ZHCU648B March   2019  – February 2021

 

  1.   1
  2.   说明
  3.   资源
  4.   特性
  5.   应用
  6.   6
  7. 1系统说明
    1. 1.1 终端设备
      1. 1.1.1 电表
      2. 1.1.2 电能质量监测仪，电能质量分析仪
    2. 1.2 主要系统规格
  8. 2系统概述
    1. 2.1 方框图
    2. 2.2 重点产品
      1. 2.2.1  ADS131M04
      2. 2.2.2  MSP432P4111
      3. 2.2.3  TPS3840
      4. 2.2.4  TPS25921L
      5. 2.2.5  THVD1500
      6. 2.2.6  ISO7731B
      7. 2.2.7  TRS3232E
      8. 2.2.8  TPS709
      9. 2.2.9  TVS1800
      10. 2.2.10 ISO7720
    3. 2.3 设计注意事项
      1. 2.3.1 设计硬件实现
        1. 2.3.1.1 限流器电路
        2. 2.3.1.2 28
        3. 2.3.1.3 TPS3840 SVS
        4. 2.3.1.4 模拟输入
          1. 2.3.1.4.1 电压测量模拟前端
          2. 2.3.1.4.2 电流测量模拟前端
      2. 2.3.2 如何实现计量测试软件
        1. 2.3.2.1 设置
          1. 2.3.2.1.1 时钟
          2. 2.3.2.1.2 端口映射
          3. 2.3.2.1.3 用于 GUI 通信的 UART 设置
          4. 2.3.2.1.4 实时时钟 (RTC)
          5. 2.3.2.1.5 LCD 控制器
          6. 2.3.2.1.6 直接存储器存取 (DMA)
          7. 2.3.2.1.7 ADC 设置
        2. 2.3.2.2 前台进程
          1. 2.3.2.2.1 公式
        3. 2.3.2.3 后台进程
          1. 2.3.2.3.1 per_sample_dsp()
            1. 2.3.2.3.1.1 电压和电流信号
            2. 2.3.2.3.1.2 频率测量和周期跟踪
          2. 2.3.2.3.2 LED 脉冲生成
          3. 2.3.2.3.3 相位补偿
  9. 3硬件、软件、测试要求和测试结果
    1. 3.1 所需的硬件和软件
      1. 3.1.1 注意事项和警告
      2. 3.1.2 硬件
        1. 3.1.2.1 与测试设置的连接
          1. 3.1.2.1.1 双电压连接
          2. 3.1.2.1.2 单电压连接
        2. 3.1.2.2 电源选项和跳线设置
      3. 3.1.3 软件
    2. 3.2 测试和结果
      1. 3.2.1 测试设置
        1. 3.2.1.1 SVS 和电子保险丝功能测试
        2. 3.2.1.2 电表计量精度测试
        3. 3.2.1.3 查看计量读数和校准
          1. 3.2.1.3.1 从 LCD 中查看结果
          2. 3.2.1.3.2 从 PC 校准和查看结果
            1. 3.2.1.3.2.1 查看结果
            2. 3.2.1.3.2.2 校准
              1. 3.2.1.3.2.2.1 增益校准
                1. 3.2.1.3.2.2.1.1 电压和电流增益校准
                2. 3.2.1.3.2.2.1.2 有源功率增益校准
              2. 3.2.1.3.2.2.2 偏移校准
              3. 3.2.1.3.2.2.3 相位校准
      2. 3.2.2 测试结果
        1. 3.2.2.1 SVS 和电子保险丝功能测试结果
        2. 3.2.2.2 电表计量精度结果
  10. 4设计文件
    1. 4.1 原理图
    2. 4.2 物料清单
    3. 4.3 PCB 布局建议
      1. 4.3.1 布局图
    4. 4.4 Altium 工程
    5. 4.5 Gerber 文件
    6. 4.6 装配图
  11. 5相关文档
    1. 5.1 商标
  12. 6作者简介
  13. 7修订历史记录
2.3.2.1.7 ADC 设置

图 2-8 显示了用于初始化 ADS131M04 的过程。当 MSP432 MCU 复位后首次设置 ADS131M04 以及每次执行校准时均遵循此流程。

TIDA-010037 ADC 初始化和同步过程图 2-8 ADC 初始化和同步过程

在设置 ADS131M04 器件之前，ADS131M04 的调制器时钟被禁用，防止 ADS131M04 在尝试设置期间时生成新样本。该调制器时钟是通过禁用 MSP432 MCU 的 SMCLK 输出禁用的，该输出馈送到 ADS131M04 的 CLKIN 引脚。只需在校准后而不是在 MSP432 MCU 复位事件后禁用 SMCLK 输出，因为在 MSP432 MCU 复位后 SMCLK 时钟输出不会自动输出。

SMCLK 输出禁用后，配置 MSP432 MCU 的 EUSCIB0 SPI 模块，以便与 ADS131M04 器件进行通信。EUSCIB0 SPI 模块专门配置为使用 3 线模式的主器件（片选信号在测试软件中手动置位为高电平和低电平，而不是使用 SPI 模块的片选功能）并具有源自 8.192MHz SMCLK 时钟的 8.192MHz SPI 时钟。设置 SPI 后，所有中断均被禁用，并且复位命令通过 SPI 从 MSP432 MCU 发送到 ADS131M04。然后重新启用中断，并且 MSP432 MCU 向 ADS131M04 发送命令以配置其寄存器。

此时，请注意，调制时钟尚未由 MSP432 MCU 输出，这意味着采样尚未开始。通过向 ADS131M04 发送命令以初始化 ADS131M04 寄存器，可以针对以下条件配置 ADS131M04：

  • MODE 寄存器设置：使用 16 位 CCITT CRC，ADS131M04 数据包中每个字的长度为 24 位，在启用最滞后的通道上 DRDY 信号置为有效，当转换值不可用时 DRDY 置为高电平，当转换值准备就绪时 DRDY 置为低电平
  • GAIN1 寄存器设置：所有四个 ADC 通道均使用 PGA 增益 1
  • CFG 寄存器设置：禁用电流检测模式
  • CHx_CNG 寄存器设置（其中，x 为通道编号）
    • 双电压模式：所有四个 ADC 通道输入都连接到外部 ADC 引脚，且每个通道的通道相位延迟都设为 0（注意使用软件相位补偿而不是 ADS131M04 硬件相位补偿）
    • 单电压模式：通道 0、1 和 2 输入连接到外部 ADC 引脚，且通道 0、1 和 2 的通道相位延迟都设为 0（注意使用软件相位补偿而不是 ADS131M04 硬件相位补偿）；由于通道 3 不用于此配置，因此未修改通道 3 config 寄存器。
  • CLOCK 寄存器设置：512 OSR，所有通道均已启用，高分辨率调制器功率模式

ADS131M04 寄存器正确初始化后，MSP432 MCU 配置为在 DRDY 引脚上出现下降沿的任何时候生成端口中断，这表明 ADS131M04 有新电流样本可用。接下来，MSP432 MCU 将 SMCLK 时钟输出到 ADS131M04，开始电压和电流采样。

ADS131M04 调制器时钟源自馈送到 CLKIN 引脚的时钟，MSP432 MCU 的 SMCLK 输出会输出该馈送时钟。馈送到 ADS131M04 器件 CLKIN 引脚的时钟在内部进行二分频后，即可生成 ADS131M04 调制器时钟。因此，ADS131M04 的采样频率定义为 fs = fM / OSR = fCLKIN / (2 × OSR)，其中 fs 为采样率，fM 为调制器时钟频率，fCLKIN 为馈送到 ADS131M04 CLKIN 引脚的时钟，OSR 为所选的过采样率。在此设计中，馈送到 ADS131M04 CLKIN 引脚的 MSP432 MCU 的 SMCLK 时钟的频率为 8.192MHz。所选的过采样率 512。因此，ADS131M04 调制器时钟设置为 4.096MHz，采样率设置为 8000 个样本/秒。

对于测量每个相电压的双电压系统，至少需要四个 ADC 通道来独立测量两个电压和两个电流。在此设计中，以下 ADS131M04 通道映射在软件中用于双电压配置：

  • AIN0P 和 AIN0N ADS131M04 ADC 通道引脚 → 电流 I1（A 相电流）
  • AIN1P 和 AIN1N ADS131M04 ADC 通道引脚 → 电流 I2（B 相电流）
  • AIN2P 和 AIN2N ADS131M04 ADC 通道引脚 → 电压 V1（A 相相电压）
  • AIN3P 和 AIN3N ADS131M04 ADC 通道引脚 → 电压 V2（B 相相电压）

对于平衡分相系统，每个相电压都应为线电压的一半。在本设计的单电压配置中，仅测量线电压。线电压读数除以 2（这种分压通过遵循校准过程自动完成），得到每相的相电压。因此，软件中使用相同的 ADC 样本来计算两个相位的 RMS 电压和功率。该配置使用三个 ADC 通道：一个用于测量线电压，另外两个用于测量两个电流。在此设计中，以下 ADS131M04 通道映射在软件中用于单电压配置：

  • AIN0P 和 AIN0N ADS131M04 ADC 通道引脚 → 电流 I1（A 相电流）
  • AIN1N 和 AIN1P ADS131M04 ADC 通道引脚 → 电流 I2（B 相电流）
  • AIN2P 和 AIN2N ADS131M04 ADC 通道引脚 → 线电压（A 相线电压 - B 相线电压）
  • AIN3P 和 AIN3N ADS131M04 ADC 通道引脚 → 设计中未使用

由于在单电压配置中测量的线电压是 A 相线电压 - B 相线电压而不是 B 相线电压 - A 相线电压，因此 B 相电流的方向应反转，方法是交换 B 相电流互感器的正负输出端子的连接位置、交换馈送到设计中 B 相电流输入端的电流的极性，或者使用和 A相同样的输入电流和 CT 输出端子极性但仅在软件中将电流通道 ADC 输入通道置为无效。为防止在从双电压模式切换到单电压模式时不得不进行任何硬件更改，本设计通过在测试软件中选择将 B 相电流通道值置为无效的选项来反转电流通道的极性。