MCP3909與PIC18F85J90單相電表參考設(shè)計解析

一、引言

在電子工程師的日常工作中，電表設(shè)計是一個重要的領(lǐng)域。Microchip公司推出的MCP3909/PIC18F85J90單相電表參考設(shè)計，為我們提供了一個低成本、功能強(qiáng)大的解決方案。今天，我們就來深入探討這個參考設(shè)計的各個方面。

文件下載：MCP3909RD-1PH1.pdf

二、產(chǎn)品概述

2.1 設(shè)計特點(diǎn)

MCP3909/PIC18F85J90單相電表參考設(shè)計是一個功能完備的單相電表。它具有低成本、無變壓器的特點(diǎn)，采用半波整流電源電路和分流電流傳感元件。其中，單個MCP3909作為模擬前端測量電路，PIC18F85J90直接驅(qū)動LCD玻璃，顯示有功能耗。

2.2 套件內(nèi)容

該參考設(shè)計套件包含MCP3909/PIC18F85J90單相電表參考設(shè)計（編號102 - 00130）以及重要信息表。

2.3 上手步驟

以2線1相、220V交流線路電壓為例，使用電表校準(zhǔn)設(shè)備或其他可編程負(fù)載源進(jìn)行測試。電表設(shè)計使用5A負(fù)載進(jìn)行校準(zhǔn)電流，最大電流（IMAX）為10A。

• 接線：采用4線連接方式，具體連接可參考相關(guān)示例圖。
• 通電：當(dāng)線路連接220V電壓時，電表開啟，LCD顯示屏將顯示累計總能量。

三、硬件設(shè)計

3.1 輸入與模擬前端

電表主板底部有高壓線路和中性線連接，共四個連接點(diǎn)，分別標(biāo)記為LINE、NEUTRAL、SHUNT1和SHUNT2。分流器位于兩線系統(tǒng)的高或線路側(cè)，電表采用熱或“帶電”接地。進(jìn)入分流器的SHUNT1和SHUNT2的電線應(yīng)絞合在一起，進(jìn)入LINE和NEUTRAL側(cè)的電線也應(yīng)絞合在一起，并盡可能遠(yuǎn)離SHUNT1和SHUNT2電線。

中性線一側(cè)連接到電壓通道輸入的電阻分壓器，兩個差分通道都包含抗混疊低通濾波器。電壓通道使用兩個332 kΩ電阻實(shí)現(xiàn)664:1的分壓比，對于230 (V{RMS }) 的線路電壓，通道1輸入信號大小為 (490 mV{PEAK }) 。電流通道使用匝數(shù)比為2000:1的電流互感器和56.4 kΩ的負(fù)載電阻，對于20A（電表額定最大電流的兩倍），通道0信號大小為 (340 mV_{PEAK }) ，仍在MCP3909的A/D轉(zhuǎn)換器輸入范圍內(nèi)。

3.2 電源電路

電源電路采用半波整流信號、單個+5V電壓調(diào)節(jié)器和3.3V LDO，為電表提供穩(wěn)定的電源。

3.3 微控制器連接

MCP3909與PIC18F85J90之間的數(shù)字連接確保了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確傳輸和處理。

四、計算與寄存器描述

4.1 寄存器概述

PIC18F85J90包含用于校準(zhǔn)的寄存器和可通過UART讀取的寄存器。校準(zhǔn)的目的是使輸出寄存器以十進(jìn)制表示最終的能量、功率、電流或電壓值。

4.2 有功能量計算

有功能量的計算過程涉及多個校準(zhǔn)寄存器和輸出寄存器，具體計算可參考相關(guān)流程圖。

4.3 完整寄存器列表

文檔中詳細(xì)列出了各種寄存器的地址、名稱、位數(shù)、讀寫屬性和描述，包括配置寄存器、狀態(tài)寄存器、校準(zhǔn)寄存器等。例如，MODE1寄存器控制電表的操作模式，STATUS1寄存器包含電表的運(yùn)行狀態(tài)信息。

4.4 配置與輸出寄存器

• MODE1寄存器：控制電表的操作，包含多個功能位，如視在功率計算模式位、有功功率計算模式位、PGA位等。
• STATUS1寄存器：包含電表的運(yùn)行狀態(tài)，其中PHA_S位表示相A的符號位。
• CAL_CONTROL寄存器：用于控制校準(zhǔn)模式，通過設(shè)置相關(guān)位可以啟動和停止能量積累寄存器的更新。
• LINE_CYC寄存器：設(shè)置線周期數(shù)，以2的冪次方表示。
• LINE_CYC_CNT寄存器：對線周期進(jìn)行計數(shù)。
• PHA_W_RAW寄存器：表示相A的原始有功功率，用于校準(zhǔn)過程中計算偏移和增益值。
• PHA_W寄存器：表示相A的有功功率，校準(zhǔn)目標(biāo)是使該寄存器的值等于X 0.1 mW/LSB。
• PERIOD寄存器：表示最近LINE_CYC線周期內(nèi)的總時鐘滴答數(shù)。
• ENERGY_W_系列寄存器：表示總有功能量積累，包括ENERGY_W、ENERGY_W_Z、ENERGY_W_L和ENERGY_W_L_RAW。
• ENERGY_VA_系列寄存器：表示總視在能量積累。

4.5 校準(zhǔn)寄存器

校準(zhǔn)寄存器包含偏移、增益、LSB調(diào)整、相位延遲和校準(zhǔn)輸出脈沖調(diào)整設(shè)置。這些值可以通過Microchip網(wǎng)站上的“3相電表校準(zhǔn)軟件”自動生成。例如，PHA_DELAY寄存器用于設(shè)置相A的延遲，PHA_W_OFF寄存器用于設(shè)置相A的有功功率偏移。

五、電表協(xié)議與時序

5.1 協(xié)議介紹

PIC18F85J90的RS - 232端口用于訪問電表的寄存器映射。除了讀寫寄存器外，還有專門的命令用于清除校準(zhǔn)寄存器、加載校準(zhǔn)寄存器和將校準(zhǔn)寄存器存儲到閃存。

5.2 命令描述

• E（ECHO）：回顯所有接收到的數(shù)據(jù)。
• L（LOAD）：從閃存加載校準(zhǔn)寄存器。
• S（STORE）：將校準(zhǔn)寄存器存儲到閃存。
• W（WRITE）：從指定地址開始寫入字節(jié)。
• R（READ）：從指定地址開始讀取字節(jié)。

六、電表校準(zhǔn)

6.1 校準(zhǔn)概述

校準(zhǔn)的目的是去除偏移、設(shè)置增益和相位調(diào)整，并進(jìn)行（單位）/LSB調(diào)整。校準(zhǔn)過程可以通過Microchip的“單相電表校準(zhǔn)軟件”自動化完成。校準(zhǔn)包括有功功率校準(zhǔn)、RMS電流和電壓校準(zhǔn)、視在功率校準(zhǔn)，可分為4種不同的校準(zhǔn)配置。

6.2 校準(zhǔn)配置

• 配置C1：增益校準(zhǔn)，使用基本電壓 (V{B}) 和基本電流 (I{B}) ，功率因數(shù)為1。
• 配置C2：相位校準(zhǔn)，使用基本電壓 (V{B}) 和基本電流 (I{B}) ，功率因數(shù)為0.5。
• 配置C3：偏移校準(zhǔn)，使用基本電壓 (V{B}) 和 (I{B}) 的1/100，功率因數(shù)為1。
• 配置C4：中程校準(zhǔn)，使用 (V{B}) 的1/10和 (I{B}) 的1/10，功率因數(shù)為1。

6.3 校準(zhǔn)方程

不同配置下的校準(zhǔn)方程用于計算校準(zhǔn)和校正因子，如配置C1中的CFDEN、CFNUM、PHA_W_GAIN、PHA_W_GLSB等寄存器的計算。

七、附錄

7.1 原理圖和布局

附錄A包含了電表的原理圖和布局圖，包括電路板原理圖、頂層和底層的絲印圖、銅層圖等，為硬件設(shè)計和調(diào)試提供了詳細(xì)的參考。

7.2 物料清單

附錄B列出了構(gòu)建電表所需的所有部件，包括電容、電阻、二極管、集成電路等，方便工程師進(jìn)行采購和組裝。

八、總結(jié)

MCP3909/PIC18F85J90單相電表參考設(shè)計為電子工程師提供了一個全面的解決方案。通過深入了解其硬件設(shè)計、寄存器配置和校準(zhǔn)方法，我們可以更好地應(yīng)用這個參考設(shè)計，開發(fā)出高性能、低成本的單相電表。你在實(shí)際應(yīng)用中是否遇到過類似的電表設(shè)計問題？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。