2 系統(tǒng)硬件構成
2.1? CS5467芯片介紹
　　CS5467是一個包括4個△∑模數(shù)轉換器（ADC）、功率計算功能、電能到頻率轉換器和一個串行接口的完整的四路功率/能源電表IC。它能精確測量瞬時電流和電壓，計算VRMS和IRMS、瞬時功率、有用功率、視在功率以及無功功率等。芯片內部結構如圖3所示。

?

　　芯片主要性能特點如下：
　　(1)電能數(shù)據(jù)線性度在1 000:1動態(tài)范圍內為±0.1%；
　　(2)符合IEC、ANSI、JIS工業(yè)標準；
　　(3)單電源工作和低功耗；
　　(4)系統(tǒng)校準/相位補償；
　　(5)單電源地參考信號；
　　(6)電流故障和電壓下降檢測；
　　(7)內帶電源監(jiān)視器；
　　(8)SPI接口通信。
2.2 傳感器的選擇
　　電壓傳感器選擇森社電子生產的宇波模塊CHV-25P。CHV-25P為閉環(huán)霍爾電壓傳感器，采用霍爾磁補償工作原理，可測量DC、AC、脈動電壓和小電流,具有測量精度高，線性度小(0.1%)，反應時間短(10?滋s)等優(yōu)點。電路連接如圖4(a)所示。
CHV-25P的“+HT”端和“-HT”端為輸入端，連接被測電源設備，采集電源的輸入電壓值；“+”端和“-”端為CHV-25P的供電端口，連接±12V電源；M端為輸出端，連接測量系統(tǒng)，將反饋電壓值送入CS5467芯片中。R1為前端限流電阻，Rm為輸出分壓電阻，由于傳感器的匝數(shù)比為2 500:1 000，額定電流為10mA，所以選擇R1=80kΩ/2W和Rm=820Ω的電阻相匹配，實現(xiàn)輸入電壓和輸出電壓成40:1的比例關系，及輸入電源電壓為220V，傳感器“M”端感應出的電壓為5.5V。但此時感應出的電壓值還不能直接送入CS5467中，這是因為CS5467電壓通道的滿量程為250mV，所以還需要進行分壓操作。在此選擇10kΩ接地電阻和100Ω電阻匹配，進行100:1的降壓操作，使CS5467的輸入電壓值滿足要求。

?

　　電流傳感器選擇森社電子生產的宇波模塊CHF-500B。CHF-500B為開環(huán)霍爾電流傳感器，采用霍爾直測式原理，用于測量直流、交流和脈沖電流；具有輸出信號與原邊電流電氣隔離，測量精度高，線性度小(0.1%)，反應時間短(10?滋s)等優(yōu)點。電路連接如圖4(b)所示。
　　將CHF-500B套于導線上，標識方向與電流方向同向，其中“+”端和“-”端為CHF-500B的供電端口，連接±12V電源；“M”端為輸出端，連接測量系統(tǒng)，將感應出的電流值送入測量芯片CS5467中；“⊥”端接地。
2.3 SPI接口通信
　　CS5467具有SPI串行通信接口，很容易實現(xiàn)與單片機的通信。接口電路如圖5所示。

?

　　SPI通信是通過SDI、SDO、CS和SCLK等四個引腳實現(xiàn)的。為保證能正確讀取CS5467的24位數(shù)據(jù)寄存器，要嚴格按照通信命令格式及時序的要求進行。讀取寄存器命令格式如表1所示，該命令通知狀態(tài)機需要對寄存器進行訪問。讀寄存器時，被尋址的寄存器中的數(shù)據(jù)被傳送到輸出緩沖器中由SCLK 移位輸出；寫寄存器時，數(shù)據(jù)由SCLK 移入輸入緩沖器并在第24個SCLK出現(xiàn)后寫入被尋址的寄存器。命令序列由8位二進制數(shù)組成，前導位為固定值“0”，不能更改；隨后一位為讀寫控制位，為0則執(zhí)行寫命令，為1則執(zhí)行讀命令；后面5位RA4～RA0為寄存器的地址碼；最后一位為固定值“0”，不能更改。圖6說明了這8位數(shù)據(jù)的操作時序。每種寄存器可以單獨讀取，也可以連續(xù)讀取多個寄存器的時鐘上升沿之后，SDO引腳隨著此時鐘下降沿變?yōu)榈碗娖?，以后每個時鐘的下降沿，SDO引腳的數(shù)據(jù)都有效。24位數(shù)據(jù)是按先高位后低位的順序移出的。

?

　　STC12C5410單片機為了和CS5467的SPI通信相對應，單片機選擇主模式作為主機工作，CS5467作為從機工作。主機和從機的兩個移位寄存器可以看作是一個16位循環(huán)移位寄存器。當數(shù)據(jù)從主機移位傳送到從機的同時，數(shù)據(jù)也以相反的方向移入。這意味著在一個移位周期中，主機和從機的數(shù)據(jù)相互交換。按照CS5467的時序圖要求，STC12C5410配置如下：控制位CPHA=1，前時鐘沿驅動，后時鐘沿采樣，CPOL=0，SPICLK空閑時為低電平，前時鐘沿為上升沿，后時鐘沿為下降沿。SPI時鐘速率選擇為CPUCLK/32。
　　電路設計中，為提高SPI通信的可靠性，在時鐘CLK、SDI、SDO各線上可加100pF的對地電容以濾除掉干擾毛刺。
2.4 顯示電路
　　顯示部分采用74LS145芯片和74LS245芯片與數(shù)碼管連接，設計三表頭顯示，分別顯示輸入功率、輸出功率和轉換效率。其中STC12C5410單片機的I/O端口P2.0～P2.7與74LS245芯片的B1～B7端口連接，用于傳送顯示數(shù)據(jù)；單片機的I/O端口P3.2～P3.6與兩片74LS145芯片的A～D端口連接，用于選擇顯示項目。
3 系統(tǒng)軟件設計
　　該系統(tǒng)的軟件設計主要完成SPI數(shù)據(jù)讀取及處理和參數(shù)的顯示等工作，程序采用匯編語言編寫,程序框圖如圖7所示。對電能寄存器的讀取和處理要注意24位電能寄存器是否溢出，如溢出則要把新讀取的數(shù)加0X00FFFFFF后再與前一讀數(shù)相減，才能得到正確的電能值。

?