基于C8051和CS5460A功率檢測透明模塊設計

摘 要： 為了提高小功率測量、檢測的產品的準確性及穩定性，在此設計基于C8051F340和CS5460A一款小功率檢測模塊。通過優化PCB、軟件算法及大量實驗，證實模塊在比較惡劣的環境下也能準確穩定工作。模塊通過串口命令進行控制，方便嵌入到用戶的產品，縮短了用戶功率檢測產品開發的周期。

關鍵詞： C8051F430； CS5460A； 功率檢測； 檢測模塊

中圖分類號： TN919?34； TP393.17 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）08?0130?03

目前在工業檢測領域很多場合進行功率檢測。穩定可靠的功率檢測模塊，市場需求量比較大。本設計基于C8051和CS5460A設計了一款能進行功率穩定可靠測量的模塊。可以很方便嵌入到用戶的產品中去，使用非常方便，只需通過一些串口指令就能進行參數設定及通過串口進行測量功率值得回讀。

1 系統總體方案

1.1 C8051F340簡介[1]

C8051F340單片機是一款集成了混合信號的系統處理器。它具有高速、流水線結構。兼容8051微控制器內核（可達48 MIPS）。具有在線調試接口。片內自帶多路10位A/D，轉換速度達到200 KSPS。片內RAM是1 280 B。內部有通用的16位定時器4個。最高頻率25 MHz的內部振蕩器可編程控制。還具有2個增強型串口、SPI串行接口及USB接口等。

1.2 CS5460A簡介[2]

CS5460A是帶有SPI串行接口的單相雙向功率、電能計量一款集成電路，CS5460A能測量電流、電壓、功率等電量，同時具有測量交流和直流能力。片內集成了2個同時采樣的A/D轉換器、高通、低通數字濾波器。CS5460A片上雙向SPI接口可以方便與單片機相連接，從而實現電量參數準確測量。

1.3 系統總體設計

采集電路電信號采集通過電壓和電流互感器來實現。對回路的電壓、電流信號進行采樣，把采樣電壓、電流輸入到CS5460A的模擬信號輸入端，通過芯片實現信號轉換，并經過運算把測量的各數據存儲到指定寄存器，通過C8051F340的SPI接口實現對CS5460A的初始化和測量結果的讀取。

通過參考CS5460A文檔資料，設計測量模塊框圖如圖1所示[3]。

2 硬件設計

2.1 信號輸入接口設計[4?5]

通過CS5460芯片資料給出了典型電路，電壓通道接口一般為電阻分壓或者通過電壓互感器進行比例變化；輸入最大150 mV電壓有效值。電流信號一般通過采樣電阻或電流互感器比例變化；電流通道內部集成程控放大器，可設10或50，分別對應150 mV有效值和30 mV的交流信號輸入。芯片內部有高通和低通濾波器，有著較強抗高頻噪聲能力。

一般對輸入信號無需復雜濾波處理，只需采樣合適信號值送至電流、電壓通道即可。本設計采用1 000∶1的電流互感器和1∶1的電壓互感器來作為采樣器件，其采樣接口如圖2所示。

接口電路中采用的是微型電壓互感器和電流互感器。電壓互感器承受最大的400 V。取樣電阻110 kΩ。實際電流為2.5 mA左右，次級取R7=60 Ω。進入電壓輸入端電壓小于150 mV。電流互感器的匝數比是2 000∶1，取R1=600 Ω的精密電阻。根據輸入信號最大150 mV計算可知，原邊輸入最大電流為0.5 A。

2.2 CS5460A與單片機的通信接口設計[6?7]

CS5460A數字接口是4線SPI接口：CS，SDI，SDO和SCLK。其中CS片選，低電平允許訪問串口，CS高電平SDO高阻態；SDI為輸入數據線，是處理器輸出信號到CS5460A；SDO輸出數據線，是CS5460A輸出信號到處理器；SCLK為時鐘線，用來協調數據傳輸的同步；芯片的復位可通過RESET接口完成，可以和單片機復位腳接在一起或有單片機單獨控制。單片機C8051F340和CS5460A的接口連接電路如圖3所示。

3 系統軟件設計[8?10]

系統軟件設計主要有2部分：C8051對CS5460A的操作，包括單片機初始化，特殊功能寄存器的設置，單片機定時器參數的設置，及CS5460A初始化設置。另一主要部分是串口中斷程序。

電壓和電流采集，通過C8051對CS5460A特殊寄存器寫入字節和讀取字節來實現。C8051收到來之串口的通信請求后產生中斷，執行中斷服務程序。反之，若無通信請求，繼續對電壓和電流的采集。

4 系統測試與分析

本文設計的系統對電壓電流進行測量試驗時，系統測量多組不同電壓與電流數值，與實際的電流與電壓值逐一進行比對，如表1所列。

通過分析可見，本系統中對電流與電壓的測量比較高，達到了0.5%。此系統可以滿足一般用戶對電壓電流測量精度的要求。

5 結 語

本系統通過單片機C8051340的SPI口實現對CS5460A控制，通過互感器實現了一定范圍電流和電壓的測量，通過試驗測量精度比較高，達到了0.5%。此功率模塊已經在交通信號燈故障檢測中得到了應用，并已經模塊化。該模塊特點是體積小，操作簡單，易于進行2次開發，具有很好市場前景。

參考文獻

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