【文章內(nèi)容簡介】 /CS:片選。8腳NC:空腳。9腳VIN+:差分電壓正輸入端。10腳VIN:差分電壓負輸入端。11腳VREFOUT:參考電壓輸出。12腳VREFIN:參考電壓輸入。圖31 CS5460引腳圖13腳VA:模擬地。14腳VA+:模擬電源正極。15腳IIN:差分電流負輸入端。16腳IIN+:差分電流正輸入端。17腳PFMON:電源掉電監(jiān)視輸出。 18腳NC:空腳。19腳/RESET:復(fù)位輸入。20腳/INT:中斷輸出。21腳/EOUT:電能脈沖輸出。22腳/EDIR:功率方向指示輸出。23腳SDI:串行數(shù)據(jù)輸入。24腳XIN:晶體振蕩器輸入. CS5460工作原理　　CS5460是具有能量計算引擎的CMOS單片功率測量芯片。輸入電流信號經(jīng)過一個可編程增益放大器，進入Δ∑調(diào)制器和高速數(shù)字濾波器，電壓信號則經(jīng)過固定增益放大器進入Δ∑調(diào)制器和數(shù)字濾波器，兩個濾波器的字輸出速率可程控，其輸出速率為(MCLK/K)/1024，其中，MCLK為系統(tǒng)時鐘頻率，K為時鐘分配器，范圍0－15。經(jīng)過濾波器輸出的即是電流、電壓的瞬時值，相乘就得到功率的瞬時值，每得到一次瞬時值就是完成一次轉(zhuǎn)換。電流、電壓的瞬時值經(jīng)過高通濾波器濾掉直流成分后，運算得到IRMS、VRMS和電能值。每個IRMS、VRMS和電能值的計算周期需要經(jīng)過N次轉(zhuǎn)換，因此電能的計算周期為(MCLK/K)/1024N。即有效值采樣周期是瞬時值采樣周期的N倍。所有這些數(shù)據(jù)由串行接口和單片機進行數(shù)據(jù)交換?！　〔蓸硬糠值耐獠侩娐放cCS5460的接口如圖32所示?！　〔蓸与娐肥菍崿F(xiàn)測量瞬時電壓、瞬時電流、瞬時功率的基礎(chǔ)。各電阻和電容不但精度要求高，而且其作用也不相同。電路中的RP1用于在出現(xiàn)浪涌電流時對電流通道的輸入管腳進行限流保護；在VIN＋腳不需要保護電阻是因為采用了電阻分壓器作為傳感器，電阻分壓器串聯(lián)的電阻已被引到VIN＋腳，如果 CS5460電壓輸入通道的負端沒有接地（VIN＋和VIN－接成差分輸入方式）在信號的輸入端加保護電阻是非常必要的。CP1和CP2的作用是吸收耦合到輸入線路中的高頻噪聲。各電阻和電容應(yīng)最終保證電壓通道輸入的信號滿量程幅值為150 mV，而電流通道輸入的信號滿量程幅值為30 mV或150 mV可選擇（通過增益可編程放大器由程序?qū)崿F(xiàn)）。2. 校準　　對輸入通道的校準，主要有如圖33所示的幾個軟件校準過程。3. 運算處理 電壓和電流通道輸入的信號被校準后送到功率計算單元，由測得的電壓和電流計算出功率。同時還由測得的瞬時電壓和瞬時電流計算出電壓和電流的有效值。4. CS5460的功能控制和測量數(shù)據(jù)輸出方式(一) CS5460的功能控制CS5460的功能控制是通過寫命令字的方式實現(xiàn)的。這些8位長度的命令字包括“啟動轉(zhuǎn)換”、“同步調(diào)整”、“上電/暫?？刂啤?、“掉電控制”、“校準控制”和“寄存器讀/寫”等命令。CS5460內(nèi)部有16個24位長度的用戶可訪問的寄存器。對這些寄存器的訪問是根據(jù)填寫在“寄存器讀/寫”命令中的地址進行的。這此寄存器包括“基本配置”、“電流、電壓偏移校準”、“電流、電壓增益校準”、“循環(huán)計數(shù)值N”,“電能/脈沖轉(zhuǎn)換尺度”、“前次轉(zhuǎn)換的電流、電壓、功率瞬時值”、“前計算周期的電能、電流有效值、電壓有效值”、“時基校準”、“狀態(tài)”、“中斷屏蔽”等寄存器。(二) CS460的測量數(shù)據(jù)輸出方式在CS5460接收到“啟動轉(zhuǎn)換”命令(設(shè)置為多計算循環(huán)方式)后，電能寄存器和電壓、電流有效值寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)，每N(N值在循環(huán)計數(shù)寄存器中設(shè)置)次A/D轉(zhuǎn)換(等于一個計算周期)完畢后更新一次。而電壓、電流、功率瞬時值寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)，則每一次A/D轉(zhuǎn)換完畢后便更新一次。應(yīng)當注意的是：CS5460的狀態(tài)寄存器中的DRDY (數(shù)據(jù)有效)位，在每個計算周期（N次A/D轉(zhuǎn)換完畢）后才置位，同時在/INT腳產(chǎn)生中斷信號(當屏蔽寄存器的“DRDY”位未被屏蔽時)，所以若讓電壓、電流、功率的瞬時值數(shù)據(jù)每更新一次就產(chǎn)生一個中斷請求，需將循環(huán)計數(shù)寄存器的值N設(shè)為1。微控制器進行中斷處理的一般過程是：讀CS5460狀態(tài)寄存器→屏蔽中斷→進行中斷服務(wù)處理→將步驟讀出的值寫回CS5460狀態(tài)寄存器(清狀態(tài)位) →開中斷→返回。(三) CS5460的信號輸入電路CS5460的電流通道可與低功耗分流器或互感器接口；電壓通道可與阻性分壓器或互感器接口。其電流通道的可編程增益放大器（PGA）的增益可設(shè)為10和50，分別對應(yīng)于最大有效值為150 mV和30mV的交流信號輸入；電壓通道的最大有效值輸入為150mV。由于CS5460的ΣΔ型模/數(shù)轉(zhuǎn)換器采用過采樣原理，對高頻噪聲有較強的抑制作用，因而對輸入信號無需進行復(fù)雜的濾波處理(引入阻容濾波電路反而容易引起相移)。(四) CS5460與微控制器的接口CS5460有四條串行接口線：/CS，SDI，SDO和SCL，/CS為片選控制線，低電平有效；SD1為串行數(shù)據(jù)輸入線；SDO為串行數(shù)據(jù)輸出線；SCL1C為串行時鐘，用于控制C 55460與微控制器之間數(shù)據(jù)傳輸同步。如果每次數(shù)據(jù)讀/寫操作都要通過SDI引腳寫入8位的命令字節(jié)，該操作需要8個SCL時鐘周期。如果寫入的是“寄存器讀/寫”命令，那么接下來應(yīng)通過SDI引腳寫入24位數(shù)據(jù)或通過SDO引腳輸出8，16，24位數(shù)據(jù)。SCL1C時鐘周期的個數(shù)由數(shù)據(jù)位數(shù)決定。應(yīng)當注意的是，在通過SDO引腳讀取數(shù)據(jù)的時候，必須同時向SDI引腳寫入與8，16，24位數(shù)據(jù)大小相對應(yīng)的1，2，3個空操作（NOP）命令字節(jié)。 本部分硬件設(shè)計　本系統(tǒng)由CS5460實現(xiàn)瞬時電壓、瞬時電流、瞬時功率的測量，由單片機實現(xiàn)電能計量及其他功能，接口電路如圖34所示。圖34 CS5460典型接口電路圖CS5460的串行接口包括4個控制線即：CS，SDI，SDO和SCLK。CS為片選信號，是允許訪問串口的控制線，低電平有效，高電平時SDO端呈高阻狀態(tài)，；SDI為串行數(shù)據(jù)輸入端，用來把從單片機的數(shù)據(jù)傳輸?shù)紺S5460；SDO為串行數(shù)據(jù)輸出端，用來將數(shù)據(jù)輸出到單片機，通過實驗還發(fā)現(xiàn)，如果將串行數(shù)據(jù)輸入SD1和串行數(shù)據(jù)輸出SD0連在一起，同樣可以進行串行通訊，而且僅需要兩條接口線；SCLK是控制數(shù)據(jù)輸入或輸出的串行位時鐘，在SCLK的電平轉(zhuǎn)換能被端口識別之前CS必須被置為邏輯低電平。單片機就是通過這4條控制線來實現(xiàn)與CS5460的數(shù)據(jù)交換。單片機從CS5460中讀取的瞬時電壓、瞬時電流和瞬時功率等數(shù)據(jù)經(jīng)處理后存在存儲器內(nèi)，上電后單片機從存儲器內(nèi)讀數(shù)據(jù)到內(nèi)存中。所有這些數(shù)據(jù)可以通過外部通訊接口由上位機讀出，也可以由液晶顯示器上方便地查詢。如圖34 CS5460典型接口電路圖所示，它的基本電流有效值=20A，相線電壓有效值V=220V（50Hz），計量常數(shù)K=500imp/kWh，假定量大電流有效值為=100A，最大電壓有效值為=300V，根據(jù)CS5460的差分電壓輸入和差分電流輸入最大值為150mV的技術(shù)指標，則電流和電壓通道的變比KI、KV分別1/10000和1/20000。當選取電流互感器二次側(cè)最大電流為10mA時，二次側(cè)取樣電阻的值應(yīng)為15Ω。 CAN總線通訊 CAN總線及其芯片介紹CAN總線是國際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線之一。最早是由德國Bosch公司推出，用于汽車內(nèi)部測量與執(zhí)行部件之間的數(shù)據(jù)通信協(xié)議。現(xiàn)場總線領(lǐng)域中，CAN總線得到了計算機芯片商的廣泛支持，他們紛紛推出直接帶有CAN接口的微處理器(MCU)芯片。CAN是一種多主方式的串行通訊總線，基本設(shè)計規(guī)范要求有高的位速率，高的抗電磁干擾性，而且能夠檢測出產(chǎn)生的任何錯誤。CAN網(wǎng)絡(luò)具有如下特點：網(wǎng)絡(luò)上任意一個節(jié)點均可在任意時刻主動向網(wǎng)絡(luò)上的其它節(jié)點發(fā)送信息，而不分主從；采用非破壞性總線仲裁技術(shù)，當兩個節(jié)點同時向網(wǎng)絡(luò)上傳送信息時，優(yōu)先級低的節(jié)點主動停止數(shù)據(jù)發(fā)送，而優(yōu)先級高的節(jié)點可不受影響地繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)；具有點對點，一點對多點及全局廣播傳送接收數(shù)據(jù)的功能；通訊距離最遠可達10km(5kbps)，通訊速率最高可達1Mbps(40 m)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)實際可達110個，每一幀的有效字節(jié)數(shù)最多為8個，這樣傳輸時間短，受干擾的概率低，通訊介質(zhì)采用廉價的雙絞線即可，無特殊要求。每幀信息都有CRC校驗及其它檢錯措施，數(shù)據(jù)出錯率極低，可靠性極高；在傳輸信息出錯嚴重時，節(jié)點可自動切斷它與總線的聯(lián)系，以使總線上的其它操作不受影響。1. CAN總線控制芯片SJA1000 SJA1000是一種獨立的CAN控制器，主要用于移動目標和一般為業(yè)環(huán)境中的區(qū)域網(wǎng)絡(luò)控制。 B協(xié)議的總線控制器，它是應(yīng)用于汽車和一般工業(yè)環(huán)境的獨立CAN總線控制器。SJA1000具有完成CAN通信協(xié)議所要求的全部特性。經(jīng)過簡單總線連接的SJA1000可完成CAN總線的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的所有功能。其硬件與軟件設(shè)計可兼容基本CAN模式(BasicCA N)和新增加的增強CAN模式(PeliCAN)。SJA1000的主要特性為：（1） 管腳及電氣特性與獨立CAN總線控制器PCA82C 200兼容；（2） 軟件與PCA82C200兼容(缺省為基本CAN模式)；（3） 擴展接收緩沖器(64字節(jié)FIFO)；（4） ；（5） 同時支持11位和29位際識符；（6） 位通訊速率為1Mbits/s；（7） 增強CAN模式(PeliCAN)；（8） 采用24MHz時鐘頻率；（9） 支持多種微處理器接口；（10） 可編程CAN輸出驅(qū)動配置。支持熱插拔；工作溫度范圍為（40～+125攝氏度）；圖35 SJA1000 芯片引腳排列與名稱SJA1000芯片引腳功能圖：如圖35所示。(一) AD7ADO(2，1，2823腳):多路地址/數(shù)據(jù)總線；(二) ALE/AS (3):ALE輸人信號(Intel模式)，AS輸人信號Motorola模式)；(三) /CS (4):片選輸人低電平允許訪問SJAlO00)；(四) /RD /E (5):微控制器的/RD信號(Intel模式)或E使能信號(Motorola模式)；(五) /WR (6):微控制器的/WR信號(Intel模式)或RD/ WR信號(Motorola模式)；(六) CLKOUT (7):SJA1001)產(chǎn)生的提供給微控制器的時鐘輸出信號時鐘信號：來源于內(nèi)部振蕩器且通過編程驅(qū)動。時鐘控制寄存器的時鐘關(guān)閉位可禁止該引腳；(七) VSSI (8):接地；(八) XTAL1 (9):輸人到振蕩器放大電路，外部振蕩信號由此輸人；(九) XTAL2 (10):振蕩放大電路輸出，使用外部振蕩信號時左開路輸出；(十) MODE(11):模式選擇輸人。1=Intel模式，D=Motorola模式；(十一) VDD3 (12):輸出驅(qū)動的5V電壓源；(十二) TXO (13 ):從CAN輸出驅(qū)動器0輸出到物理線路上；(十三) TX1 (14):從CAN輸出驅(qū)動器1輸出到物理線路上；(十四) VSS3 (15):輸出驅(qū)動器接地。2. CAN總線接口芯片82C250 82C250是Philips公司的CAN總線接口芯片，是CAN控制器與物理總線之間的接口，它最初是為汽車中的高速應(yīng)用(達1Mbps)而設(shè)計的。該器件可以提供對總線的差動發(fā)送和接收功能。其主要特性如下：與IS011898標準完全兼容；高速率(最高可達1Mbps)；具有抗惡劣環(huán)境下的瞬間干擾；保護總線能力；過熱保護；總線可連接110個節(jié)點。82C250具有如下特性：與ISO11898標準完成兼容；高速率（最高可達1Mbps）具有抗汽車環(huán)境下的瞬間干擾，保護總線能力；采用斜率控制，降低射頻干擾；過熱保護；總線與電源及地之間的短路保護；低電流待機模式；未上電節(jié)點不會干擾總線；總線至少可連接110個節(jié)點。82C250驅(qū)動電路內(nèi)部具有限流電路，可防止發(fā)送輸出級對電源、地或負載短路。雖然短路出現(xiàn)時功耗增加，但不致使輸出級損壞。若結(jié)溫超過大約160℃，則兩個發(fā)送器輸出端極限電流將減小，由于發(fā)送器是功耗的主要部分，因而限制了芯片的溫升。82C250采用雙線差分驅(qū)動，有助于抑制惡劣電氣環(huán)境下的瞬變干擾。引腳8(RS)用于選定82C250的工作模式。有3種不同的工作模式可供選擇：高速、斜率控制和待機。對一高速工作模式，發(fā)送器輸出級晶體管被盡可能快地啟動和關(guān)閉。在這種模式下，不采取任何措施限制上升和下降的斜率。此時，建議采用屏蔽電纜以避免射頻干擾問題的出現(xiàn)。通過把引腳8接地可選擇高速工作模式。對于較低速度或較短的總線長度，可使用非屏蔽雙絞線或平行線作總線。為降低射頻干擾，應(yīng)限制上升和下降的斜率。上升和下降的斜率可以通過由引腳8至地連接的電阻進行控制，斜率正比于引腳8上的電流輸出。如果引腳8接高電平，則電路進入低電平待機模式。在這種模式下，發(fā)送器被關(guān)閉，接收器轉(zhuǎn)至低電流。如果檢測到顯性位，RXD將轉(zhuǎn)至低電平。微控制器應(yīng)通過引腳8將驅(qū)動器變?yōu)檎９ぷ鳡顟B(tài)來對這個條件做出響應(yīng)，由于在待機模式下接收器是慢速的，因此將丟失第一個報文。利用82C250還可方便地在CAN控制器與驅(qū)動器之間建立光電隔離，以實現(xiàn)總線上各節(jié)點間的電氣隔離。利用CAN控制器的雙相位輸出模式，通過設(shè)計適當?shù)慕涌陔娐?，也不難實現(xiàn)人們希望的電源線與CAN通信線的復(fù)用。另外，CAN協(xié)議中卓越的錯誤檢出及自動重發(fā)功能為建立高效的基于電力線載波或無線電介質(zhì)的CAN通信系統(tǒng)提供了方便。82C250使用時應(yīng)該注意的問題：CAN節(jié)點的接收發(fā)送端均為差分輸人輸出，所以一般來說，在媒體上只要能夠呈現(xiàn)兩種電平的模擬量差，就可以滿足CAN的要求。使用PCA82C250作為CAN控制器與物理總線之間的接口時應(yīng)注意以下幾個問題：注意電纜的終端阻抗匹配，這直接影響CAN總線是否能正常工作和網(wǎng)絡(luò)性能：盡可能地提高接收端的共模抑制能力；當網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模較大時(節(jié)點數(shù)和網(wǎng)線長度)，必須考慮增加輸出電流，以提高輸出驅(qū)動能力。3. CAN的幾個控制模塊(一) 接口管理邏輯：接口管理邏輯IML解釋來自CPU的