MAXQ3120电能表基准

MAXQ3120电表参考设计可帮助您基于MAXQ3120 RISC微控制器生成符合标准的电表。电表符合IEC 1定义的所有61036类要求，并符合中国标准GB/T 15284和DL/T 614的多功能和多速率要求。此外，该仪表根据用户可编程的资费表记录使用情况，并使用符合中国标准DL/T 645的协议报告此数据。

仪表由MAXQ3120微控制器和一些其它元件组成。提供源代码、原理图、物料清单和示例 PCB 布局，并可轻松定制，为满足特定区域要求的电表提供基础。应用笔记随附的文件可在此处找到。该参考设计包提供了设计人员构建电表应用所需的信息;一般MAXQ3120应用应使用MAXQ3120-KIT套件。

电气规格

标称电压：220V ±10% 基极电流：10A 最大电流：40A

频率：50Hz，±10%

通信：异步红外，EIA485
仪表脉冲输出：干式隔离输出，可变仪表常数，可变脉冲宽度

硬件

除了一些外部元件外，该参考设计的硬件还包括MAXQ3120中包含的子系统。由于MAXQ3120的高集成度，设计经济性是可能的：

8MHz、16 位 RISC CPU 内核

16k，16位字的程序存储，实现为闪存

512字节的数据RAM。

两个16位A/D转换器，转换间隔为48μs

带 16 位累加器的 16 x 40 硬件乘法器

三个计时器

两个带有独立波特率发生器的UART通道，一个具有特殊模式，以简化红外通信

具有数字微调和闹钟功能的定时时钟

能够在 X112 多路复用配置中驱动 4 段的 LCD 控制器

利用MAXQ3120的内部外设，只需要一小部分外部元件：

提供两个隔离式 3.3V 输出的电源。隔离至关重要，因为在正常工作中，逻辑接地连接到线路的热侧。

液晶显示器。在此设计中，我们选择了带有自定义信号器的 6 位 LCD。

非易失性存储器组件，通常为 I2C EEPROM 或 FRAM。在参考设计中，我们选择了128k（16kB）EEPROM。

通信外设。在此设计中，我们有两个通道：一个光隔离RS-485缓冲器和一个IR通道。红外通道由一个由外部 PNP 晶体管驱动的红外 LED 和一个调谐至 38kHz 载波频率的集成红外接收器组成。

用于光学和电表脉冲输出的 LED 和光隔离器。

参考设计还包括一个外部时间时钟芯片DS3231。虽然MAXQ3120包含一个集成的实时时钟，但时钟不对温度进行补偿（尽管微控制器包含一个可用于此目的的数字微调寄存器）。DS3231包含一个时间时钟、一个微调晶体和一个自动补偿时钟的温度传感器。代码完全支持此设备。

该参考设计还提供一个外部基准电压源。虽然MAXQ3120的内部电压基准在整个温度范围内为大多数应用提供了足够的精度，但在需要高精度的情况下可以使用外部基准。

软件

该参考设计围绕一个简单的任务轮构建：任务一个接一个地调用，通常一直运行到完成，或者直到它们需要来自另一个任务的数据。任务通过称为留言板的简单位数组和一组全局变量相互通信。例如，当串行端口驱动程序收到字符时，它会将该字符加载到全局变量中，并在消息板中设置字符就绪位。然后，消息检查器从全局变量中检索字符，并清除消息板中的位。

该软件旨在灵活且可定制。每个任务处理功能子集，以便可以轻松删除或增强功能。例如，消息检查器解释 DL/T 645 协议的数据包结构，并将有效负载发送到消息解码器。要使用不同的数据包结构，只需重新编码消息检查器的元素（在编码端，消息生成器）;无需重写整个应用程序。

安装

所有电气连接均从仪表底部进行，并由塑料接线端子上浮雕的数字表示：

　　警告：在连接测量仪之前，请断开所有电源的电源。否则可能会导致仪表损坏或操作员受伤。

　　终端 1：服务热 — 将此终端连接到传入服务的热端。

　　端子 2：热负载 — 将此端子连接到负载的热侧。

　　终端 3：服务中立 — 将此终端连接到传入服务的中性侧。

　　端子 4：负载中性 — 将此端子连接到负载的中性侧。

　　终端 5：仪表脉冲正 — 连接到仪表脉冲接收器的正侧。有关详细信息，请参阅表1中的仪表脉冲和校准部分。

　　6 号航站楼：RS-485 正极 — 连接到 RS-485 网络的正极 （A） 端（如果使用）。

　　终端 7：仪表脉冲负 — 连接到仪表脉冲接收器的负侧。

　　8 号终端：RS-485 负极 — 连接到 RS-485 网络的负极 （B） 端（如果使用）。

初始设置

在安装完成之前，必须执行三个步骤。首先，必须分配计量地址。其次，任何自定义值都必须加载到测量仪的操作寄存器中。最后，必须校准仪表。（校准通常在工厂而不是现场执行，因此最后一步可能已经完成。

地址分配

使用 DL/T 645 协议下的“设置测量仪地址”命令为测量仪分配地址。新安装的测量仪的地址为 00 00 00 00 00 00。测量仪将仅响应“设置测量仪地址”命令，并且仅响应第一个此类命令。

您可以使用 IR 或 EIA-485 接口执行地址分配操作。但是，如果EIA-485网络中已经安装了多个仪表，则所有这些仪表将响应设置仪表地址网络命令，因此将具有相同的地址。因此，建议在安装前设置仪表地址，或使用 IR 接口在多仪表安装中设置仪表地址。

如果需要更改地址，请执行以下步骤：

卸下仪表盖子底部的两个螺钉，然后向上和向下倾斜盖子，以卸下测量仪的盖子。

找到一排 LED 附近的方形白色按钮。使用非导电仪器，按下按钮。测量仪将显示 NET-10，并开始倒计时十秒。

在测量仪显示 NET-xx 时发送 DL/T 645 地址设置消息。如果正确接收消息，测量仪将显示 -SEt-。

典型仪表值

设置地址后，必须配置仪表操作参数。几个常用值和寄存器如下表1所示。

表 1.配置电表的典型值

 

设置	注册	单位	典型值	条目值
仪表常数，实数	C030	脉冲/千瓦时	1,600	00 16 00
仪表恒定，无功	C031	脉冲/千瓦	1,600	00 16 00
仪表脉冲宽度	C211	女士	50	50 00
客户编号	C033		001234567890	90 78 56 34 12 00
仪表编号	C032		009988776655	55 66 77 88 99 00
电压通道增益	E125	统一 = 0x8000	32,768	00 80
电流通道增益	E124	统一 = 0x8000	32,768	00 80
相位偏移	E127	见下文	0	00 00

 

要设置这些值，您可以使用任何能够与符合 DL/T 645 标准的仪表运行的软件包。要使用 PC 演示软件，请参阅下面的讨论。

校准

在校准仪表之前，请确保在仪表常数寄存器和仪表脉冲宽度寄存器中设置了合理的值。您还应该验证电压和电流通道增益是否设置为单位 （0x8000），以及相位偏移是否设置为零。校准可以使用参考设计仪表内置的自动化机制执行，具体步骤如下：

在仪表的线路输入端放置一个已知的校准电压。

在仪表的负载输出端放置一个已知的、经过校准的电阻负载，以在我b和我.MAX.

写寄存器EFFF。在数据字段中，提供四个字节：V低- w高我低我高

       例如，如果在 10V 时提供 220A，则数据字段将为：  
    
    20 02 00 10

显示屏应指示 --CAL-，几秒钟后，测量仪应重置。复位后，应校准仪表，校准值可以从E124，E125和E127读取。

电脑软件

Dallas Semiconductor/Maxim提供与参考设计仪表（或任何符合DL/T 645标准的仪表）通信的软件。本节介绍其用法。

系统要求
通信软件需要具有以下特征的行业标准 PC：

Windows 98SE、Windows ME、Windows 2000 或 Windows® XP 操作系统

一个 COM 端口

通信技术
该软件将与红外接口或RS-485接口配合使用。请注意，IR 接口不符合 IrDA 标准;它是DL / T 645标准规定的自定义物理层。任何标准的RS-232到RS-485转换器都应用作标准PC和电表之间的链接。请注意，某些转换器使用 RTS 作为传输信号（即数据流从 RS-232 侧到 RS-485 侧），而其他转换器使用 TxD 上的第一个转换作为开始传输的信号，并使用一个字符周期的空闲条件作为关闭发射器的信号。该软件应与任一类型的 RS-232 到 RS-485 转换器配合使用。

主窗口

图1.电表参考设计软件在顶部显示了最常用的命令。

软件的主窗口（图 1）分为两个常规区域：具有最常用控件的上半部分;和下半部分，更多地用于初始校准和故障排除。

窗口顶部的组合框包含常用寄存器的下拉列表。您可以选择其中一个寄存器，然后单击“读取数据”按钮。软件将向测量仪发送读寄存器消息，并期望得到响应。结果将显示在“读取数据”按钮正下方的文本框中。

图2.“直接寄存器读/写”菜单选项允许您读取顶级下拉菜单中未列出的寄存器。

如果要读取下拉框中未列出的寄存器，可以在“直接寄存器读/写”部分的“地址”框中填写寄存器编号，然后单击“读取”（图2）。

结果框下方是用于控制和监视通信端口的三个项目。最左侧的窗口指示所选通信端口的状态或“运行状况”。如果此指示灯不为绿色，您将无法与仪表通信。通信状态指示器的右侧是一个用于选择端口的下拉框。右边是一个下拉框，用于选择波特率。

通信面板正下方是一组执行专用功能的按钮。它们描述如下：

设置时间：从PC发送DL/T 645设置时间消息，其中包含当前时间。

设置日期：从 PC 发送包含当前日期的 DL/T 645 设置日期消息。

清除最大值：发送 DL/T 645 清除最大需求消息。这会导致测量仪将所有最大需求寄存器重置为零，并增加最大需求清除寄存器的次数。

设置地址：使用“数据”文本框中给出的地址向计量器发送“设置地址”消息。数据的格式必须为六组，每组两位数。

通常，如果应用了一些手动操作来强制测量仪接收该消息，则测量仪只会响应 DL/T 645 设置地址消息。这样，许多仪表可以通过RS-485连接连接到PC，而不会相互干扰。如上所述，在参考设计仪表中，所需的手动操作是取下顶盖并激活网按钮。完成此操作后，显示屏将指示 nEt-10 并开始倒计时。收到“设置地址”消息时，显示屏将指示 -SEt- 然后返回正常操作。

需要激活网络按钮有一个例外：首次安装仪表时。在后一种情况下，测量仪在地址集模式下运行，直到收到地址。

图3.“ID 和密码”对话框允许您设置测量仪的网络地址和最多十个密码。

设置 Pwd：向测量仪发送设置密码消息。DL/T 645 最多支持十个密码，编号为 0 到 9。如果使用密码，则必须通过写入寄存器 C212 提供密码，然后才能执行任何操作。寄存器 C212 是一个只写寄存器，在上次受保护的操作后一分钟过期。

要设置密码，请将 PP VV VV VV 加载到数据文本框中。这里的PP是要分配的密码编号，VV VV VV是要分配给密码的值。“设置密码”命令将与当前活动的超级用户密码一起作为凭据发送。

ID：打开“ID和密码”对话框（图3）：

此对话框用于设置测量仪的网络地址并设置要用作凭据的密码。第一个文本框包含计量 ID 或计量的网络地址。输入您要与之通信的仪表的地址;以 999999999999 位数字的单个字符串形式输入地址。如果要使用广播地址 （<>），请选中使用广播复选框。

“计量 ID”框下方的三个文本框包含三个特权级别的密码。密码 0，即超级用户密码，是唯一授权更改其他密码（包括其自身）的密码。密码 1 和 2 是普通密码，可以显示它们来更改仪表中的任何值。最后，密码 3 到 9 是只读密码。提供后一个密码的用户只能读取仪表，不能更改任何寄存器，也不能清除最大需求。

例如，假设您是一名抄表员，并且知道密码 4 是“123456”。您可以在“只读密码”框旁边的下拉列表中选择 4，然后在文本框中键入“12 34 56”。单击“只读密码”文本框旁边的单选按钮，然后单击“完成”按钮。然后，软件将在下次尝试读取寄存器时提供密码 4 作为其凭据。

自动校准

图4.自动校准对话框使将校准值加载到仪表中的简单三步过程成为可能。

自动校准是将校准值输入仪表的最简单方法。单击 Cal M1：自动自动校准按钮时，将出现图 4 中所示的对话框。执行校准现在是一个快速的三步过程：

以 0.5L 的功率因数向仪表施加已知电压和已知电流。在“测试仪 Vn”和“测试仪 Ib”框中输入 V 和 I 值。（V_scale（V）和I_scale（A）仅供参考;它们显示仪表可以测量的最大电压和电流。

单击运行自动校准按钮。仪表将在自我校准时显示 -CAL-，并最终重置并开始正常运行。

作为检查，单击读取校准寄存器以检查电压增益 （E125）、电流增益 （E124） 和相位偏移 （E127） 寄存器。

完成后，单击“关闭”按钮返回主屏幕。

手动校准

图5.您可以使用 Cal M2：手动菜单手动校准仪表。

如果您希望手动校准仪表，Cal M2：手动校准按钮会显示手动校准对话框（图 5）。执行手动校准涉及以下步骤：

以 1.0 的功率因数向仪表施加已知电压和已知电流。在测试仪 Vn（五）和测试仪 Ib（一）盒。（V_scale（V）和I_scale（A）仅供参考;它们显示仪表可以测量的最大电压和电流。

单击重置寄存器按钮。这会将增益寄存器设置为单位（0x8000），将相位偏移寄存器设置为零。

单击“读取 RMS”按钮。这将读取内部电表单位中的RMS电压和电流，并将其与预期值（来自上述步骤1中给出的值）进行比较。结果将显示在屏幕底部的窗口中。

单击调整增益按钮。软件将读取RMS值并计算将电压和电流归一化为步骤1中给出的值所需的增益设置。

设置测试设备产生功率因数0.5C。单击计算错误 （ErrC） 按钮。错误将出现在框中。这表示预期值（正好是视在功率值的一半）与从仪表读取的值之间的差异。

设置测试设备产生功率因数0.5L。单击计算错误 （ErrL） 按钮。错误将出现在框中。

现在单击“执行PHC”按钮。软件将根据误差值计算相位偏移值，并将其写入仪表。

要验证写入的值，请单击“转储校准寄存器”按钮。这些值将显示在窗口中。

重新加载固件

参考设计仪表包含一个内置调试器，允许重新加载操作固件。固件更新以英特尔 .HEX文件，可以使用MAX-IDE软件包加载到仪表上。本节介绍固件重新加载过程。

警告：在开始固件重新加载过程之前，必须断开测量仪的所有电源。电表的元件以线路电位运行。未能断开电源可能会损坏仪表或其所连接的 PC，或伤害操作员。

在开始此过程之前，您应该安装一台安装了MAX-IDE的PC，并配置并连接了串行到JTAG适配器。您将使用此PC传输新的.十六进制文件到电表。

断开测量仪的所有电源。

从透明盖的下部卸下两个螺钉并向上倾斜，以卸下仪表的盖子。保留这些螺钉。

通过卸下四个螺钉（每个角一个螺钉）从仪表上卸下 PCB。保留这些螺钉。

将 BR1 的引脚 2（正极 DC 引脚）的电线连接到 J10。如果需要，可以将此电线留在原位。这样，将来可以执行固件重新加载，而无需从仪表上取下PCB。

将 PCB 更换到仪表盒中，并使用上述步骤 3 中卸下的四个螺钉固定。

将串行到JTAG适配器连接到JH1。请注意，连接器的引脚 1 朝向电路板顶部。

启动最大IDE（图6）。

图6.固件通过使用MAX-IDE软件加载到仪表上。

在Device菜单下，选择MAXQ JTAG。

在 Dev冰菜单下，选择加载。

图7.加载固件时，选择 .十六进制文件格式。

选择要加载的十六进制文件，然后单击打开。

文件将被传输到测量仪。

完成后，断开测量仪与JTAG板的连接，并更换步骤2中卸下的两个螺钉。固件更新现已完成。

审核编辑：郭婷