基于C8051F310和CS5460A的电压电流表设计

0 引言
    CS5460A是美国Crystal公司推出的一款用于测量电压、电流、功率、能量的集成芯片，该芯片的主要特点是精度高、性能强、成本低且无需微控制器也可独立运行，它是CS5460的增强版。C8051F310是美国Silicon Labs公司推出的一款具有8051内核的高性能单片机，它的运行速度为普通8051单片机的12倍，主要特点是高速率、低功耗、外围器件少、可靠性高。所以，本文基于芯片CS5460A和单片机C8051F310设计了一种用于测量电压电流值的电压电流表。

1 系统电路设计
1．1 C8051F310简介
    C8051F310是一款完全集成的混合信号片上系统型MCU芯片。它具有高速、流水线结构且与8051兼容的CIP-51内核，工作频率可达25MIP-S，片内有全速、非侵入式系统调试接口。此外，此单片机还带有模拟多路器、真正的10位、200ksps的25通道单端／差分ADC。其片内RAM为1280字节。C8051F310内含4个通用的16位定时器、高精度可编程的25 MHz的内部振荡器和可硬件实现的SMBus／C、增强型UART和增强型SPI串行接口等。
1．2 CS5460A简介
    CS5460A是带有串行接口的单相双向功率／电能计量集成电路。此芯片具有测量瞬时电压、瞬时电流、瞬时功率、电压有效值、电流有效值、功率有效值及电能计量的功能。CS5460A内部集成了两个可同时采样的△-∑模／数转换器、高、低通数字滤波器、能量计算单元、双向串行接口、数字／频率转换器、寄存器阵列和看门狗定时器等模拟、数字信号处理单元。其中双向串行接口和寄存器阵列可以方便地与微处理器(MPU)相连接，从而实现电压、电流、功率、电能的测量。
1．3 系统总体设计
    本电压电流测量系统的总体框图如图l所示。该设计通过电压互感器和电流互感器来对回路的电压、电流信号进行采样，并将得到的电压、电流信号输入到芯片CS5460A的电压电流信号输入端，两路信号在芯片内部实现A／D转换，并通过内部运算将电流、电压等各种数据的结果存入指定的寄存器中。以等待单片机C8051F310通过芯片CS5460A的串行接口读取，最后将其结果通过LED数码管显示出来。

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2 接口电路设计
2．1 电压电流信号输入接口设计
    CS5460A的电压通道可与阻容分压器或互感器进行接口；电流通道则可与低功耗分流器或互感器接口。电流通道的可编程增益放大器(P-GA)的增益可设为10和50。分别对应于最大有效值为150 mV和30 mV的交流信号输入；电压通道的最大有效值输入为150 mV。由于芯片CS5460A的△-∑型M／D转换器采用过采样原理，对高频噪声有较强的抑制作用，因此，对输入信号不需要进行复杂的滤波器处理。只需在互感器输出端通过取样电阻对与输入交流信号对应的电流信号进行采样。然后输入到芯片CS5460A相应的电压、电流输入端即可。本设计选用2000：1的电流互感器和1：1的电压互感器来作为采样器件。其模拟信号输入接口电路如图2所示。

    系统中的微型电压互感器采用GPT-206B型，输出额定电流为2 mA，实际使用的电压范围为0～400 V。实际电压为275 V，取样电阻R4为1lOkΩ，因而其实际电流为2．5 mA，因为电压互感器的匝数比为1：1。故其标准输出时的实际端电流也是2．5 mA，标准输出时的实际端电压由CS5460A的参考电压决定，实际为150 mV(芯片CS5460A的参考电压为0～150 mV)，故取样电阻R7为150mV／2．5 mA=60Ω。
    微型电流互感器采用GCT-207系列，额定输出电流为2．5 mA。实际使用中的电流范围为0～1A，实际电流为500 mA。因为电压互感器的匝数比为2000：1，故其标准输出时的实际端电流为500mA／2000=0．25 mA，标准输出时的实际端电压则由CS5460A的参考电压决定为150 mV (芯片CS5460A的参考电压为0～150 mV)，因此，取样电阻R1为150 mV／0．25 mA=600Ω。这样，互感器输出端的取样电阻分别为60Ω／和600 Ω的精密电阻。
2．2 CS5460A与单片机的通信接口设计
    CS5460A有四条串行接口线：、SDI、SDO和SCLK。其中为片选控制线，是允许访问串口的控制线，低电平有效；SDI为串行数据输入线，是用来把数据传输到转换器的数据信号线；SDO为串行数据输出线。用于从转换器输出数据信号，当为高电平时，SDO端呈高阻状态；SCLK为串行时钟，用于控制CS5460A与微控制器之间数据传输的同步；为外部复位接口，单片机可通过它来控制CS5460A的复位。CS5460A与单片机C8051F310的通信接口连接方式如图3所示。[!--empirenews.page--]

3 软件设计
    本设计的软件部分主要完成系统初始化、内部数据计算、数据显示输出等功能。图4所示是其主程序流程图和中断服务程序流程图。

4 测试结果
    在对本设计的电压电流表进行试验测量时，可用该电压电流表测量8组不同值，然后与实际的电压电流值进行比较，所得结果如表l所列。

    经过上述测量和比较可见，本文所设计的电压电流表的精度可达0．5％，此精度足可以将该电表装配在石油仪器仪表上从而满足其监测电压电流值的使用要求。

5 结束语
    本文设计的基于单片机C8051F310和芯片CS5460A的电压电流表主要用于仪器仪表的电流电压监测，目前已经在一些石油仪器上得到了应用。该表最突出的特点是体积小、操作简单、性价比高、携带方便，因而受到许多研发设计部门的青睐，具有很好的市场前景。