cs5463 校准

CS5463在智能电能设计中的应用 内容提要：本文简要介绍了CS5463在智能电能表设计中的应用，该系统是一种基于嵌入式操作系统平台的电能表，主要的硬件结构包括ARM核微控制器LPC2106，单相功率/电能计量芯片CS5463等。利用LPC2106的SPI三线串口控制三片CS5463，从中读取所测得三相电流、电压及功率值等。  关键词：CS5463;电能表；ARM；嵌入式实时操作系统 一．引言 目前，电子式电能表在国内得到了广泛应用。与传统设计相比，采用专用的电能表芯片可有效降低电路设计的复杂程度，缩短开发周期。CS5463是由德国CIRRUSLOGIC公司生产的一种单相电子式电能表芯片，目前在国内较为常用。它是带串行接口和△-Σ模数转换器（ADC），能够进行高速功率（电能）计算的高度集成电路，可以精确测量瞬时电压、电流、功率以及电压、电流有效值等，特别适用于开发单相2线、3线用电表。本设计中利用LPC2106作为主控制器，采用μC/OS-II操作系统来进行软件下开发。 二．硬件设计 1．系统原理 图1硬件电路 硬件结构如图1所示，LPC2106作为CS5463的控制器。LPC2106是Philips公司推出的一款以ARM7TDMI-S为核心的32位微控制器，其内部集成了很多功能，包括128k字节的高速Flash存储器、64k字节的RAM、2个UART、多个32位定时器，以及SPI、I2C串行接口和RTC等，其I/O可承受5V电压。 CS5463与LPC2106以SPI接口，LPC2106作为SPI接口的主机，CS5463O为从机，信号线分别是时钟线SCK，串行数据（主入从出线）MISO，串行数据（主出从入线）MOSI。首先由采样电路将输入的大电流/电压转化为CS5463能够接收的小电压信号（电流/电压转换到CS5463能够接收的电压范围）。CS5463根据采样的电流/电压计算出电能，然后将电流、电压、电能和功率等通过三线双向串行接口传送给LPC2106，图中只给出了一片CS5463的连接方法，其余两片CS5463的SCK、MISO、MOSI分别与其相应引脚并接在一起，由各自的片选来选择具体读写哪一片数据。 由于CS5463是以定宽变频脉冲输出能量值，因此将其能量输出引脚与LPC2106的一个外部中断引脚相连，用来收集能量值。 2．CS5463芯片简介 CS5463是带有串行接口和△-Σ模数转换器（ADC），能够进行高速功率（电能）计算的高度集成电路。CS5463可以通过使用低成本的分压电阻器或电压互感器测量电压，使用分流器或电流互感器测量电流，从而计算出有功功率。因此该电路特别适用于开发单相2线，3线用电表。与上一代CS5460相比，CS5463还能提供视在功率、无功功率等多种参数计算，可满足设计者多方面需求。此外，CS5463片内还带有温度传感器，有助于设计者满足温度漂移误差，提高测量精度。 （1）主要特点： 可精确测量瞬时电压、电流、功率以及电压、电流有效值；IRMS和VRMS,视在功率,有功和无功功率；有功的基波和谐波功；无功的基波功率,功率因数,频率；具有电能-脉冲转换功能；具有系统校准和相位补偿，温度传感器，片内2.5V参考电压（最大温漂25ppm/℃）；可以从串行EEPROM智能“自引导”，不需要微控制器。 （2）内部结构及工作原理 图2CS5463内部结构框图 CS5463内部结构框图如图2所示，内部集成了2个可编程增益放大器，2个△-Σ模数转换器，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。 VA+/VA-:正负模拟电源，+5V/0或+2.5V/-2.5V； VD+/DGND:数字电源和地,+3.3V～+5V/0； PEMON:掉电监视器，监示模拟电源状况； VIN+/VIN-:电压通道的差模模拟输入，范围是±250mV; IIN+/IIN-:电流通道的差模模拟输入，范围是±50mV（PGA设置为50X时）； VREFIN/VREFOUT:参考电压输入/输出，由片上提供，通常为2.5V; MODE:模式选择，用于配置CS5463自引导模式； CS:片选，低有效； SCLK:串行时钟输入： SDI/SDO:串行数据输入/输出； E1/E2/E3(EOUT):能量输出，低电平有效、频率和能量成比例关系的脉冲，3个引脚分别对应有功功率、视在功率和无功功率。 电压和电流通道的输入模拟信号送入可编程PGA进行增益放大，放大后由△-Σ调制器以一定的采样速度采样，采样的结果再进行高速数字滤波，得到符合要求的数字信号。滤波后的瞬态电压和电流的数字量将进行偏移量和增益调整，这是基于DC偏移量寄存器（加法运算）和增益寄存器（乘法运算）的调整。调整后的24位瞬态数据采样值将存入瞬态电压和电流寄存器，用户可以通过串口从中读出采样数据。以有功功率的计算为例，采样得到瞬态电压和电流的数字量，把每对瞬态电压和电流的数据相乘，得到瞬时有功功率的采样值。每个A/D采样周期后，新的瞬态功率采样值就存入功率寄存器，N个瞬时功率采样值为一组，每组的值累加和用于计算以后放在能量寄存器中的数值，它与电路在N个A/D转换周期中的有功功率值成正比。同样原理，电压和电流有效值也利用最近的N个瞬态电压、电流采样值计算，并可从RMS电压和电流寄存器中读出。 （3）基本操作 对CS5463的操作是通过SPI串行接口向其传输命令字来实现的。CS5463的串行口包括4条控制线：、SDI、SDO、SCLK。一个数据的传输总是从向串行接口的SDI发送8位命令开始的，当命令中包括一个写入操作时，在其后的24个SCLK周期内，串口将持续从SDI引脚读入串行数据。当发出一个读取命令时，串口将根据发出的命令，在其后的8、16、24个SCLK周期从SDO引脚上串行输出寄存器内容。 （4）基本应用 初始化：CS5463上电后，第一步是给复位脉冲到RESET脚，然后再初始化CS5463。 ① SDI、SCLK、CS为低（片选芯片，拉低脚位）； ② SDI为高，SCLK发32个脉冲,SDI为低，SCLK发1个脉冲（即在串口上连续发3个SYNC1（0xFF）命令，再发1个SYNC0（0xFE）命令）。 CS5463基本寄存器配置： ① 在串口上发0x5e命令，再发0x800000数据（即把0x800000写到状态寄存器,用途是清除状态寄存器DRDY位等功能）； ② 在串口上发0x40命令，再发0x000001数据（即把0x000001写到配置寄存器,用途是设定K=1等功能）； ③ 在串口上发0x4a命令，再发0x000fa0数据（即把0x000fa0写到周期计数寄存器,用途是设定N=4000）； ④ 在串口上发0x74命令，再发0x000000数据（即把0x000000写到屏蔽计数寄存器,用途是不激活INT脚等功能）； ⑤ 在串口上发0x64命令，再发0x000001数据（即把0x000001写到操作模式寄存器,用途是激活自动在线频率测量等功能）； ⑥ 将校准得到的DCoff与ACgain的值从E2PROM写到相应的寄存器； ⑦ 在串口上发0xe8命令(即把采样/测量模式设为连续计算周期），读取相应的寄存器得到测量值。 校准DCoff： ① 将芯片的VIN±和IIN±接地，在串口上发0xa0命令（停止计算，中止A/D转换）； ② 在串口上发0xd1命令（电压通道DC偏移校准命令）； ③ 在串口上发0x1e命令,读状态寄存器内的DRDY位为1，则表示校准已完成，不为1则等待； ④ 校准完成，在串口上发0x06命令，去读电压通道DC偏移寄存器值并把它存到存储器中； ⑤ 在串口上发0xc9命令（电流通道DC偏移校准命令）； ⑥ 在串口上发0x1e命令,读状态寄存器内的DRDY位为1，则表示校准已完成，不为1则等待； ⑦ 校准完成，在串口上发0x02命令，去读电流通道DC偏移寄存器值并把它存到存储器中。 校准ACgain： ① 在指定电压范围内输入交流信号到芯片的VIN±、IIN±脚。例如：电压/电流通道最大输入电压为±250mV,为适应更大的电压范围，系数取0.6,则输入交流信号为150mV，实际上一般取110mV； ② 在串口上发0xa0命令（停止计算，中止A/D转换）； ③ 在串口上发0xd6命令（电压通道AC增益校准命令）； ④ 在串口上发0x1e命令,读状态寄存器内的DRDY位为1，则表示校准已完成，不为1则等待； ⑤ 校准完成(这时Vrms寄存器值近似等于0.6)，在串口上发0x08命令，去读电压通道AC增益寄存器值并把它存到存储器中； ⑥ 在串口上发0xce命令（电流通道AC增益校准命令）； ⑦ 在串口上发0x1e命令,读状态寄存器内的DRDY位为1，则表示校准已完成，不为1则等待； ⑧ 校准完成(这时Irms寄存器值近似等于0.6)，在串口上发0x04命令，去读电流通道AC增益寄存器值并把它存到存储器中。 三．软件设计 1.μC/OS-II在LPC2106上的移植 LPC2106是以ARM7TDMI-S为核心的32位微控制器，ARM的应用系统可以基于嵌入式操作系统平台，也可以不使用操作系统，直接通过启动代码启动。本系统选用嵌入式实时操作系统μC/OS-II，首先需要将μC/OS-II操作系统移植到LPC2106微处理器上。大部分μC/OS-II的源代码大部分是用C语言写的，因此μC/OS-II的可移植性强。然而仍需要用汇编语言编写一些与处理器硬件相关的代码，这是因为实现μC/OS-II读写处理器寄存器时只能通过汇编语言来实现。在μC/OS-II中，这部分代码分成3个文件：OS_CPU.H、OS_CPU_A.ASM和OS_CPU_C.C。因此，把μC/OS-II移植到LPC2106中时需要对上述3个文件进行部分修改（具体内容可参见周立功LPC2100专用工程模板），本设计是在ADS1.2集成开发环境下进行程序调试的。 2.数据采集及计算 数据的采集和计算主要由CS5463完成，当发出启动转换的命令之后，延时适当的时间，就可以从相应的寄存器中读出所需要的测量值。 继续阅读