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

1.1.1 电表

每年，公用事业单位因非技术性损耗损失数十亿美元。对电力供应商而言，非技术性损耗的一种形式是电表篡改，即个人通过篡改电表来减缓或停止电能统计数据的累积，从而盗用电力。篡改电表的常见手段之一是使用磁铁。这种磁铁会干扰电源中的变压器以及电流互感器的电流传感器，从而实现到盗电。由于磁铁可能干扰电流变压器 (CT) 的工作，因此单相电表通常采用分流器作为电流传感器。分流器在低电流条件下产生的输出电压非常微弱，尤其是与电流变压器在相同低输入电流范围内产生的输出电压相比。因此，对于基于分流器设计的高精度电表来说，需要高精度的 ADC 来感测这些微小的分流器输出电压，从而实现对公用事业客户的精准计费。

除了确保计费准确外，公用事业公司还需为客户提供优质电能。然而，来自公用事业客户负载的电流谐波可能会在电网中引发电压谐波，从而影响多个公用事业客户的用电质量。通过执行谐波分析，公用事业供应商可以识别出那些对电能质量产生不良影响的客户负载。向电表添加谐波分析功能，可能需要增加电表采样率才能实现所需的频率范围。在提升采样频率的同时，往往必须确保测量精度不受影响，甚至还要进一步提高精度。而更高的采样速率也意味着处理量的显著增加。

随着电表对精度与数据处理能力的要求不断提升，要找到一款既能满足高精度计量，又具备强大处理性能的 SoC 变得愈发困难。要解决这一限制，可使用带有主机微控制器 (MCU) 的独立 ADC，以同时克服电表 SoC 的处理和精度限制。使用精确的独立式 ADC 通常具有以下优势：

  • 能够满足最严格的精度要求
  • 能够满足应用特定产品或计量 SoC 无法达到的最低采样率要求（不影响精度）
  • 能够在选择主控 MCU 时提供灵活性，因为您不必局限于选择具有高精度 ADC 的主机 MCU。能够根据应用要求选择主机 MCU，例如处理能力、用于记录电能使用情况的最小 RAM 和闪存存储，以及用于确保电表数据安全的 MCU 安全功能。

在本参考设计中，通过使用独立的 ADC 器件，实现了基于分流器的 0.5 级单相电能测量。独立 ADC 负责检测市电电压和电流。在电流检测方面，该设计通过使用分流器和 CT，同时测量火线和零线电流。通过测量这两路电流，即便有人试图通过绕过检测火线或零线电流来篡改电表，使电表记录的能耗低于实际消耗，也能正确检测计量参数。

当独立 ADC 产生新的采样数据时，主控 MCU 会通过 SPI 与独立 ADC 通信以获取这些新数据。随后，主机 MCU 利用独立 ADC 提供的最新采样数据来计算计量参数。除了计算计量参数外，主机 MCU 还驱动板的液晶显示器 (LCD)，并通过板上的隔离式 RS-232 电路或隔离式 RS-485 电路与个人计算机 (PC) 图形用户界面 (GUI) 进行通信。为提供额外保护，在设计中添加了外部 SVS 器件，以便在为主机 MCU 供电的电压不足时复位主机 MCU。通常，使用外部 SVS 比主机 MCU 上的内部 SVS 更安全。

在此设计中，测试软件专门支持计算单相电能测量的各种计量参数。这些参数可从校准 GUI 或 LCD 上查看。电能测量期间计算的关键参数包括：

  • 有功功率、无功功率、视在功率和电能
  • RMS 火线电流、RMS 零线电流和 RMS 电压
  • 功率因数
  • 线路频率

除了会影响电流变压器的电流传感器外，磁力篡改还可能影响电表电源中的变压器。为应对影响电表电源的磁力篡改攻击，一种可行方案是使用电容压降电源，这种电源不使用容易受磁场影响的变压器。然而，电容压降电源的一个缺点是最大输出电流较小。为了在不增加电源电容器尺寸的情况下提高电容压降电源的最大输出电流，可以用降压转换器配合电容压降电源替代传统电容压降电源中的 LDO。但使用压降转换器就需要加入电感器，而该电感器可能会像 CT 一样，受到外部磁场的影响。在本设计中，采用了交流电压稳压器来构建一种紧凑型的电容压降电源，该电源在不使用磁性元件的情况下，能够提供比传统电容压降电源更大的输出电流，从而使电源具有抗磁干扰能力。

另一种用于篡改电表的手段是断开电表的零线。如果断开零线，则测得的电压将为 0V，这将导致有功功率的测量值为 0W。当零线缺失时，主 AC/DC 将无法工作，因此必须使用备用电源（如电池或 CT 供电）为电表供电。对于这种篡改手段，虽然由于电压为 0V，有功功率显示为 0W，但火线中仍有电流流动，仍可被检测到。本设计中使用的独立 ADC 具有电流检测模式，可用于在这种篡改场景下检测电流的存在。在此模式下，ADC 由内部振荡器驱动，当用户配置的样本数量超过用户定义的 ADC 阈值时，则向 MCU 触发中断，这可能表明存在篡改行为。由于 ADC 正在执行电流检测，因此 MCU 可以进入睡眠模式，直到独立 ADC 检测到电流并发出警报为止。这种电流检测模式功耗低，允许电表周期性进入该模式，而不会显著消耗电表运行所依赖的备用电源。设计中的 AC/DC 电源能够提前检测交流电源故障，无论是由于实际停电还是零线被拆除，都可以触发独立 ADC 进入电流检测模式。当电表在停电恢复后再次接通市电时，设计中的 AC/DC 电源会发出警报，可用于退出电流检测模式。