摘? 要： 在測量芯片CS5467的基礎上設計了一種轉換效率" title="轉換效率">轉換效率" title="電源轉換效率" title="電源轉換效率">電源轉換效率">電源轉換效率測量系統" title="測量系統">測量系統。論述了測量系統的工作原理和軟、硬件設計，并以單片機STC12C5410為核心設計了SPI接口通信電路。
關鍵詞： CS5467; 測量系統; 轉換效率; SPI接口
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隨著電力電子事業及科學技術的高速發展，電源的應用越來越廣泛。無論是工廠、礦山等民用設施，還是國防軍事領域，電源的身影隨處可見，而電源的轉換效率作為一項重要參數也日益受到重視。
通常測量電源轉換效率的方法都是采用手工計算。通過萬用表分別測量出電源輸入" title="電源輸入">電源輸入端和輸出端的電壓值和電流值，通過人工計算得到電源的轉換效率。這種方法存在測量困難、測量精度" title="測量精度">測量精度低等缺點，特別是在交流電源非阻型負載的條件下，不能真實、準確地反映出電源的轉換效率。
本文給出了基于Cirrus Logic公司的CS5467四路電能計量芯片，并以宏晶公司的單片機STC12C5410為控制芯片設計開發的一款電源轉換效率測量系統。在試驗應用中，該系統以逆變電源為平臺，具有實時監測和顯示等功能，可以方便、直觀地對電源轉換效率進行監控。
1?系統總體設計方案
系統原理框圖如圖1所示。逆變電源輸入端連接外電，同時從電源輸入端引線與測量系統輸入1端連接，通過電壓傳感器和電流傳感器感應出逆變電源輸入端電壓值和電流值，將數據送入CS5467，經計算得到電源輸入功率值；測量系統的輸入2端連接電源的輸出端，通過電壓傳感器和電流傳感器得到逆變電源輸出端電壓值和電流值，將數據送入CS5467，經計算得到電源輸出功率值，將兩者作除法運算即可得到電源的轉換效率。通過單片機STC12C5410的控制，可以實現系統的實時控制和顯示等功能。
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? 測量系統包括單片機STC12C5410、測量芯片CS5467、互感器和顯示電路等。測量系統原理簡圖如圖2所示。
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2 系統硬件構成
2.1? CS5467芯片介紹
CS5467是一個包括4個△∑模數轉換器（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。
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芯片主要性能特點如下：
(1)電能數據線性度在1 000:1動態范圍內為±0.1%；
(2)符合IEC、ANSI、JIS工業標準；
(3)單電源工作和低功耗；
(4)系統校準/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，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。
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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，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，很容易實現與單片機的通信。接口電路如圖5所示。
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SPI通信是通過SDI、SDO、CS和SCLK等四個引腳實現的。為保證能正確讀取CS5467的24位數據寄存器，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據被傳送到輸出緩沖器中由SCLK 移位輸出；寫寄存器時，數據由SCLK 移入輸入緩沖器并在第24個SCLK出現后寫入被尋址的寄存器。命令序列由8位二進制數組成，前導位為固定值“0”，不能更改；隨后一位為讀寫控制位，為0則執行寫命令，為1則執行讀命令；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位數據的操作時序。每種寄存器可以單獨讀取，也可以連續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為低電平，以后每個時鐘的下降沿，SDO引腳的數據都有效。24位數據是按先高位后低位的順序移出的。
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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位循環移位寄存器。當數據從主機移位傳送到從機的同時，數據也以相反的方向移入。這意味著在一個移位周期中，主機和從機的數據相互交換。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，用于傳送顯示數據；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 系統軟件設計
該系統的軟件設計主要完成SPI數據讀取及處理和參數的顯示等工作，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加0X00FFFFFF后再與前一讀數相減，才能得到正確的電能值。
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本文介紹了電源轉換效率測量系統的工作原理和軟、硬件設計。系統對測量電源品質有一定的作用，既可以應用于電源出廠前的例行測試，又可以為電源使用者在選購電源時提供準確、直觀的幫助。
參考文獻
[1] ?CirrusLogic Inc.CS5467DataSheet[DB/OL].http://www.cirrus.com/en/pubs/proDatasheet/CS5467_F1.pdf, 2006.
[2] ?宏晶科技公司.STC12C5410AD Data Sheet [DB/OL].http://soft.laogu.com/download/stc12c5410ad.pdf, 2002.