基于C8051F310和CS5460A的電壓電流表設計

0 引言
    CS5460A是美國Crystal公司推出的一款用于測量電壓、電流、功率、能量的集成芯片，該芯片的主要特點是精度高、性能強、成本低且無需微控制器也可獨立運行，它是CS5460的增強版。C8051F310是美國Silicon Labs公司推出的一款具有8051內核的高性能單片機，它的運行速度為普通8051單片機的12倍，主要特點是高速率、低功耗、外圍器件少、可靠性高。所以，本文基于芯片CS5460A和單片機C8051F310設計了一種用于測量電壓電流值的電壓電流表。

1 系統(tǒng)電路設計
1．1 C8051F310簡介
    C8051F310是一款完全集成的混合信號片上系統(tǒng)型MCU芯片。它具有高速、流水線結構且與8051兼容的CIP-51內核，工作頻率可達25MIP-S，片內有全速、非侵入式系統(tǒng)調試接口。此外，此單片機還帶有模擬多路器、真正的10位、200ksps的25通道單端／差分ADC。其片內RAM為1280字節(jié)。C8051F310內含4個通用的16位定時器、高精度可編程的25 MHz的內部振蕩器和可硬件實現(xiàn)的SMBus／C、增強型UART和增強型SPI串行接口等。
1．2 CS5460A簡介
    CS5460A是帶有串行接口的單相雙向功率／電能計量集成電路。此芯片具有測量瞬時電壓、瞬時電流、瞬時功率、電壓有效值、電流有效值、功率有效值及電能計量的功能。CS5460A內部集成了兩個可同時采樣的△-∑模／數(shù)轉換器、高、低通數(shù)字濾波器、能量計算單元、雙向串行接口、數(shù)字／頻率轉換器、寄存器陣列和看門狗定時器等模擬、數(shù)字信號處理單元。其中雙向串行接口和寄存器陣列可以方便地與微處理器(MPU)相連接，從而實現(xiàn)電壓、電流、功率、電能的測量。
1．3 系統(tǒng)總體設計
    本電壓電流測量系統(tǒng)的總體框圖如圖l所示。該設計通過電壓互感器和電流互感器來對回路的電壓、電流信號進行采樣，并將得到的電壓、電流信號輸入到芯片CS5460A的電壓電流信號輸入端，兩路信號在芯片內部實現(xiàn)A／D轉換，并通過內部運算將電流、電壓等各種數(shù)據(jù)的結果存入指定的寄存器中。以等待單片機C8051F310通過芯片CS5460A的串行接口讀取，最后將其結果通過LED數(shù)碼管顯示出來。

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2 接口電路設計
2．1 電壓電流信號輸入接口設計
    CS5460A的電壓通道可與阻容分壓器或互感器進行接口；電流通道則可與低功耗分流器或互感器接口。電流通道的可編程增益放大器(P-GA)的增益可設為10和50。分別對應于最大有效值為150 mV和30 mV的交流信號輸入；電壓通道的最大有效值輸入為150 mV。由于芯片CS5460A的△-∑型M／D轉換器采用過采樣原理，對高頻噪聲有較強的抑制作用，因此，對輸入信號不需要進行復雜的濾波器處理。只需在互感器輸出端通過取樣電阻對與輸入交流信號對應的電流信號進行采樣。然后輸入到芯片CS5460A相應的電壓、電流輸入端即可。本設計選用2000：1的電流互感器和1：1的電壓互感器來作為采樣器件。其模擬信號輸入接口電路如圖2所示。

    系統(tǒng)中的微型電壓互感器采用GPT-206B型，輸出額定電流為2 mA，實際使用的電壓范圍為0～400 V。實際電壓為275 V，取樣電阻R4為1lOkΩ，因而其實際電流為2．5 mA，因為電壓互感器的匝數(shù)比為1：1。故其標準輸出時的實際端電流也是2．5 mA，標準輸出時的實際端電壓由CS5460A的參考電壓決定，實際為150 mV(芯片CS5460A的參考電壓為0～150 mV)，故取樣電阻R7為150mV／2．5 mA=60Ω。
    微型電流互感器采用GCT-207系列，額定輸出電流為2．5 mA。實際使用中的電流范圍為0～1A，實際電流為500 mA。因為電壓互感器的匝數(shù)比為2000：1，故其標準輸出時的實際端電流為500mA／2000=0．25 mA，標準輸出時的實際端電壓則由CS5460A的參考電壓決定為150 mV (芯片CS5460A的參考電壓為0～150 mV)，因此，取樣電阻R1為150 mV／0．25 mA=600Ω。這樣，互感器輸出端的取樣電阻分別為60Ω／和600 Ω的精密電阻。
2．2 CS5460A與單片機的通信接口設計
    CS5460A有四條串行接口線：、SDI、SDO和SCLK。其中為片選控制線，是允許訪問串口的控制線，低電平有效；SDI為串行數(shù)據(jù)輸入線，是用來把數(shù)據(jù)傳輸?shù)睫D換器的數(shù)據(jù)信號線；SDO為串行數(shù)據(jù)輸出線。用于從轉換器輸出數(shù)據(jù)信號，當為高電平時，SDO端呈高阻狀態(tài)；SCLK為串行時鐘，用于控制CS5460A與微控制器之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐?；為外部復位接口，單片機可通過它來控制CS5460A的復位。CS5460A與單片機C8051F310的通信接口連接方式如圖3所示。[!--empirenews.page--]

3 軟件設計
    本設計的軟件部分主要完成系統(tǒng)初始化、內部數(shù)據(jù)計算、數(shù)據(jù)顯示輸出等功能。圖4所示是其主程序流程圖和中斷服務程序流程圖。

4 測試結果
    在對本設計的電壓電流表進行試驗測量時，可用該電壓電流表測量8組不同值，然后與實際的電壓電流值進行比較，所得結果如表l所列。

    經過上述測量和比較可見，本文所設計的電壓電流表的精度可達0．5％，此精度足可以將該電表裝配在石油儀器儀表上從而滿足其監(jiān)測電壓電流值的使用要求。

5 結束語
    本文設計的基于單片機C8051F310和芯片CS5460A的電壓電流表主要用于儀器儀表的電流電壓監(jiān)測，目前已經在一些石油儀器上得到了應用。該表最突出的特點是體積小、操作簡單、性價比高、攜帶方便，因而受到許多研發(fā)設計部門的青睞，具有很好的市場前景。