应用笔记 4642

MAXQ3180入门:寄存器配置

By: Ben Smith

摘要 : 虽然多相、多功能电能计量AFE芯片MAXQ3180具有很多配置寄存器,但仅需配置几个寄存器即可实现基本的测量功能。本篇应用笔记介绍如何成功配置这几个寄存器,列举了必须配置的寄存器,并给出了哪些寄存器必须使能,哪些寄存器不用修改。

简介

MAXQ3180是一款复杂的三相电能计量IC,可在很多计量环境中应用。为了适应各种复杂的计量环境,MAXQ3180共有68个配置寄存器可供修改。正确理解如何使用所有寄存器是一项艰巨任务,但幸运的是在大多数情况下并不需要配置全部68个寄存器。实际上在通常环境下仅需配置10个寄存器即可实现MAXQ3180的基本功能。

本篇应用笔记介绍了必须进行初始化设置的MAXQ3180寄存器,以及在使用特定功能时需要初始化的寄存器,有些寄存器在大多数应用中都可以不设置。

基本初始化过程

MAXQ3180上电后即开始测量电压、电流、功率,计量电能。所以,只有正确配置MAXQ3180,使其与传感器相匹配才能得出正确、有意义的读数。

MAXQ3180执行两步测量:第一步,读取物理参数(如:电压、电流、功率等),在内部用一种“电表单位”表示;第二步,将用“电表单位”表示的参数转换成现实世界中的计量单位,如伏特,安培和瓦。

读取物理参数(计量单位)

MAXQ3180第一步先执行所要求的测量,并在内部用适合测量电路的“电表单位”精确表示,随后的校准过程将确保伏特、安培、瓦、千瓦时等计量单位可以用内部“电表单位”精确表示。一旦电流、电压、功率、电能可以用内部“电表单位”精确表示,器件必须将其转换成有实际意义的单位。

我们以电压校准举例,但其过程也适用于电流、功率和电能。假设一个600:1的电阻分压网络作为输入电路,这意味着600V直流电压作用在电阻分压器输入端,其分压输出约为1V,MAXQ3180的电流和电压输入可分为224级,所以对于600V直流输入,输出编码每改变一个最低有效位(LSB),对应输入电压变化600 × 2-24伏,即35.8µV。换言之,如果输入120VRMS正弦波,则原始RMS电压寄存器读数为120/(600 × 2-24),或3,355,443 (0x33 3333)。

由于输入级用于放大和滤波的无源器件参数以及输入ADC自身参数的离散性,ADC读数有可能和期望值不同,所以,需要输入一个修正系数,该修正系数位于x.V_GAIN (x代表某一相:A、B或C)寄存器。本例中,如果原始RMS寄存器读数为3,000,000 (0x2D C6C0),说明需要的增益为3,355,443/3,000,000 = 1.12。

增益调整寄存器值设为0x4000 (16,384)时增益为1,如需额外增益,则需要增大该值。本例中增益寄存器需设为16,384 × (3,355,443/3,000,000) = 18,325 (0x4795)。

由此完成了第一步,使电压读数能够精确反映以“电表单位”表示的电压测量真实结果。第二步,将一个LSB等于35.8µV的系统转换成一个LSB等于1mV的系统。

计算转换系数

目前遇到的问题是MAXQ3180只提供整数乘法操作,而实现这一转换需要除以一个非整数,即1,000/35.8。解决方案是选取一个系数,使目标单位乘以一个2的整数次幂。在本例中,一个LSB将不再是1mV,而是1mV/216,即15.3nV。所以进行测量时,丢掉低16位,剩下的就是以毫伏表示的电压。

而转换系数就是原始LSB值(35.8µV)除以目标LSB值(15.3nV),即2,344 (0x0928),将该值写入VOLT_CC寄存器。

这样,每次读取V.A虚拟寄存器时,MAXQ3180会将A.VRMS寄存器值乘以2,344,然后报告结果。该结果就是以1mV/65,536为单位的RMS电压值。主机软件丢掉低16位,直接就可以得到以毫伏为单位的RMS电压值。

对于多数应用来说,只需先校准(得到正确的VRMS和IRMS),然后计算转换系数(分别对应于电压、电流、功率和电能)。

其它可选初始化过程

按上述步骤初始化,就可得到电压、电流、电能、功率的精确读数。但MAXQ3180还可提供许多其它功能。

中断

MAXQ3180有一套复杂的中断子系统来通知上位机出现异常,可以触发中断的条件包括:
  • 某一相有功或无功电能流向改变。
  • 某一相检测到无过零事件时间超过某一阈值。
  • 某一相检测到欠压、过压或过流故障。
  • 某一相的某一电能寄存器溢出(通常表示需要进行累加操作)。
  • 校验和配置发生改变。
  • MAXQ3180电源即将失效。
关于中断子系统的更多信息,请参考MAXQ3180的参考设计。

脉冲配置

计量脉冲通常用于递增机械计数器或电能累加寄存器。MAXQ3180能够支持这两种计量脉冲,每一种都有一个配置寄存器用于选择脉冲参数,一个阈值寄存器用于设置电表常数,一个脉冲宽度寄存器用于设置脉冲宽度。关于计量脉冲子系统的更多信息,请参考MAXQ3180的参考设计。

提高精度

使用理想电流和电压传感器,MAXQ3180可以在很宽的输入范围内实现极高精度。但实际上电流传感器很少有理想的,在测量范围的两端会有非线性;通常传感器的相位响应还会随电流变化而改变。需要通过配置MAXQ3180寄存器对其进行补偿以提高精度。

MAXQ3180有两个精确校准机制来补偿传感器的非线性。第一个精确校准机制是在低电流时单独设置增益,在高、低电流下分别设置失调。这样就可以实现高、低电流下增益和失调最多四个点的校准。

第二个精确校准机制是微调电压-电流的相位失调。在这一机制下,通过设置两个阈值将电流范围分成三段。低于两个阈值为第一段,两个阈值之间为第二段,高于两个阈值为第三段。A、B、C每一相的每一段相位失调都可以单独设置。

关于使用精确校准寄存器提高MAXQ3180精度的更多信息请参考MAXQ3180参考设计。

总结

MAXQ3180是一个灵活的电表模拟前端(AFE),具有灵活配置,支持多种电能计量应用。仅需配置少数几个寄存器(主要是校准和增益寄存器),系统即可实现高精度的电能计量功能。

图例
            
                    
该颜色代表在通常应用中必须初始化的寄存器。
            
                    
该颜色代表仅在使用MAXQ3180特定功能时需配置的寄存器,在许多应用中可能无需配置。
            
                    
该颜色代表在大多数应用中无需配置的寄存器。

Address Default Name Comment
0x002 0x00 OPMODE1 Set this register only if your connection mode is not standard delta or wye, if you wish to reverse pulse output polarity, or if you wish to enable communication CRC.
0x003 0x00 OPMODE2 This register contains bits for features that are infrequently used.
0x006 0x0000 IRQMASK Load only if interrupts are used.
0x010 0x0000 AUX_CFG Load only if the auxiliary channel is used (typically specialized applications).
0x014 0x0001 VOLT_CC Conversion constant for meter unit to real units conversion.
0x016 0x0001 AMP_CC Conversion constant for meter unit to real units conversion.
0x018 0x0001 PWR_CC Conversion constant for meter unit to real units conversion.
0x01A 0x0001 ENR_CC Conversion constant for meter unit to real units conversion.
0x01C 0x0010 CYCNT Load only if the DSP cycle time must be set to something other than 16 line cycles.
0x01E 0x00 PLSCFG1 Load if meter pulses are in use.
0x01F 0x00 PLSCFG2 Load if meter pulses are in use.
0x020 0x009C PLS1_WD Load if meter pulses are in use.
0x022 0x00100000 THR1 Load if meter pulses are in use.
0x026 0x009C PLS2_WD Load if meter pulses are in use.
0x028 0x00100000 THR2 Load if meter pulses are in use.
0x02C 0x00C8 REJ_NS Line-cycle filter; handle with care!
0x02E 0x4000 AVG_NS Line-cycle filter; handle with care!
0x030 0x4000 AVG_C Signal-path filter; handle with care!
0x032 0x00C8 HPF_C Signal-path filter; handle with care!
0x034 0x0091 B0FUND Fundamental-mode filter; handle with care!
0x036 0x000003B6 A1FUND Fundamental-mode filter; handle with care!
0x03A 0x0091 B0HARM Harmonic-mode filter; handle with care!
0x03C 0x000003B6 A1HARM Harmonic-mode filter; handle with care!
0x040 0x03E80000 Number of ADC frames per DSP cycle; automatically calculated and seldom needs manual intervention.
0x044 0xFFFF OCLVL Load only if overcurrent limits are used.
0x046 0xFFFF OVLVL Load only if overvoltage limits are used.
0x048 0x0000 UVLVL Load only if undervoltage limits are used.
0x04A 0x0003 NOLOAD Modify to match with your design specification.
0x054 0x2328 NZX_TIMO No zero-crossing timeout; generally no need to adjust this.
0x056 0x03E8 COM_TIMO Communications timeout; generally no need to adjust this.
0x058 0x0005 ACC_TIMO Energy accumulation startup delay; generally no need to reload this.
0x05A 0x0B00 ZC_LPF Zero-crossing filter; handle with care!
0x05C 0x0000 I1THR Set only if multirange phase compensation is desired.
0x05E 0x0000 I2THR Set only if multirange phase compensation is desired.
0x12E 0x0000 N_GAIN Neutral gain; adjust only if neutral current monitoring is used.
0x130 0x0000 A.I_GAIN Primary calibration register for phase A current.
0x132 0x0000 A.V_GAIN Primary calibration register for phase A voltage.
0x134 0x0000 A.E_GAIN Primary calibration register for phase A energy and power.
0x136 0x0000 A.EF_GAIN Adjust only if fundamental mode is used.
0x138 0x0000 A.OFFS_HI Secondary calibration for enhanced accuracy: phase A current offset, high range.
0x13A 0x0000 A.GAIN_LO Secondary calibration for enhanced accuracy: phase A current gain, low range.
0x13C 0x0000 A.OFFS_LO Secondary calibration for enhanced accuracy: phase A current offset, low range.
0x13E 0x0000 A.PA0 Secondary calibration for improved phase compensation.
0x140 0x0000 A.PA1 Secondary calibration for improved phase compensation.
0x142 0x0000 A.PA2 Secondary calibration for improved phase compensation.
0x145 0x00 A.MASK Set only if interrupts from this phase are desired.
0x21C 0x0000 B.I_GAIN Primary calibration register for phase B current.
0x21E 0x0000 B.V_GAIN Primary calibration register for phase B voltage.
0x220 0x0000 B.E_GAIN Primary calibration register for phase B energy and power.
0x222 0x0000 B.EF_GAIN Adjust only if fundamental mode is used.
0x224 0x0000 B.OFFS_HI Secondary calibration for enhanced accuracy: phase B current offset, high range.
0x226 0x0000 B.GAIN_LO Secondary calibration for enhanced accuracy: phase B current gain, low range.
0x228 0x0000 B.OFFS_LO Secondary calibration for enhanced accuracy: phase B current offset, low range.
0x22A 0x0000 B.PA0 Secondary calibration for improved phase compensation.
0x22C 0x0000 B.PA1 Secondary calibration for improved phase compensation.
0x22E 0x0000 B.PA2 Secondary calibration for improved phase compensation.
0x231 0x00 B.MASK Set only if interrupts from this phase are desired.
0x308 0x0000 C.I_GAIN Primary calibration register for phase C current.
0x30A 0x0000 C.V_GAIN Primary calibration register for phase C voltage.
0x30C 0x0000 C.E_GAIN Primary calibration register for phase C energy and power.
0x30E 0x0000 C.EF_GAIN Adjust only if fundamental mode is used.
0x310 0x0000 C.OFFS_HI Secondary calibration for enhanced accuracy: phase C current offset, high range.
0x312 0x0000 C.GAIN_LO Secondary calibration for enhanced accuracy: phase C current gain, low range.
0x314 0x0000 C.OFFS_LO Secondary calibration for enhanced accuracy: phase C current offset, low range.
0x316 0x0000 C.PA0 Secondary calibration for improved phase compensation.
0x318 0x0000 C.PA1 Secondary calibration for improved phase compensation.
0x31A 0x0000 C.PA2 Secondary calibration for improved phase compensation.
0x31D 0x00 C.MASK Set only if interrupts from this phase are desired.


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