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
2.4.1.2.2 电源选项和跳线设置

本设计的 MSP432 MCU 和 ADS131M04 器件部分由单个电压轨 (DVCC) 供电，这可以通过两种可能的方法实现。在第一种方式中，DVCC 可以通过使用基于 TPS7A78 的电容压降电源从交流市电获取供电。TPS7A78 器件的输出可通过在 J3 接头的 DVCC 和 LDO_OUT 引脚之间放置跳线直接连接至 DVCC。如果系统配有辅助电源（例如连接在 J1 接头上的电池），可在交流电中断时切换供电，应通过二极管间接将 TPS7A78 器件连接至 DVCC。要实现这种连接方式，可在 J3 接头的 DVCC 与 DIODE 选项之间放置一根跳线，同时在 J2 接口上也放置一根跳线。

二极管在此起到“或门”作用，实现 TPS7A78 电源与连接在 J1 上的辅助电源的优先选择。为确保在市电主电源可用时，系统优先使用 TPS7A78 提供的电源，TPS7A78 的输出电压（本设计为 3.3V）应高于连接在 J1 上的辅助电源输出电压。如果 TPS7A78 的输出电压不高于辅助电源的输出电压，即使市电可用，系统仍会从辅助电源供电。另外需要注意的是，通过二极管为 DVCC 供电会因为二极管的压降导致输出电压略低于直接供电的情况。因此，如果系统不需要辅助电源，建议将 TPS7A78 直接连接至 DVCC，而不是通过二极管将其连接到 DVCC。

在为 DVCC 提供电源的第二种方式中，DVCC 可以使用外部电源供电：将 3.3V 外部电源分别连接至 DVCC 接头 J6 和接地端 GND。为了支持这种直接驱动 DVCC 的方式，请勿在跳线接头 J3 上布置跳线。

各种跳线接头和跳线设置可增加电路板的灵活性。一些接头需要正确连接跳线，才能使电路板正常发挥作用。表 2-2 指示了板上每个跳线的功能。

注：

主要功能 列中包含（警告）文字的接头未隔离，因此以市电运行时，请勿在此处使用测量设备（尤其是当系统以火线为基准时)。如果设备通过电池供电且不连接市电，或者交流市电处于隔离状态，则适用此情况（除非此设计的电路板的外部某一隔离器用来在接头位置连接）。

表 2-2 接头名称和跳线设置
接头或接头选项名称类型主要功能有效用例注释
J12 引脚插头辅助电源输入（警告）在此端与 GND 之间施加 3.2V 电压，可形成一个辅助电源。当 TPS7A78 因输入端的交流电中断而无法为系统供电时，该辅助电源即可为设计提供备用电力。需要在 J2 上放置一根跳线，并在 J3 接头的 DVCC 与 DIODE 选项之间放置另一根跳线，以支持使用此处输入的电压作为备用电源。此外，施加在此接头的电压应低于 TPS7A78 的输出电压。
J22 引脚跳线接头辅助电源输入使能（警告）在此接头上放置跳线，可将连接在 J1 接头上的辅助电源连接到 DVCC。在此处放置跳线，可将 J1 接头的辅助电源经由二极管连接至 DVCC。为了使此输入电压能够作为备用电源使用，需要在 J3 接头的 DVCC 与 DIODE 选项之间放置跳线，以实现对 TPS7A78 电源与辅助电源的“或”连接。请注意，由于二极管存在压降，连接至 DVCC 的输出电压会略低于此接头上施加的电压。
J33 引脚跳线接头TPS7A78 DVCC 连接（警告）可以通过探测此接头的 LDO_OUT 引脚来查看 TPS7A78 输出的电压。可在此处放置跳线，将 TPS7A78 直接连接至 DVCC，或通过二极管间接连接至 DVCC。当 TPS7A78 的交流输入电源发生故障、需要使用连接在 J1 接头上的辅助电源作为备用电源时，应在本接头的 DVCC 与 DIODE 选项之间放置一根跳线。此外，在 J2 接头上再放置一根跳线。 放置这两根跳线后，TPS7A78 与辅助电源将实现“或”连接。请注意，由于二极管存在压降，连接至 DVCC 的电压会略低于 TPS7A78 的输出电压。如果系统计划使用外部电源为 DVCC 供电，而不是使用 TPS7A78，请勿在此处放置跳线。
J42 引脚插头连接到 TPS7A78 PG 和 PF 引脚的接头（警告）在此接头的引脚 2 处进行探测，以确定 TPS7A78 器件是否在其输入端检测到交流电源故障。在引脚 1 处进行探测，可判断 TPS7A78 的输出电压是否已上升至设定的 3.3V LDO 输出电压的 90% 以上。在本设计中，PF 引脚用于触发 ADS131M04 器件进入电流检测模式。PG 引脚则用于触发 ADS131M04 退出电流检测模式。
J52 引脚插头PM1 接头（警告）P2.7 GPIO 引脚和 GND。此接头有两个引脚：GND 和 PM1，其中 PM1 是 MSP432 MCU 的 P2.7 GPIO 引脚。P2.7 GPIO 引脚可通过端口映射到不同的功能，从而允许使用此接头来调试多个模块。
J64 引脚插头DVCC 电压接头（警告）在此处探测 DVCC 电压。直接通过 DVCC 从外部为电路板供电时，请连接工作台或外部电源的正极端子。在此处与 J7 之间探测为电路板供电的输出电压。如果直接为 DVCC 供电（从接头 J3 上移除跳线），则必须在此处和 J7 之间施加 3.3V 电压。
J74 引脚插头接地电压接头（警告）在此处探测 GND 电压。直接通过 DVCC 从外部为电路板供电时，请连接工作台或外部电源的负极端子。在 J6 与此处之间探测，可获取为整块电路板供电的输出电压。如果直接为 DVCC 供电（从接头 J3 上移除跳线），则必须在 J6 和此处之间施加 3.3V 电压。
J82 引脚插头额外的 DVCC 和 GND 连接（警告）包含 DVCC 和接地的接头。更多有关 DVCC 引脚的更多信息，请参阅 J6 的说明。有关接地引脚的更多信息，请参阅 J7 的说明。
J94 引脚插头包含 MSP432 P7.0、7.1、P7.2 和 P7.3 引脚的接头（警告）在此处探测 P7.0、P7.1、P7.2 和 P7.3 GPIO 引脚。P7.0、P7.1 和 P7.2 引脚用于调节 LCD 的对比度。此设计并未使用 P7.3。这些引脚均可进行端口映射。如果不需要 LCD，可在软件中禁用它并且可以移除 R9、R15、R16 和 R17，以便能够将 P7.0、P7.1 和 P7.2 端口映射用于其他用途。
J1110 引脚 2 排连接器JTAG：MSP432 编程接头（警告）将 MSP-FET- 432ADPTR 适配器连接到此连接器，以便对 MSP432 MCU 进行编程。MSP-FET-432ADPTR 用于使 MSP-FET 工具能够对 MSP432 器件进行编程。MSP-FET-432ADPTR 适配器的一个连接器连接到 FET 工具，另一个连接器连接到 MSP432 MCU 的 JTAG 连接器。请注意，必须从外部为 MSP432 供电才能对 MSP432 MCU 进行编程。由于此接头和 FET 工具未隔离，因此在使用市电运行且市电未隔离时，请勿连接到此接头。
J132 引脚插头有功电能脉冲（警告）在此处根据分流有功功率读数探测有功电能脉冲。此接头有两个引脚：GND 和 ACT，有功电能脉冲实际在这里输出。此接头未与交流市电隔离，因此请勿在此处连接测量设备（尤其是在以火线为参考时），如果需要测试有功功率脉冲，请改用 J15 的“ISO_ACT”引脚，因为该引脚是隔离引脚。
J142 引脚插头无功电能脉冲（警告）在此处根据分流有功功率读数探测有功电能脉冲。此接头有两个引脚：GND 和 REACT，无功电能脉冲实际在这里输出。此接头未与交流市电隔离，因此请勿在此处连接测量设备（尤其是在以火线为参考时），如果需要测试无功功率脉冲，请改用 J15 的“ISO_REACT”引脚，因为该引脚是隔离引脚。
J154 引脚插头隔离式脉冲接头在此处探测隔离式有功电能脉冲和隔离式无功电能脉冲。建议使用此接头进行脉冲测量，尤其是在将系统以火线为基准时。此接头有四个引脚：ISO_GND、ISO_REACT、ISO_ACT 和 ISO_VCC。
ISO_GND 是电能脉冲的隔离式接地。
ISO_VCC 是隔离式有功与无功电能脉冲的 VCC 电源连接。
ISO_ACT 为隔离式有功电能脉冲输出端。
ISO_REACT 是隔离式无功电能脉冲输出端。
此接头与交流市电隔离，因此可以安全地连接到示波器或其他测量设备，这是因为已经存在隔离器。然而，必须在 ISO_GND 和 ISO_VCC 之间施加 3.3V 或 5V 电压，才能在此接头处产生有功电能脉冲和无功电能脉冲。产生的脉冲具有逻辑高电压，等于在 ISO_GND 和 ISO_VCC 之间施加的电压。
J163 引脚跳线接头RS-232 或 RS-485 选择（电源）将跳线布置在 RS-232 或 RS-485 位置，具体取决于需要这两个通信选项中的哪一种通信方式。将跳线布置在此接头、J17 和 J18 上的 RS-232 位置，以选择 RS-232 通信。
将跳线布置在此接头、J17 和 J18 上的 RS-485 位置，以选择 RS-485 通信。
J173 引脚跳线接头RS-232 或 RS-485 选择 (TX)将跳线布置在 RS-232 或 RS-485 位置，具体取决于需要这两个通信选项中的哪一种通信方式。将跳线布置在此接头、J16 和 J18 上的 RS-232 位置，以选择 RS-232 通信。
将跳线布置在此接头、J16 和 J18 上的 RS-485 位置，以选择 RS-485 通信。
J183 引脚跳线接头RS-232 或 RS-485 选择 (RX)将跳线布置在 RS-232 或 RS-485 位置，具体取决于需要这两个通信选项中的哪一种通信方式。将跳线布置在此接头、J16 和 J17 上的 RS-232 位置，以选择 RS-232 通信。
将跳线布置在此接头、J16 和 J17 上的 RS-485 位置，以选择 RS-485 通信。
J192 引脚跳线接头TX_EN：RS-232 或 RS-485 传输使能（警告）在此处布置跳线以启用 RS-232 或 RS-485 传输。
J202 引脚跳线接头RX_EN：RS-232 或 RS-485 接收使能（警告）在此处布置跳线以启用通过 RS-232 或 RS-485 接收字符。
J214 引脚端子块RS-485 连接RS-485 的连接点要使用 RS-485 查看 GUI，请连接此处的 USB 转 RS-485 适配器。必须在该接头的引脚 1 上从外部提供 5V 电压。此接头的引脚 2 是 RS-485 地，引脚 3 是 B 总线 I/O 线，引脚 4 是 A 总线 I/O 线。
J222 引脚端子块市电电压输入（警告）火线和零线连接此端子块连接到火线和零线。如果以 零线 为参考连接分流器和系统接地，将左侧的端子块位置（在 PCB 上标记为“NEG”）连接到 零线。另外，将右侧的端子块位置（在 PCB 上标记为“POS”）连接到火线。
如果以 火线 为参考连接分流器和系统接地，将左侧的端子块位置（在 PCB 上标记为“NEG”）连接到 火线。另外，将右侧的端子块位置（在 PCB 上标记为“POS”）连接到零线。
如果系统以 火线 为基准，请注意，从 ADS131M04 器件获取的所有电压样本应在软件中乘以 –1，以确保电压和电流之间的相位关系在功率测量结果中正确反映。此外，仅在使用能够测量市电电压的设备时，才可在此处进行探测。
J232 引脚跳线接头ADS131M04 AVDD 跳线（警告）为了使 ADS131M04 器件正常运行，该跳线接头必须短接（通过电流表的跳线进行）。此接头与 J24 配合使用可测量 ADS131M04 器件的电流消耗。
J242 引脚跳线接头ADS131M04 DVCC 跳线（警告）为了使 ADS131M04 器件正常运行，该跳线接头必须短接（通过电流表的跳线进行）。此接头与 J23 配合使用可测量 ADS131M04 器件的电流消耗。
J253 引脚端子块分流器连接（警告）分流器连接该端子块连接到分流器的输出端子。该端子块是一个三位端子块，其位置标记为“POS”、“GND”和“NEG”。对于本设计中使用的增益为 32 的情况，该端子块“POS”与“NEG”之间的差分电压应小于 ±37.5mV。请勿在此处连接 CT，因为该通道的电路没有配置负载电阻，而 J26 的电流测量电路则配备了负载电阻。
J263 引脚端子块CT 连接（警告）CT 传感器后的电流输入这是三位置端子块，但仅使用最左侧和最右侧位置。中心位置连接至 GND，不连接至 CT。将 CT 的正极端子连接到最右侧的端子块位置，此位置标记为“POS”。将 CT 的负极端子连接到最左侧的端子块位置，此位置标记为“NEG”。在执行任何测试之前，请验证该端子块是否安全牢固地连接到 CT 的两条输出引线。
J278 引脚插头ADS131M04 MSP432 通信接头（警告）在此处探测与 ADS131M04 器件的芯片选择信号、SPI 信号、RST 信号、CLKIN 信号和 DRDY 信号的连接。ADS131M04 器件的 SYNC/RESET 引脚用于复位 ADS131M04 器件。初始化 ADS131M04 时，MSP432 MCU 会驱动该引脚以将 ADS131M04 复位。ADS131M04 器件的 DRDY 引脚用于指示 MSP432 MCU 有新的电流样本可用。CLKIN 引脚从 MSP432 MCU 的 SMCLK 时钟输出馈送到 ADS131M04 器件，后者对时钟进行分频以产生所使用的调制器时钟。此接头未与交流市电隔离，因此，除非可以使用参考设计的外部隔离器，否则请勿在使用市电运行时连接测量设备。此接头上的引脚映射如下：
● 引脚 1：SMCLK（ADS131M04 CLKIN 引脚）
● 引脚 2：SPI DOUT（ADS131M04 DIN 引脚/SIMO）
● 引脚 3：SPI DIN（ADS131M04 DOUT/引脚 SOMI）
● 引脚 4：SPI CLK（ADS131M04 SCLK 引脚）
● 引脚 5：ADS DRDY（ADS131M04 DRDY 引脚）
● 引脚 6：SPI CS（ADS131M04 CS 引脚）
● 引脚 7：RST SYNC（ADS131M04 SYNC/RESET 引脚）
● GND