基于C8051F310和CS5460A的電壓電流表設(shè)計(jì)

0 引言
    CS5460A是美國(guó)Crystal公司推出的一款用于測(cè)量電壓、電流、功率、能量的集成芯片，該芯片的主要特點(diǎn)是精度高、性能強(qiáng)、成本低且無需微控制器也可獨(dú)立運(yùn)行，它是CS5460的增強(qiáng)版。C8051F310是美國(guó)Silicon Labs公司推出的一款具有8051內(nèi)核的高性能單片機(jī)，它的運(yùn)行速度為普通8051單片機(jī)的12倍，主要特點(diǎn)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(jī)C8051F310設(shè)計(jì)了一種用于測(cè)量電壓電流值的電壓電流表。

1 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)
1．1 C8051F310簡(jiǎn)介
    C8051F310是一款完全集成的混合信號(hào)片上系統(tǒng)型MCU芯片。它具有高速、流水線結(jié)構(gòu)且與8051兼容的CIP-51內(nèi)核，工作頻率可達(dá)25MIP-S，片內(nèi)有全速、非侵入式系統(tǒng)調(diào)試接口。此外，此單片機(jī)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(nèi)RAM為1280字節(jié)。C8051F310內(nèi)含4個(gè)通用的16位定時(shí)器、高精度可編程的25 MHz的內(nèi)部振蕩器和可硬件實(shí)現(xiàn)的SMBus／C、增強(qiáng)型UART和增強(qiáng)型SPI串行接口等。
1．2 CS5460A簡(jiǎn)介
    CS5460A是帶有串行接口的單相雙向功率／電能計(jì)量集成電路。此芯片具有測(cè)量瞬時(shí)電壓、瞬時(shí)電流、瞬時(shí)功率、電壓有效值、電流有效值、功率有效值及電能計(jì)量的功能。CS5460A內(nèi)部集成了兩個(gè)可同時(shí)采樣的△-∑模／數(shù)轉(zhuǎn)換器、高、低通數(shù)字濾波器、能量計(jì)算單元、雙向串行接口、數(shù)字／頻率轉(zhuǎn)換器、寄存器陣列和看門狗定時(shí)器等模擬、數(shù)字信號(hào)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(shí)現(xiàn)電壓、電流、功率、電能的測(cè)量。
1．3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
    本電壓電流測(cè)量系統(tǒng)的總體框圖如圖l所示。該設(shè)計(jì)通過電壓互感器和電流互感器來對(duì)回路的電壓、電流信號(hào)進(jìn)行采樣，并將得到的電壓、電流信號(hào)輸入到芯片CS5460A的電壓電流信號(hào)輸入端，兩路信號(hào)在芯片內(nèi)部實(shí)現(xiàn)A／D轉(zhuǎn)換，并通過內(nèi)部運(yùn)算將電流、電壓等各種數(shù)據(jù)的結(jié)果存入指定的寄存器中。以等待單片機(jī)C8051F310通過芯片CS5460A的串行接口讀取，最后將其結(jié)果通過LED數(shù)碼管顯示出來。

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2 接口電路設(shè)計(jì)
2．1 電壓電流信號(hào)輸入接口設(shè)計(jì)
    CS5460A的電壓通道可與阻容分壓器或互感器進(jìn)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(shè)為10和50。分別對(duì)應(yīng)于最大有效值為150 mV和30 mV的交流信號(hào)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(zhuǎn)換器采用過采樣原理，對(duì)高頻噪聲有較強(qiáng)的抑制作用，因此，對(duì)輸入信號(hào)不需要進(jìn)行復(fù)雜的濾波器處理。只需在互感器輸出端通過取樣電阻對(duì)與輸入交流信號(hào)對(duì)應(yīng)的電流信號(hào)進(jìn)行采樣。然后輸入到芯片CS5460A相應(yīng)的電壓、電流輸入端即可。本設(shè)計(jì)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(hào)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(shí)際使用的電壓范圍為0～400 V。實(shí)際電壓為275 V，取樣電阻R4為1lOkΩ，因而其實(shí)際電流為2．5 mA，因?yàn)殡妷夯ジ衅鞯脑褦?shù)比為1：1。故其標(biāo)準(zhǔn)輸出時(shí)的實(shí)際端電流也是2．5 mA，標(biāo)準(zhǔn)輸出時(shí)的實(shí)際端電壓由CS5460A的參考電壓決定，實(shí)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(shí)際使用中的電流范圍為0～1A，實(shí)際電流為500 mA。因?yàn)殡妷夯ジ衅鞯脑褦?shù)比為2000：1，故其標(biāo)準(zhǔn)輸出時(shí)的實(shí)際端電流為500mA／2000=0．25 mA，標(biāo)準(zhǔn)輸出時(shí)的實(shí)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(jī)的通信接口設(shè)計(jì)
    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(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)信號(hào)線；SDO為串行數(shù)據(jù)輸出線。用于從轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)據(jù)信號(hào)，當(dāng)為高電平時(shí)，SDO端呈高阻狀態(tài)；SCLK為串行時(shí)鐘，用于控制CS5460A與微控制器之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐?；為外部?fù)位接口，單片機(jī)可通過它來控制CS5460A的復(fù)位。CS5460A與單片機(jī)C8051F310的通信接口連接方式如圖3所示。[!--empirenews.page--]

3 軟件設(shè)計(jì)
    本設(shè)計(jì)的軟件部分主要完成系統(tǒng)初始化、內(nèi)部數(shù)據(jù)計(jì)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(wù)程序流程圖。

4 測(cè)試結(jié)果
    在對(duì)本設(shè)計(jì)的電壓電流表進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)量時(shí)，可用該電壓電流表測(cè)量8組不同值，然后與實(shí)際的電壓電流值進(jìn)行比較，所得結(jié)果如表l所列。

    經(jīng)過上述測(cè)量和比較可見，本文所設(shè)計(jì)的電壓電流表的精度可達(dá)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(cè)電壓電流值的使用要求。

5 結(jié)束語
    本文設(shè)計(jì)的基于單片機(jī)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(cè)，目前已經(jīng)在一些石油儀器上得到了應(yīng)用。該表最突出的特點(diǎn)是體積小、操作簡(jiǎn)單、性價(jià)比高、攜帶方便，因而受到許多研發(fā)設(shè)計(jì)部門的青睞，具有很好的市場(chǎng)前景。