基于单片机的数字电压表设计毕业设计论文.doc

本科毕业设计（论文）基于单片机的数字电压表设计V毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日注 意 事 项1.设计（论文）的内容包括：1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）2）原创性声明3）中文摘要（300字左右）、关键词4）外文摘要、关键词 5）目次页（附件不统一编入）6）论文主体部分：引言（或绪论）、正文、结论7）参考文献8）致谢9）附录（对论文支持必要时）2.论文字数要求：理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。3.附件包括：任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。4.文字、图表要求：1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印4）图表应绘制于无格子的页面上5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档5.装订顺序1）设计（论文）2）附件：按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订3）其它摘 要 主要介绍了美国Crystal 公司生产的芯片CS5460A的特性、原理和应用。针对传统的电量采集处理系统抗干扰能力差，功能单一的缺陷，提出了一种采用电能计量芯片CS5460A进行电量采集，STC89C52单片机做数据处理，通过Serial Peripheral Interface(SPI)端口传送电压，电流功率等参数的实时测量值的新型测量仪表系统。通过硬件系统的设计，给出了系统的的电路原理图，通过软件系统的设计，实现了测量交流电压的功能要求。实验表明这种设计有效地提高了仪表的测量的精度和抗干扰能力。关键词 CS5460A，测量，电参数，单片机攀枝花学院本科毕业设计（论文） ABSTRACTABSTRACT This paper introduces the features, principles and applications of the American Crystal companys chip CS5460A.The traditional electricity acquisition and processing system anti-interference ability is poor, single function, and other issues.We think you can use the energy measurement chip CS5460A as a power collection ATC89C52 Micro Controller Unit as a data processing through the Serial Peripheral Interface (SPI) port transmit current, voltage, power and other parameters, the combination of new measuring instruments and systems.After the hardware system design, system circuit diagram. The experimental results show that this design is effective in improving meter accuracy and anti-jamming capability.Key words CS5460A，Measuring，Electrical parameters，MCU 攀枝花学院本科毕业设计（论文） 目录目 录摘 要IABSTRACTII1 绪论11.1 研究的目的和意义11.2 国内外研究概况22 总体设计方案32.1 设计功能及要求32.2 数字电压表设计方案32.2.1 数字电压表设计方案比较32.2.2 硬件设计方案42.2.3 软件设计方案43 硬件设计53.1 单片机53.1.1 单片机概述53.1.2 STC89C52引脚功能介绍63.1.3 单片机的应用领域83.1.4 单片机的发展趋势93.2 CS5460A芯片介绍93.2.1 CS5460A芯片概述93.2.2 CS5460A引脚功能103.2.3 CS5460A工作原理113.2.4 CS5460A芯片与单片机的通信123.2.5 抗干扰设计133.2.6 检测电路设计143.2.7 元件清单153.2.8 生成PCB图163.3 档位控制按键设计173.3.1 档位控制按键功能173.3.2 档位控制按键电路设计173.4 输出显示模块设计183.4.1 输出显示模块选型183.4.2 1602 LCD引脚功能193.4.3 输出显示模块电路设计204 软件设计214.1 程序流程图214.2 子程序设计224.2.1 CS5460A端口初始化程序224.2.2 CS5460A SPI读写程序224.2.3 CS5460A初始化程序244.2.4 显示模块1602的初始化程序264.2.5 键盘的定义与读写程序265 系统调试285.1 硬件系统调试285.2 软件系统调试28结论29参 考 文 献30附录A:电路原理图31附录B:源程序32附录C：图片展示40致 谢434 攀枝花学院本科毕业设计（论文） 1 绪论1 绪论 20世纪末,电子技术获得了飞速的发展,在其推动下,现代电子产品几乎渗透了社会的各个领域,有力地推动了社会生产力的发展和社会信息化程度的提高,同时也使现代电子产品性能进一步提高,产品更新换代的节奏也越来越快。 微电在技术的进步表现在大规模集成电路加工技术,即半导体工艺技术的发展上，表征半导体工艺水平的线宽已经达到90nm(2003年),并还在不断地缩小;在硅片单位面积上;集成更多的晶体管.集成电路设计在不断地向超大规模.极低功耗和超高速的方向发展;专用集成电路ASIC(Application Specific Integrated Circuit)的设计成本不断降低,在功能上,现代的集成电路以能实现单片电子系统SOC(System on a Chip)的功能。 现代电子设计技术的核心EDA(Electronic Design Automation)技术。EDA技术就是依靠功能强大的计算机,在EDA工具软件平台上,对以硬件描述语言HDL(Hardware Description Language)为系统逻辑描述手段完成的设计文件,自动地完成逻辑编译,逻辑化简,逻辑分割,逻辑综合.结构综合(布局布线)。以及逻辑优化和仿真测试,直至显示既定的电子线路系统功能.EDA技术使得设计者的工作仅限于利用软件的方式,即利用硬件描述语言和EDA软件来完成对系统硬件功能的实现。 从另以方面来看,在现代高新电子产品设计和生产中,微电子技术和现代电子设计技术是相互促进,相互推动又相互制约的俩个技术环节,前者代表了物理层在广度和深度上硬件电路实现的发展,后者则反映了现代先进的电子理论、电子技术、仿真技术、设计工艺和设计技术与最新的计算机软件有机的融合和升华。因此,严格地说，EDA技术应该是这二者的结合,是这俩个技术领域共同孕育的奇葩。1.1 研究的目的和意义 数字电压表简称DVM，它是采用数字化测量技术，把连续的模拟量（交流输入电压）转换成不连续、离散的数字形式并加以显示的仪表。 数字电压表是数字仪表的基础和核心。在现代电子应用中,数字仪表起着非常重要的作用.数字仪表有着普通仪表所不能达到的各种优势:读数准确,在测量后不用多次反复测量来估算真实值。设计简单,可以随身携带,使用上更加方便,快捷，可以随时随地测量等等一系列的优势,使得数字电压表在当今电子应用中随心所欲,在各个项目中都有所表现。1.2 国内外研究概况 传统的指针式电压表功能单一、精度低，不能满足现代测量的要求，而数字电压表却有着显著的优势。数字电压表又简称DVM，它是采用数字化测量技术，把连续的模拟量转换成不连续、离散的数字形式加以显示的仪表。目前工业生产现场用的三相工频信号的电力参数测量仪表装置一部分为模拟的，有些数字式的是采用通用 AD 芯片进行数据采集后由 MCU 进行数字信号处理的方案，用专用电量芯片作为数据采集的不多。用专用电量测量芯片制作电参数测量装置具有电路简洁、抗干扰能力强、性价比高等优点，相对于采用通用 AD 芯片的电参数测量方案是明显的技术进步。本课题所设计的三相交流数字电压表采用专用的电量计量芯片 CS5460A，用于测量三相三线和三相四线接法的交流工频信号的电压。有效地解决了环境恶劣的工业现场用电监测问题。 攀枝花学院本科毕业设计（论文） 2 总体设计方案2 总体设计方案2.1 设计功能及要求 实验时的输入为交流电压，为测量其有效值，应先将输入信号进行整流，得到一个稳定的直流电压后，再将其进行模数转换，最终通过数字形式显示出来。此数字电压表的测量对象为单相正弦交流电，电压表需要显示的是正弦信号的有效值。电路中需有交直流转换。设计的测量电压范围在400V左右，由测量电压范围可知，显示输入电压的有效值在0.00V至399.99V范围，分成三档：0.009.99V，10.0099.99V，100.00399.99V。显示模块设计为LCD1602显示。预计测量的精度达到0.5%。2.2 数字电压表设计方案2.2.1 数字电压表设计方案比较 设计数字电压表的方法有很多，方案更是多种多样，由于大规模集成电路数字芯片的高速发展，各种数字芯片品种多样，导致模拟数据的采集部分的不一致性，进而又使得对数据的处理极限是的方式多种多样。又由于在现实的工作生活中，电压表的测量量程范围是比较大的，所以必须要对输入电压做分压处理，而各个数据处理芯片的处理电压范围不同，则各种方案的分段也不同。下面介绍两种数字电压表的设计方案。 由数字电路及芯片构建。 这种方案是由模拟电路与数字电路两大部分组成，模拟部分包括输入放大器、A/D转换器和基准电压源：数字部分包括计数器、译码器、逻辑控制器、振荡器和显示器。其中A/D转换器是他的核心器件，他将输入的模拟量转换成数字量。模拟电路和数字电路是互相联系的，由逻辑控制电路产生控制信号，按规定的时序将A/D转换器中各组模拟开关接通或断开，保证A/D转换正常惊醒。A/D转换结果通过译码电路变换成段码，最后驱动显示器显示出相应的数值。此方案的优点是，设计成本低，能够满足一般的电压测量。但设计不灵活，都是采用纯硬件电路。很难将其在原有的基础上进行扩展。 由单片机系统及A/D转换芯片构建。 这种方案是利用单片机系统与模数转换芯片、显示模块等的结合构建数字电压表。由于单片机的发展已经成熟，利用单片机系统的软硬件结合，可以组装出许多的应用电路来。此方案的原理是模数转换新联的基准电压端，被测量电压输入端分别输入基准电压和被测电压。模数转换芯片将被测量电压输入端分别输入基准电压信号转换成相应的数字信号，然后通过对单片机系统的进行软件编程，使单片机系统能按规定的时序来采集这些数字信号，通过一定的算法计算出被测量电压的值。最后单片机系统将计算好了的被测电压值按一定的时序送入显示电路模块加以显示。 此方案不经能够继承上一种方案的各种优点，还能改进上一中设计方案设计不灵活，难与在原基础上进行功能扩展等不足的问题。 综上所述，本设计决定采用第二种方案进行设计。2.2.2 硬件设计方案 综上所述的设计方案中，本设计中采用了第二种方案。具体的是以专用的电能/功率芯片作为数据采集与模数转换的核心，采集的电信号数据经过降压、滤波、整流后，经过单片机对数据的的集中处理与分析，在通过档位按键的调整，控制输出相应数据由显示模块显示。结构框图如图2.1所示。图2.1 硬件设计结构框图2.2.3 软件设计方案软件设计主要完成三部分工作：信号采集、数据处理、中断控制，输出显示。软件设计的主要内容是完成要完成单片机的主控制程序，芯片CS5460的初始化复位程序，键盘的扫描中断程序以及LCD液晶显示器的即时显示程序。结构框图如图2.2所示。图2.2 软件设计结构框图 攀枝花学院本科毕业设计（论文） 3 硬件设计方案3 硬件设计3.1单片机3.1.1 单片机概述 单片机又称单片微控制器，它不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。概括的讲，一块芯片就成了一台计算机。 MCS-51单片机是美国INTEL公司于1980年推出的产品，与MCS- 48单片机相比，它的结构更先进，功能更强，在原来的基础上增加了更多的电路单元和指令，指令数达111条，MCS-51单片机可以算是相当成功的产品，一直到现在，MCS-51系列或其兼容的单片机仍是应用的主流产品，各高校及专业学校的培训教材仍与MSC-51单片机作为代表进行理论基础学习。MCS-51系列单片机主要包括8031、8051和8751等通用产品。本设计中所采用的单片机型号为STC89C52。STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系统可编程Flash 存储器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。 具有以下标准功能： 8k字节Flash，512字节RAM， 32 位I/O 口线，看门狗定时器，内置4KB EEPROM，MAX810复位电路，三个16 位 定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口。另外 STC89X52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。最高运作频率35Mhz，6T/12T可选。3.1.2 STC89C52引脚功能介绍图3.1 单片机STC89C52 电源 VCC芯片电源，接+5V； VSS接地端。 时钟 XTAL1、XTAL2：晶体振荡电路反相输入端和输出端。使用内部振荡电路时外接石英晶体。 控制线 控制线共有4根，其中3根是复用线。所谓复用线是指具有两种功能，正常使用时是一种功能，在某种条件下是另一种功能。1）ALE/PROG地址锁存允许/片内EPROM编程脉冲。 ALE功能：用来锁存P0口送出的低8位地址。 STC89C52在并行扩展外存储器（包括并行扩展I/O口）时，P0口用于分时传送低8位地址和数据信号，且均为二进制数。那么如何区分是低8位地址还是8位数据信号呢？当ALE信号有效时，P0口传送的是低8位地址信号；ALE信号无效时，P0口传送的是8位数据信号。在ALE信号的下降沿，锁定P0口传送的内容，即低8位地址信号。 需要指出的是，当CPU不执行访问外RAM指令（MOVX）时，ALE以时钟振荡频率1/6的固定频率输出，因此ALE信号也可作为外部芯片CLK时钟或其他需要。但是，当CPU执行MOVX指令时，ALE将跳过一个ALE脉冲。ALE端可驱动8个LSTTL门电路。 PROG功能：片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，此引脚输入编程脉冲。2）PSEN外ROM读选通信号。 STC89C52读外ROM时，没个机器周期内PSEN两次有效输出。PSEN可作为外ROM芯片输出允许OE的选通信号。在读内ROM或读外RAM时，PSEN无效。 PSEN可驱动8个LSTTL门电路。 3）RST/Vpd复位/备用电源。 正常工作时，RST（Reset）端为复位信号输入端，只要在该引脚上连续保持两个机器周期以上高电平，STC89C52芯片即实现复位操作，复位后一切从头开始，CPU从0000H开始执行指令。 Vpd功能：在Vcc掉电情况下，该引脚可接上备用电源，由Vpd向片内供电，以保持片内RAM中的数据不丢失。4）EA/Vpp 内外ROM选择/片内EPROM编程电源。 EA功能：正常工作时，EA为内外ROM选择端。STC89C52单片机ROM寻址范围为64KB，其中4KB在片内，60KB在片外。当EA保持高电平时，先访问内ROM，但当PC（程序计数器）值超过4KB（0FFFH）时，将自动转向执行外ROM中的程序。当EA保持低电平时，则只访问外ROM，不管芯片内有否内ROM。 Vpp功能：片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，此引脚用于施加编程电源Vpp。 对4个控制引脚，应熟记起第一功能，了解其第二功能。严格来讲，STC89C52的控制线还应该包括P3口的第二功能。5）I/O引脚 STC89C52共有4个8位并行I/O端口,共32个引脚 P0口8位双向I/O口。 在不并行扩展外存储器(包括并行扩展I/O口)时, P0口可用作双向I/O口。 在并行扩展外存储器(包括并行扩展I/O口)时, P0口可用于分时传送低8位地址(地址总线)和8位数据信号(数据总线)。P0口能驱动8个LSTTL门。 P1口8位准双向I/O口(“准双向”是指该口内部有固定的上拉电阻)。 P1口能驱动为4个LSTTL门。 P2口8位准双向I/O口。在不并行扩展外存储器(包括并行扩展I/O口)时, P2口可用作双向I/O口。在并行扩展外存储器(包括并行扩展I/O口)时, P2口可用于传送高8位地址(属地址总线) 。P2口能驱动4个LSTTL门。在结构上，P2口比P1口多一个输出控制部分。 P3口8位准双向I/O口。可作一般I/O口用,同时P3口每一引脚还具有第二功能,用于特殊信号输入输出和控制信号(属控制总线)。P3口驱动能力为4个LSTTL门。P3口第二功能如下:P3.0RXD:串行口输入端;P3.1TXD:串行口输出端;P3.2INT0:外部中断0请求输入端;P3.3INT1:外部中断1请求输入端P3.4T0:定时/计数器0外部信号输入端;P3.5T1:定时/计数器1外部信号输入端;P3.6WR:外RAM写选通信号输出端;P3.7RD:外RAM读选通信号输出端。上述4个I/O口,各有各的用途。 在不并行扩展外存储器(包括并行扩展I/O口)时, 4个I/O口都可作为双向I/O口用。在并行扩展外存储器(包括并行扩展I/O口)时, P0口专用于分时传送低8位地址信号和8位数据信号,P2口专用于传送高8位地址信号。P3口根据需要常用于第二功能,真正可提供给用户使用的I/O口是P1口和一部分未用作第二功能的P3口端线。3.1.3 单片机的应用领域 单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域，大致可分为如下几个范畴： 在智能仪器仪表的应用：单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强大。例如精密的测量设备（功率计，示波器，各种分析仪）。 在家用电器中的应用：可以这样说，现在的家用电器基本上都采用了单片机控制，从电饭煲、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备，五花八门，无所不在。 在工业控制中的应用：用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。例如工厂流水线的智能化管理，电梯智能化控制、各种报警系统，与计算机联网构成二级控制系统等。 在计算机网络和通信领域中的应用：现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件，现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制，从手机、电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动电话，集群移动通信，无线电对讲机等。 单片机在医用设备领域中的应用: 单片机在医用设备中的用途亦相当广泛，例如医用呼吸机，各种分析仪，监护仪，超声诊断设备及病床呼叫系统等等。 此外，单片机在工商、金融、科研、教育、国防航空等领域都有着十分广泛的用途。3.1.4 单片机的发展趋势 单片机现在可以说是百花齐放，百家争鸣的时期，世界上各大芯片制造公司都推出了自己的单片机，从8位、16位到32位，数不胜数，应有尽有，有与主流C51系列兼容的，也有不兼容的，但它们各具特色，互成互补，为单片机的应用提供了广阔的天地。纵观单片机的发展过程，可以预示单片机的发展趋势：微型单片化、低功耗CMOS化、主流与多品种共存必将成为现实。3.2 CS5460A芯片介绍3.2.1 CS5460A芯片概述 CS5460A是美国Cirrus Logic公司最新推出的带有串行接口的单相双向功率电能计量集成电路芯片，现主要应用在单相电子式电能表和三相电子式电能表中。不同于以前流行的CS5460芯片，该芯片特有的自动引脚模式功能，能使芯片独立工作，得电时自动初始化，由外部的E2PROM引导开始工作，并从中读取数据，如果用于高容量或用在家庭，为了降低成本，此模式下，该型芯片可以不用微控制器独立工作。除此之外，该芯片的性能优于其他计量芯片，主要表现在： 转换精度高，测量功能强。 自身转换精度达到01级，可以实现02级的测量仪表。可测量瞬时电流、瞬时电压、瞬时功率、电流有效值、电压有效值、功率有效值和电能计量，这在电力系统的测量芯片中是不多见的。 外围器件少，具有片内看门狗定时器(WatchDog Timer)与内部电源监视器该芯片只用很少的外围器件即可实现转换功能，确保了仪表的转换精度及稳定性。 接口方便 器件本身形成双向串行接口，双向串行接口与内部寄存器阵列可以方便地与微处理器相连接，并有功能很强的内部寄存器数组，仅用56根连线即可方便地与单片机接口；针对这些特点，选用了CS5460芯片，收到了很好的效果。本文着重介绍CS5460芯片的基本功能与运用，根据时序，给出所采用读写方法的一些体会以及硬件实现原理图。 CS5460A 是一个包含两个模-数转换器（ADC）、高速电能计算功能和一个串行接口的高度集成的 模-数转换器。它可以精确测量和计算有功电能、瞬时功率、IRMS 和VRMS ，用于研制开发单相2 线或3 线电表。CS5460A可以使用低成本的分流器或互感器测量电流，使用分压电阻或电压互感器测量电压。CS5460A具有与微控制器通讯的双向串口，芯片的脉冲输出频率与有功能量成正比。CS5460A 具有方便的片上AC/DC 系统校准功能。“自引导”的特点使CS5460A 能独自工作，在系统上电后自动初始化。在自引导模式中，CS5460A 从一个外部EEPROM 中读取校准数据和启动指令。使用该模式时，CS5460A 工作时不需要外加微控制器，因此当电表用于大批量住宅电能测量时，可降低电表的成本。3.2.2 CS5460A引脚功能图3.2 芯片CS5460A1 脚XOUT：晶体振荡器输出。2 脚CPUCLK：CPU时钟输出CPUCLK-片上振荡器的输出，可以驱动一个标难的CMOS负荷。3 脚VD：数字电路电源正极。以DGND为参考，一般为5 V10。4 脚DGND：数字地。数字接地，与VA具有相同的电平。5 脚SCLK：串行时钟输入。该脚确定SDI和SDO引脚的输入和输出速率。此输入具有一个允许使用边沿缓慢的信号的施密特触发器。只有当CS低时，SCLK引脚才识别时钟。 6 脚SDO：串行数据输出。SDO是串行数据端口的输出引脚，当CS高时，其输出将处于高阻抗状态。7 脚CS：片选。当处于低电平时，端口可以识别SCLK。该脚高电平状态使SDO引脚处于高阻抗状态。CS应在SCLK处于低电平时改变状态。8 脚MODE：模式选择。当处于高电平时CS5460A开始执行自导入序列，从外接E2PROM读取命令和设置。当处于低电平时CS5460运行在常规命令模式。引脚不连接时下拉为逻辑低电平。9 脚VIN：差分电压正输入端。10 脚VIN：差分电压负输入端。VIN，VIN为电压通道的差分模拟输入引脚。11 脚VREFOUT：参考电压输出。芯片上的参考电压由该引脚输出，参考电压的标称值为25 V(以VA引脚为参考)。12 脚VREFIN：参考电压输入。该引脚输入的电压给芯片上的调制器提供参考电压。13 脚VA：模拟地负极。负模拟电源引脚，必须具有最低的电压。14 脚VA：模拟电源正极。以VA为参考，通常为5V10。15 脚HN：差分电流负输入端。16 脚HN：差分电流正输入端。HN，HN为电流通道的差分模拟输入引脚。17 脚PFMON：电源掉电监视输出。PFMON掉电监视器，用来监视模拟电源，相对于VA引脚的典型阀值电平为25 V，具有50 mV的滞环。如果PFMON的电压低于阀值，则状态寄存器的LSD(低电源检测)位将被置位。18 脚NC：空脚。该引脚保持悬浮态。19 脚RESET：复位输入。RESET当复位引脚为低电平时，所有内部寄存器都被设置为缺省值。20脚INT：中断输出。当INT变低时，表明一个允许的事件已发生。可以通过向CS5460A写入适当命令来使INT清除(逻辑1)。21 脚EOUT：电能脉冲输出。EOUT电量输出引脚，输出一个脉冲宽固定、频率(可编程)和电能成比例的脉冲串。22 脚EDIR：能量方向指示输出。如果测量到的电能是负值，电能方向指示器发出指示。23 脚SDI：串行数据输入。SDI是串行数据接口的输入引脚。数据的输入速率由SCLK决定。24 脚XIN：晶体振荡器输入。XOUT，XIN芯片内的一个门电路与这些引脚相连，可连接晶体为芯片提供系统时钟。另外，也可以有外部时钟(与CMOS时钟兼容)驱动引脚XIN，为芯片提供系统时钟。3.2.3 CS5460A工作原理 CS5460A可以在单一5V电源或在2.5V电源下运行。电流通道输入范围30mV或150mV可选择，电压通道输入范围150mV。在单电源供电时，CS5460A可以承受范围-0.25V到VA+的共模信号。 CS5460A可以测量瞬时电流、瞬时电压、瞬时功率、电能、电流有效值和电压有效值。测量结果以表示成相对满量程百分比的24位有符号或无符号数据形式输出。当CS5460A接收到一个开始转换命令时，测量开始进行。电能和RMS寄存器每N次变换（或一个计算周期）更新一次，N是变换次数寄存器的内容。若中断未被屏蔽，则INT管脚被激活，数据就绪标志置位，此时就可以从CS5460A的内部寄存器中读取结果，再转换成相应的数据。 在从CS5460A读取数据的时候，需要利用其提供的三线串行数据接口。CS5460A串口包括4条控制线：CS、SDI、SDO和SCLK。一次数据的传输总是从串口（SDI脚）发送有效的八位命令(MSB位先)开始的。接着，再从SDI脚（或SD0脚）输入（或输出）24位数据（MSB位先）。这样就可以通过串口完成对CS5460A的读写操作，从而使电路设计和程序编写变得简单。芯片的内部原理图如图3.3所示。图3.3 芯片内部工作原理图3.2.4 CS5460A芯片与单片机的通信 CS5460A与MCU通过SPI接口进行串行通信。SPI是一种高速全双工同步串行通信总线，由4个引脚构成：SPICLK、MOSI、MIS及SS，其中SPICLK是整个SPI总线的公用时钟，MOSI是主机输出、从机输入，MISO是主机输人、从机输出，SS是从机的标志管脚，低电平有效。此系统中AT89C52作主机，因此SS管脚必须外接高电平。CS5460A作从机，其同步时钟由主机输入，主机的P0.4、P0.5、P0.6口经过74HCTl38集成译码器经三个从机的片选端CS，由软件控制这三个管脚输出的电平，进而选择当前与主机通信的从机，传输格式是高电位（MSB）在前，低位（LSB）在后。当 CS=0时，选通该从机，当CS=1时，其SPICLK，MOSI，MISO端输出将保持高组态，对其他从机的通信无影响。通信单元，计量单元和MCU之间的通信采用隔离技术，提升整个系统的抗干扰能力。 CS5460A有四条串行接口线：CS、SDI、SDO和SCLK。其中CS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 CS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; RESET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3.4所示。 图3.4 芯片与单片机串口连接示意图3.2.5 抗干扰设计 为了适应于恶劣环境的工业现场应用，在硬件和软件两个方面都应该采取相应的措施。在硬件方面，为提高抗尖峰脉冲干扰测试能力，必须在MCU和数模转换模块之间用光耦进行隔离，模数转换器（DSP）和数据处理器件(MCU)之间也用互感器进行隔离，因此直流电源应是多路输出的，能提供模数转换器工作电源、数据处理器件工作电源，数模转换模块电源，多路输出电源各路之间隔离能力应大于2.5KV以上，PCB布板相应也需达到耐压2.5KV以上。电感电路抗射频干扰电路原理如图3.5所示。光耦抗扰电路原理如图3.6所示。图3.5 电感抗干扰图3.6 光耦抗干扰3.2.6 检测电路设计 本设计的检测电路主要组成分为四部分：电源电路，电压信号采集电路，电流采集电路和数据处理芯片。七种关键元件为电源电路中的整流二极管，信号采集电路中的电感，电容及双向二极管，以及芯片CS5460A。检测电路原理图如图3.7所示。图3.7 检测电路图3.2.7 元件清单生成元件清单如下表所示：表3.1 元件清单CommentDescriptionDesignatorFootprintLibRef数量大小CapCapacitorC6, C11, RAD-0.3Cap21uFCapCapacitorC2, C4, C5, C8, C9, C12, C13RAD-0.3Cap70.1uFCapCapacitorC1RAD-0.3Cap1470nFCapCapacitorC3RAD-0.3Cap1100uFCapCapacitorC7,C10, RAD-0.3Cap210nFComponent_1chipCS5460ADIP24Component_11Diode 1N914High Conductance Fast DiodeD1, D3, D4, D5,