MAXQ3120電能表基準(zhǔn)

MAXQ3120電表參考設(shè)計(jì)可幫助您基于MAXQ3120 RISC微控制器生成符合標(biāo)準(zhǔn)的電表。電表符合IEC 1定義的所有61036類要求，并符合中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 15284和DL/T 614的多功能和多速率要求。此外，該儀表根據(jù)用戶可編程的資費(fèi)表記錄使用情況，并使用符合中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)DL/T 645的協(xié)議報(bào)告此數(shù)據(jù)。

儀表由MAXQ3120微控制器和一些其它元件組成。提供源代碼、原理圖、物料清單和示例 PCB 布局，并可輕松定制，為滿足特定區(qū)域要求的電表提供基礎(chǔ)。應(yīng)用筆記隨附的文件可在此處找到。該參考設(shè)計(jì)包提供了設(shè)計(jì)人員構(gòu)建電表應(yīng)用所需的信息;一般MAXQ3120應(yīng)用應(yīng)使用MAXQ3120-KIT套件。

電氣規(guī)格

標(biāo)稱電壓：220V ±10% 基極電流：10A 最大電流：40A

頻率：50Hz，±10%

通信：異步紅外，EIA485
儀表脈沖輸出：干式隔離輸出，可變儀表常數(shù)，可變脈沖寬度

硬件

除了一些外部元件外，該參考設(shè)計(jì)的硬件還包括MAXQ3120中包含的子系統(tǒng)。由于MAXQ3120的高集成度，設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)性是可能的：

8MHz、16 位 RISC CPU 內(nèi)核

16k，16位字的程序存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)為閃存

512字節(jié)的數(shù)據(jù)RAM。

兩個(gè)16位A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換間隔為48μs

帶 16 位累加器的 16 x 40 硬件乘法器

三個(gè)計(jì)時(shí)器

兩個(gè)帶有獨(dú)立波特率發(fā)生器的UART通道，一個(gè)具有特殊模式，以簡(jiǎn)化紅外通信

具有數(shù)字微調(diào)和鬧鐘功能的定時(shí)時(shí)鐘

能夠在 X112 多路復(fù)用配置中驅(qū)動(dòng) 4 段的 LCD 控制器

利用MAXQ3120的內(nèi)部外設(shè)，只需要一小部分外部元件：

提供兩個(gè)隔離式 3.3V 輸出的電源。隔離至關(guān)重要，因?yàn)樵谡９ぷ髦校壿嫿拥剡B接到線路的熱側(cè)。

液晶顯示器。在此設(shè)計(jì)中，我們選擇了帶有自定義信號(hào)器的 6 位 LCD。

非易失性存儲(chǔ)器組件，通常為 I2C EEPROM 或 FRAM。在參考設(shè)計(jì)中，我們選擇了128k（16kB）EEPROM。

通信外設(shè)。在此設(shè)計(jì)中，我們有兩個(gè)通道：一個(gè)光隔離RS-485緩沖器和一個(gè)IR通道。紅外通道由一個(gè)由外部 PNP 晶體管驅(qū)動(dòng)的紅外 LED 和一個(gè)調(diào)諧至 38kHz 載波頻率的集成紅外接收器組成。

用于光學(xué)和電表脈沖輸出的 LED 和光隔離器。

參考設(shè)計(jì)還包括一個(gè)外部時(shí)間時(shí)鐘芯片DS3231。雖然MAXQ3120包含一個(gè)集成的實(shí)時(shí)時(shí)鐘，但時(shí)鐘不對(duì)溫度進(jìn)行補(bǔ)償（盡管微控制器包含一個(gè)可用于此目的的數(shù)字微調(diào)寄存器）。DS3231包含一個(gè)時(shí)間時(shí)鐘、一個(gè)微調(diào)晶體和一個(gè)自動(dòng)補(bǔ)償時(shí)鐘的溫度傳感器。代碼完全支持此設(shè)備。

該參考設(shè)計(jì)還提供一個(gè)外部基準(zhǔn)電壓源。雖然MAXQ3120的內(nèi)部電壓基準(zhǔn)在整個(gè)溫度范圍內(nèi)為大多數(shù)應(yīng)用提供了足夠的精度，但在需要高精度的情況下可以使用外部基準(zhǔn)。

軟件

該參考設(shè)計(jì)圍繞一個(gè)簡(jiǎn)單的任務(wù)輪構(gòu)建：任務(wù)一個(gè)接一個(gè)地調(diào)用，通常一直運(yùn)行到完成，或者直到它們需要來(lái)自另一個(gè)任務(wù)的數(shù)據(jù)。任務(wù)通過(guò)稱為留言板的簡(jiǎn)單位數(shù)組和一組全局變量相互通信。例如，當(dāng)串行端口驅(qū)動(dòng)程序收到字符時(shí)，它會(huì)將該字符加載到全局變量中，并在消息板中設(shè)置字符就緒位。然后，消息檢查器從全局變量中檢索字符，并清除消息板中的位。

該軟件旨在靈活且可定制。每個(gè)任務(wù)處理功能子集，以便可以輕松刪除或增強(qiáng)功能。例如，消息檢查器解釋 DL/T 645 協(xié)議的數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)，并將有效負(fù)載發(fā)送到消息解碼器。要使用不同的數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)，只需重新編碼消息檢查器的元素（在編碼端，消息生成器）;無(wú)需重寫(xiě)整個(gè)應(yīng)用程序。

安裝

所有電氣連接均從儀表底部進(jìn)行，并由塑料接線端子上浮雕的數(shù)字表示：

警告：在連接測(cè)量?jī)x之前，請(qǐng)斷開(kāi)所有電源的電源。否則可能會(huì)導(dǎo)致儀表?yè)p壞或操作員受傷。

終端 1：服務(wù)熱 — 將此終端連接到傳入服務(wù)的熱端。

端子 2：熱負(fù)載 — 將此端子連接到負(fù)載的熱側(cè)。

終端 3：服務(wù)中立 — 將此終端連接到傳入服務(wù)的中性側(cè)。

端子 4：負(fù)載中性 — 將此端子連接到負(fù)載的中性側(cè)。

終端 5：儀表脈沖正 — 連接到儀表脈沖接收器的正側(cè)。有關(guān)詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱表1中的儀表脈沖和校準(zhǔn)部分。

6 號(hào)航站樓：RS-485 正極 — 連接到 RS-485 網(wǎng)絡(luò)的正極 （A） 端（如果使用）。

終端 7：儀表脈沖負(fù) — 連接到儀表脈沖接收器的負(fù)側(cè)。

8 號(hào)終端：RS-485 負(fù)極 — 連接到 RS-485 網(wǎng)絡(luò)的負(fù)極 （B） 端（如果使用）。

初始設(shè)置

在安裝完成之前，必須執(zhí)行三個(gè)步驟。首先，必須分配計(jì)量地址。其次，任何自定義值都必須加載到測(cè)量?jī)x的操作寄存器中。最后，必須校準(zhǔn)儀表。（校準(zhǔn)通常在工廠而不是現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行，因此最后一步可能已經(jīng)完成。

地址分配

使用 DL/T 645 協(xié)議下的“設(shè)置測(cè)量?jī)x地址”命令為測(cè)量?jī)x分配地址。新安裝的測(cè)量?jī)x的地址為 00 00 00 00 00 00。測(cè)量?jī)x將僅響應(yīng)“設(shè)置測(cè)量?jī)x地址”命令，并且僅響應(yīng)第一個(gè)此類命令。

您可以使用 IR 或 EIA-485 接口執(zhí)行地址分配操作。但是，如果EIA-485網(wǎng)絡(luò)中已經(jīng)安裝了多個(gè)儀表，則所有這些儀表將響應(yīng)設(shè)置儀表地址網(wǎng)絡(luò)命令，因此將具有相同的地址。因此，建議在安裝前設(shè)置儀表地址，或使用 IR 接口在多儀表安裝中設(shè)置儀表地址。

如果需要更改地址，請(qǐng)執(zhí)行以下步驟：

卸下儀表蓋子底部的兩個(gè)螺釘，然后向上和向下傾斜蓋子，以卸下測(cè)量?jī)x的蓋子。

找到一排 LED 附近的方形白色按鈕。使用非導(dǎo)電儀器，按下按鈕。測(cè)量?jī)x將顯示 NET-10，并開(kāi)始倒計(jì)時(shí)十秒。

在測(cè)量?jī)x顯示 NET-xx 時(shí)發(fā)送 DL/T 645 地址設(shè)置消息。如果正確接收消息，測(cè)量?jī)x將顯示 -SEt-。

典型儀表值

設(shè)置地址后，必須配置儀表操作參數(shù)。幾個(gè)常用值和寄存器如下表1所示。

表 1.配置電表的典型值

要設(shè)置這些值，您可以使用任何能夠與符合 DL/T 645 標(biāo)準(zhǔn)的儀表運(yùn)行的軟件包。要使用 PC 演示軟件，請(qǐng)參閱下面的討論。

校準(zhǔn)

在校準(zhǔn)儀表之前，請(qǐng)確保在儀表常數(shù)寄存器和儀表脈沖寬度寄存器中設(shè)置了合理的值。您還應(yīng)該驗(yàn)證電壓和電流通道增益是否設(shè)置為單位 （0x8000），以及相位偏移是否設(shè)置為零。校準(zhǔn)可以使用參考設(shè)計(jì)儀表內(nèi)置的自動(dòng)化機(jī)制執(zhí)行，具體步驟如下：

在儀表的線路輸入端放置一個(gè)已知的校準(zhǔn)電壓。

在儀表的負(fù)載輸出端放置一個(gè)已知的、經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)的電阻負(fù)載，以在我b和我.MAX.

寫(xiě)寄存器EFFF。在數(shù)據(jù)字段中，提供四個(gè)字節(jié)：V低- w高我低我高

例如，如果在 10V 時(shí)提供 220A，則數(shù)據(jù)字段將為：

20 02 00 10

顯示屏應(yīng)指示 --CAL-，幾秒鐘后，測(cè)量?jī)x應(yīng)重置。復(fù)位后，應(yīng)校準(zhǔn)儀表，校準(zhǔn)值可以從E124，E125和E127讀取。

電腦軟件

Dallas Semiconductor/Maxim提供與參考設(shè)計(jì)儀表（或任何符合DL/T 645標(biāo)準(zhǔn)的儀表）通信的軟件。本節(jié)介紹其用法。

系統(tǒng)要求
通信軟件需要具有以下特征的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) PC：

Windows 98SE、Windows ME、Windows 2000 或 Windows? XP 操作系統(tǒng)

一個(gè) COM 端口

通信技術(shù)
該軟件將與紅外接口或RS-485接口配合使用。請(qǐng)注意，IR 接口不符合 IrDA 標(biāo)準(zhǔn);它是DL / T 645標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的自定義物理層。任何標(biāo)準(zhǔn)的RS-232到RS-485轉(zhuǎn)換器都應(yīng)用作標(biāo)準(zhǔn)PC和電表之間的鏈接。請(qǐng)注意，某些轉(zhuǎn)換器使用 RTS 作為傳輸信號(hào)（即數(shù)據(jù)流從 RS-232 側(cè)到 RS-485 側(cè)），而其他轉(zhuǎn)換器使用 TxD 上的第一個(gè)轉(zhuǎn)換作為開(kāi)始傳輸?shù)男盘?hào)，并使用一個(gè)字符周期的空閑條件作為關(guān)閉發(fā)射器的信號(hào)。該軟件應(yīng)與任一類型的 RS-232 到 RS-485 轉(zhuǎn)換器配合使用。

主窗口

圖1.電表參考設(shè)計(jì)軟件在頂部顯示了最常用的命令。

軟件的主窗口（圖 1）分為兩個(gè)常規(guī)區(qū)域：具有最常用控件的上半部分;和下半部分，更多地用于初始校準(zhǔn)和故障排除。

窗口頂部的組合框包含常用寄存器的下拉列表。您可以選擇其中一個(gè)寄存器，然后單擊“讀取數(shù)據(jù)”按鈕。軟件將向測(cè)量?jī)x發(fā)送讀寄存器消息，并期望得到響應(yīng)。結(jié)果將顯示在“讀取數(shù)據(jù)”按鈕正下方的文本框中。

圖2.“直接寄存器讀/寫(xiě)”菜單選項(xiàng)允許您讀取頂級(jí)下拉菜單中未列出的寄存器。

如果要讀取下拉框中未列出的寄存器，可以在“直接寄存器讀/寫(xiě)”部分的“地址”框中填寫(xiě)寄存器編號(hào)，然后單擊“讀取”（圖2）。

結(jié)果框下方是用于控制和監(jiān)視通信端口的三個(gè)項(xiàng)目。最左側(cè)的窗口指示所選通信端口的狀態(tài)或“運(yùn)行狀況”。如果此指示燈不為綠色，您將無(wú)法與儀表通信。通信狀態(tài)指示器的右側(cè)是一個(gè)用于選擇端口的下拉框。右邊是一個(gè)下拉框，用于選擇波特率。

通信面板正下方是一組執(zhí)行專用功能的按鈕。它們描述如下：

設(shè)置時(shí)間：從PC發(fā)送DL/T 645設(shè)置時(shí)間消息，其中包含當(dāng)前時(shí)間。

設(shè)置日期：從 PC 發(fā)送包含當(dāng)前日期的 DL/T 645 設(shè)置日期消息。

清除最大值：發(fā)送 DL/T 645 清除最大需求消息。這會(huì)導(dǎo)致測(cè)量?jī)x將所有最大需求寄存器重置為零，并增加最大需求清除寄存器的次數(shù)。

設(shè)置地址：使用“數(shù)據(jù)”文本框中給出的地址向計(jì)量器發(fā)送“設(shè)置地址”消息。數(shù)據(jù)的格式必須為六組，每組兩位數(shù)。

通常，如果應(yīng)用了一些手動(dòng)操作來(lái)強(qiáng)制測(cè)量?jī)x接收該消息，則測(cè)量?jī)x只會(huì)響應(yīng) DL/T 645 設(shè)置地址消息。這樣，許多儀表可以通過(guò)RS-485連接連接到PC，而不會(huì)相互干擾。如上所述，在參考設(shè)計(jì)儀表中，所需的手動(dòng)操作是取下頂蓋并激活網(wǎng)按鈕。完成此操作后，顯示屏將指示 nEt-10 并開(kāi)始倒計(jì)時(shí)。收到“設(shè)置地址”消息時(shí)，顯示屏將指示 -SEt- 然后返回正常操作。

需要激活網(wǎng)絡(luò)按鈕有一個(gè)例外：首次安裝儀表時(shí)。在后一種情況下，測(cè)量?jī)x在地址集模式下運(yùn)行，直到收到地址。

圖3.“ID 和密碼”對(duì)話框允許您設(shè)置測(cè)量?jī)x的網(wǎng)絡(luò)地址和最多十個(gè)密碼。

設(shè)置 Pwd：向測(cè)量?jī)x發(fā)送設(shè)置密碼消息。DL/T 645 最多支持十個(gè)密碼，編號(hào)為 0 到 9。如果使用密碼，則必須通過(guò)寫(xiě)入寄存器 C212 提供密碼，然后才能執(zhí)行任何操作。寄存器 C212 是一個(gè)只寫(xiě)寄存器，在上次受保護(hù)的操作后一分鐘過(guò)期。

要設(shè)置密碼，請(qǐng)將 PP VV VV VV 加載到數(shù)據(jù)文本框中。這里的PP是要分配的密碼編號(hào)，VV VV VV是要分配給密碼的值?！?strong>設(shè)置密碼”命令將與當(dāng)前活動(dòng)的超級(jí)用戶密碼一起作為憑據(jù)發(fā)送。

ID：打開(kāi)“ID和密碼”對(duì)話框（圖3）：

此對(duì)話框用于設(shè)置測(cè)量?jī)x的網(wǎng)絡(luò)地址并設(shè)置要用作憑據(jù)的密碼。第一個(gè)文本框包含計(jì)量 ID 或計(jì)量的網(wǎng)絡(luò)地址。輸入您要與之通信的儀表的地址;以 999999999999 位數(shù)字的單個(gè)字符串形式輸入地址。如果要使用廣播地址 （<>），請(qǐng)選中使用廣播復(fù)選框。

“計(jì)量 ID”框下方的三個(gè)文本框包含三個(gè)特權(quán)級(jí)別的密碼。密碼 0，即超級(jí)用戶密碼，是唯一授權(quán)更改其他密碼（包括其自身）的密碼。密碼 1 和 2 是普通密碼，可以顯示它們來(lái)更改儀表中的任何值。最后，密碼 3 到 9 是只讀密碼。提供后一個(gè)密碼的用戶只能讀取儀表，不能更改任何寄存器，也不能清除最大需求。

例如，假設(shè)您是一名抄表員，并且知道密碼 4 是“123456”。您可以在“只讀密碼”框旁邊的下拉列表中選擇 4，然后在文本框中鍵入“12 34 56”。單擊“只讀密碼”文本框旁邊的單選按鈕，然后單擊“完成”按鈕。然后，軟件將在下次嘗試讀取寄存器時(shí)提供密碼 4 作為其憑據(jù)。

自動(dòng)校準(zhǔn)

圖4.自動(dòng)校準(zhǔn)對(duì)話框使將校準(zhǔn)值加載到儀表中的簡(jiǎn)單三步過(guò)程成為可能。

自動(dòng)校準(zhǔn)是將校準(zhǔn)值輸入儀表的最簡(jiǎn)單方法。單擊 Cal M1：自動(dòng)自動(dòng)校準(zhǔn)按鈕時(shí)，將出現(xiàn)圖 4 中所示的對(duì)話框。執(zhí)行校準(zhǔn)現(xiàn)在是一個(gè)快速的三步過(guò)程：

以 0.5L 的功率因數(shù)向儀表施加已知電壓和已知電流。在“測(cè)試儀 Vn”和“測(cè)試儀 Ib”框中輸入 V 和 I 值。（V_scale（V）和I_scale（A）僅供參考;它們顯示儀表可以測(cè)量的最大電壓和電流。

單擊運(yùn)行自動(dòng)校準(zhǔn)按鈕。儀表將在自我校準(zhǔn)時(shí)顯示 -CAL-，并最終重置并開(kāi)始正常運(yùn)行。

作為檢查，單擊讀取校準(zhǔn)寄存器以檢查電壓增益 （E125）、電流增益 （E124） 和相位偏移 （E127） 寄存器。

完成后，單擊“關(guān)閉”按鈕返回主屏幕。

手動(dòng)校準(zhǔn)

圖5.您可以使用 Cal M2：手動(dòng)菜單手動(dòng)校準(zhǔn)儀表。

如果您希望手動(dòng)校準(zhǔn)儀表，Cal M2：手動(dòng)校準(zhǔn)按鈕會(huì)顯示手動(dòng)校準(zhǔn)對(duì)話框（圖 5）。執(zhí)行手動(dòng)校準(zhǔn)涉及以下步驟：

以 1.0 的功率因數(shù)向儀表施加已知電壓和已知電流。在測(cè)試儀 Vn（五）和測(cè)試儀 Ib（一）盒。（V_scale（V）和I_scale（A）僅供參考;它們顯示儀表可以測(cè)量的最大電壓和電流。

單擊重置寄存器按鈕。這會(huì)將增益寄存器設(shè)置為單位（0x8000），將相位偏移寄存器設(shè)置為零。

單擊“讀取 RMS”按鈕。這將讀取內(nèi)部電表單位中的RMS電壓和電流，并將其與預(yù)期值（來(lái)自上述步驟1中給出的值）進(jìn)行比較。結(jié)果將顯示在屏幕底部的窗口中。

單擊調(diào)整增益按鈕。軟件將讀取RMS值并計(jì)算將電壓和電流歸一化為步驟1中給出的值所需的增益設(shè)置。

設(shè)置測(cè)試設(shè)備產(chǎn)生功率因數(shù)0.5C。單擊計(jì)算錯(cuò)誤 （ErrC） 按鈕。錯(cuò)誤將出現(xiàn)在框中。這表示預(yù)期值（正好是視在功率值的一半）與從儀表讀取的值之間的差異。

設(shè)置測(cè)試設(shè)備產(chǎn)生功率因數(shù)0.5L。單擊計(jì)算錯(cuò)誤 （ErrL） 按鈕。錯(cuò)誤將出現(xiàn)在框中。

現(xiàn)在單擊“執(zhí)行PHC”按鈕。軟件將根據(jù)誤差值計(jì)算相位偏移值，并將其寫(xiě)入儀表。

要驗(yàn)證寫(xiě)入的值，請(qǐng)單擊“轉(zhuǎn)儲(chǔ)校準(zhǔn)寄存器”按鈕。這些值將顯示在窗口中。

重新加載固件

參考設(shè)計(jì)儀表包含一個(gè)內(nèi)置調(diào)試器，允許重新加載操作固件。固件更新以英特爾 .HEX文件，可以使用MAX-IDE軟件包加載到儀表上。本節(jié)介紹固件重新加載過(guò)程。

在開(kāi)始此過(guò)程之前，您應(yīng)該安裝一臺(tái)安裝了MAX-IDE的PC，并配置并連接了串行到JTAG適配器。您將使用此PC傳輸新的.十六進(jìn)制文件到電表。

斷開(kāi)測(cè)量?jī)x的所有電源。

從透明蓋的下部卸下兩個(gè)螺釘并向上傾斜，以卸下儀表的蓋子。保留這些螺釘。

通過(guò)卸下四個(gè)螺釘（每個(gè)角一個(gè)螺釘）從儀表上卸下 PCB。保留這些螺釘。

將 BR1 的引腳 2（正極 DC 引腳）的電線連接到 J10。如果需要，可以將此電線留在原位。這樣，將來(lái)可以執(zhí)行固件重新加載，而無(wú)需從儀表上取下PCB。

將 PCB 更換到儀表盒中，并使用上述步驟 3 中卸下的四個(gè)螺釘固定。

將串行到JTAG適配器連接到JH1。請(qǐng)注意，連接器的引腳 1 朝向電路板頂部。

啟動(dòng)最大IDE（圖6）。

圖6.固件通過(guò)使用MAX-IDE軟件加載到儀表上。

在Device菜單下，選擇MAXQ JTAG。

在 Dev冰菜單下，選擇加載。

圖7.加載固件時(shí)，選擇 .十六進(jìn)制文件格式。

選擇要加載的十六進(jìn)制文件，然后單擊打開(kāi)。

文件將被傳輸?shù)綔y(cè)量?jī)x。

完成后，斷開(kāi)測(cè)量?jī)x與JTAG板的連接，并更換步驟2中卸下的兩個(gè)螺釘。固件更新現(xiàn)已完成。

審核編輯：郭婷