5460a设计的电子式三相多功能电能表，有功功率精度可达0.5级，无功功率精度可达1.0级。该性能已投入生产使用。
5 结论
cs5460a的性能优于其他单相计量芯片。目前供电部门对电网的用电量评估参数越来越多，如：有功功率、无功功率、瞬时电压、瞬时电流、瞬时功率等。cs5460a提供了很多测量参数，设计在电能表中，其功能基本满足供电部门的需要，市场前景极为广阔。