ZHCU663A April   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. 1.2 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 TPS7A78
      3. 2.2.3 MSP432P4111
      4. 2.2.4 TPS3840
      5. 2.2.5 THVD1500
      6. 2.2.6 ISO7731B
      7. 2.2.7 TRS3232E
      8. 2.2.8 TPS709
      9. 2.2.9 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 TPS7A78 电容压降式电源
        2. 2.3.1.2 TPS3840 SVS
        3. 2.3.1.3 模拟输入
          1. 2.3.1.3.1 电压测量模拟前端
          2. 2.3.1.3.2 电流测量模拟前端
      2. 2.3.2 电流检测模式
        1. 2.3.2.1 ADS131M04 电流检测程序
        2. 2.3.2.2 使用 MCU 触发电流检测模式
          1. 2.3.2.2.1 使用计时器定期触发电流检测模式
          2. 2.3.2.2.2 MCU 进入和退出电流检测模式的流程
        3. 2.3.2.3 如何实现计量测试软件
          1. 2.3.2.3.1 设置
            1. 2.3.2.3.1.1 时钟
            2. 2.3.2.3.1.2 端口映射
            3. 2.3.2.3.1.3 用于 GUI 通信的 UART 设置
            4. 2.3.2.3.1.4 实时时钟 (RTC)
            5. 2.3.2.3.1.5 LCD 控制器
            6. 2.3.2.3.1.6 直接存储器存取 (DMA)
            7. 2.3.2.3.1.7 ADC 设置
          2. 2.3.2.3.2 前台进程
            1. 2.3.2.3.2.1 公式
          3. 2.3.2.3.3 后台进程
            1. 2.3.2.3.3.1 per_sample_dsp()
              1. 2.3.2.3.3.1.1 电压和电流信号
              2. 2.3.2.3.3.1.2 频率测量和周期跟踪
            2. 2.3.2.3.3.2 LED 脉冲生成
            3. 2.3.2.3.3.3 相位补偿
    4. 2.4 硬件、软件、测试要求和测试结果
      1. 2.4.1 所需的硬件和软件
        1. 2.4.1.1 注意事项和警告
        2. 2.4.1.2 硬件
          1. 2.4.1.2.1 与测试设置的连接
          2. 2.4.1.2.2 电源选项和跳线设置
        3. 2.4.1.3 软件
      2. 2.4.2 测试和结果
        1. 2.4.2.1 测试设置
          1. 2.4.2.1.1 SVS 和电容压降功能测试
          2. 2.4.2.1.2 电表计量精度测试
          3. 2.4.2.1.3 电流检测模式测试
          4. 2.4.2.1.4 查看计量读数和校准
            1. 2.4.2.1.4.1 从 LCD 中查看结果
            2. 2.4.2.1.4.2 从 PC 校准和查看结果
              1. 2.4.2.1.4.2.1 查看结果
              2. 2.4.2.1.4.2.2 校准
                1. 2.4.2.1.4.2.2.1 增益校准
                  1. 4.2.1.4.2.2.1.1 电压和电流增益校准
                  2. 4.2.1.4.2.2.1.2 有源功率增益校准
                2. 2.4.2.1.4.2.2.2 偏移校准
                3. 2.4.2.1.4.2.2.3 相位校准
        2. 2.4.2.2 测试结果
          1. 2.4.2.2.1 SVS 和 TPS7A78 功能测试结果
          2. 2.4.2.2.2 电表计量精度结果
          3. 2.4.2.2.3 电流检测模式结果
  9. 3设计文件
    1. 3.1 原理图
    2. 3.2 物料清单
    3. 3.3 PCB 布局建议
      1. 3.3.1 布局图
    4. 3.4 Altium 工程
    5. 3.5 Gerber 文件
    6. 3.6 装配图
  10. 4相关文档
    1. 4.1 商标
  11. 5作者简介
  12. 6修订历史记录
2.3.2.3.1.7 ADC 设置

图 2-13 展示了用于初始化 ADS131M04 的过程。当 MSP432 MCU 复位后首次设置 ADS131M04 器件以及每次执行校准时均遵循此流程。

TIDA-010036 ADC 初始化和同步过程图 2-13 ADC 初始化和同步过程

在设置 ADS131M04 器件之前，测试代码会禁用 ADS131M04 调制器时钟，以防止 ADS131M04 在尝试设置时生成新样本。该代码通过禁用 MSP432 MCU 的 SMCLK 输出来禁用调制器时钟，该输出会被馈送到 ADS131M04 器件的 CLKIN 引脚。只需在校准后而不是在 MSP432 MCU 复位事件后禁用 SMCLK 输出即可，因为 MSP432 MCU 复位后会自动停止输出 SMCLK 时钟。

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置位 DRDY 信号，当转换值不可用时 DRDY 置位为高电平，当转换值准备就绪时 DRDY 置位为低电平
  • GAIN1 寄存器设置：PGA 增益 1 用于电压通道和 CT 通道；PGA 增益 32 用于分流通道（假设使用 200µΩ 分流器）
  • CFG 寄存器设置：CD=1（启用电流检测模式），CD_ALLCH=0（当任一启用通道检测到篡改电流时触发 MCU），CD_NUM（超过阈值的检测次数以触发检测）=8，CD_LEN（以转换周期为单位的电流检测测量长度）=256
  • CHn_CNG 寄存器设置（其中，n 为通道编号）：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 配置寄存器。
  • 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
  • CD_THRSHLD=80000
  • CHn_OCAL 寄存器设置（其中 n 是通道编号）= 所测量通道的直流偏移（仅适用于电流通道）

在初始化寄存器之前，使用 PC GUI 确定每个电流通道的 ADC 偏移估算值（以 ADC 为单位）。然后，使用相应的偏移更新电流通道的偏移校准寄存器，从两个电流通道中减去大部分 ADC 偏移。进行此失调电压校准是为了在火线和零线 ADC 通道之间实现更好的匹配，由于这些通道上使用了不同的增益，ADC 偏移明显存在差异。通过在火线和零线 ADC 通道之间实现更好的匹配，可以使火线和零线电流通道在对电表施加几乎相同的火线与零线电流时触发电流检测模式。为了实现触发电流检测模式所需的火线电流和零线电流之间更精确的匹配，也可以修改两个电流通道上的增益寄存器；但是，对于此设计，无需修改 ADS131M04 器件的增益校准寄存器就已经获得了足够好的 ADC 匹配，因此这些寄存器未修改。

在此设计中，CD_LEN=256，这样可在超过 4 个市电周期的 ADC 采样范围内执行电流检测。CD_LEN 时间决定了器件返回待机模式之前电流检测模式下所花费的最长时间。减小 CD_LEN 的值会减少电流检测模式的持续时间，从而降低交流电源故障后 ADS131M04 器件的平均电流消耗。

ADS131M04 寄存器正确初始化后，MSP432 MCU 配置为在 DRDY 出现下降沿时触发端口中断，该下降沿表示 ADS131M04 器件有新采样数据可用。接下来，MSP432 MCU 将 SMCLK 时钟输出到 ADS131M04，从而开始电压和电流采样。

ADS131M04 调制器时钟源自 CLKIN 引脚输入的时钟，该时钟由 MSP432 MCU 的 SMCLK 输出提供。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 的采样频率如下所示：

方程式 7. fs = fM / OSR = fCLKIN / (2 × OSR)

其中

  • fS 是采样率
  • fM 是调制器时钟频率
  • fCLKIN 是馈送到 ADS131M04 CLKIN 引脚的时钟
  • OSR 是所选的过采样率

在此设计中，馈送到 ADS131M04 CLKIN 引脚的 MSP432 MCU SMCLK 时钟频率为 8.192MHz。所选的过采样率为 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。

在此设计中，使用了以下 ADS131M04 通道映射：

  • AIN0P 和 AIN0N ADS131M04 ADC 通道引脚 → 电压
  • AIN1N 和 AIN1P ADS131M04 ADC 通道引脚 → 分流电流（这是主要电流通道；可以测量零线或火线电流）
  • AIN2P 和 AIN2N ADS131M04 ADC 通道引脚 → CT 电流（这是次要电流通道；可以测量火线或零线电流）
  • AIN3P 和 AIN3N ADS131M04 ADC 通道引脚 → 设计中未使用