MCP3909与PIC18F85J90单相电表参考设计解析

一、引言

在电子工程师的日常工作中，电表设计是一个重要的领域。Microchip公司推出的MCP3909/PIC18F85J90单相电表参考设计，为我们提供了一个低成本、功能强大的解决方案。今天，我们就来深入探讨这个参考设计的各个方面。

文件下载：MCP3909RD-1PH1.pdf

二、产品概述

2.1 设计特点

MCP3909/PIC18F85J90单相电表参考设计是一个功能完备的单相电表。它具有低成本、无变压器的特点，采用半波整流电源电路和分流电流传感元件。其中，单个MCP3909作为模拟前端测量电路，PIC18F85J90直接驱动LCD玻璃，显示有功能耗。

2.2 套件内容

该参考设计套件包含MCP3909/PIC18F85J90单相电表参考设计（编号102 - 00130）以及重要信息表。

2.3 上手步骤

以2线1相、220V交流线路电压为例，使用电表校准设备或其他可编程负载源进行测试。电表设计使用5A负载进行校准电流，最大电流（IMAX）为10A。

• 接线：采用4线连接方式，具体连接可参考相关示例图。
• 通电：当线路连接220V电压时，电表开启，LCD显示屏将显示累计总能量。

三、硬件设计

3.1 输入与模拟前端

电表主板底部有高压线路和中性线连接，共四个连接点，分别标记为LINE、NEUTRAL、SHUNT1和SHUNT2。分流器位于两线系统的高或线路侧，电表采用热或“带电”接地。进入分流器的SHUNT1和SHUNT2的电线应绞合在一起，进入LINE和NEUTRAL侧的电线也应绞合在一起，并尽可能远离SHUNT1和SHUNT2电线。

中性线一侧连接到电压通道输入的电阻分压器，两个差分通道都包含抗混叠低通滤波器。电压通道使用两个332 kΩ电阻实现664:1的分压比，对于230 (V{RMS }) 的线路电压，通道1输入信号大小为 (490 mV{PEAK }) 。电流通道使用匝数比为2000:1的电流互感器和56.4 kΩ的负载电阻，对于20A（电表额定最大电流的两倍），通道0信号大小为 (340 mV_{PEAK }) ，仍在MCP3909的A/D转换器输入范围内。

3.2 电源电路

电源电路采用半波整流信号、单个+5V电压调节器和3.3V LDO，为电表提供稳定的电源。

3.3 微控制器连接

MCP3909与PIC18F85J90之间的数字连接确保了数据的准确传输和处理。

四、计算与寄存器描述

4.1 寄存器概述

PIC18F85J90包含用于校准的寄存器和可通过UART读取的寄存器。校准的目的是使输出寄存器以十进制表示最终的能量、功率、电流或电压值。

4.2 有功能量计算

有功能量的计算过程涉及多个校准寄存器和输出寄存器，具体计算可参考相关流程图。

4.3 完整寄存器列表

文档中详细列出了各种寄存器的地址、名称、位数、读写属性和描述，包括配置寄存器、状态寄存器、校准寄存器等。例如，MODE1寄存器控制电表的操作模式，STATUS1寄存器包含电表的运行状态信息。

4.4 配置与输出寄存器

• MODE1寄存器：控制电表的操作，包含多个功能位，如视在功率计算模式位、有功功率计算模式位、PGA位等。
• STATUS1寄存器：包含电表的运行状态，其中PHA_S位表示相A的符号位。
• CAL_CONTROL寄存器：用于控制校准模式，通过设置相关位可以启动和停止能量积累寄存器的更新。
• LINE_CYC寄存器：设置线周期数，以2的幂次方表示。
• LINE_CYC_CNT寄存器：对线周期进行计数。
• PHA_W_RAW寄存器：表示相A的原始有功功率，用于校准过程中计算偏移和增益值。
• PHA_W寄存器：表示相A的有功功率，校准目标是使该寄存器的值等于X 0.1 mW/LSB。
• PERIOD寄存器：表示最近LINE_CYC线周期内的总时钟滴答数。
• ENERGY_W_系列寄存器：表示总有功能量积累，包括ENERGY_W、ENERGY_W_Z、ENERGY_W_L和ENERGY_W_L_RAW。
• ENERGY_VA_系列寄存器：表示总视在能量积累。

4.5 校准寄存器

校准寄存器包含偏移、增益、LSB调整、相位延迟和校准输出脉冲调整设置。这些值可以通过Microchip网站上的“3相电表校准软件”自动生成。例如，PHA_DELAY寄存器用于设置相A的延迟，PHA_W_OFF寄存器用于设置相A的有功功率偏移。

五、电表协议与时序

5.1 协议介绍

PIC18F85J90的RS - 232端口用于访问电表的寄存器映射。除了读写寄存器外，还有专门的命令用于清除校准寄存器、加载校准寄存器和将校准寄存器存储到闪存。

5.2 命令描述

• E（ECHO）：回显所有接收到的数据。
• L（LOAD）：从闪存加载校准寄存器。
• S（STORE）：将校准寄存器存储到闪存。
• W（WRITE）：从指定地址开始写入字节。
• R（READ）：从指定地址开始读取字节。

六、电表校准

6.1 校准概述

校准的目的是去除偏移、设置增益和相位调整，并进行（单位）/LSB调整。校准过程可以通过Microchip的“单相电表校准软件”自动化完成。校准包括有功功率校准、RMS电流和电压校准、视在功率校准，可分为4种不同的校准配置。

6.2 校准配置

• 配置C1：增益校准，使用基本电压 (V{B}) 和基本电流 (I{B}) ，功率因数为1。
• 配置C2：相位校准，使用基本电压 (V{B}) 和基本电流 (I{B}) ，功率因数为0.5。
• 配置C3：偏移校准，使用基本电压 (V{B}) 和 (I{B}) 的1/100，功率因数为1。
• 配置C4：中程校准，使用 (V{B}) 的1/10和 (I{B}) 的1/10，功率因数为1。

6.3 校准方程

不同配置下的校准方程用于计算校准和校正因子，如配置C1中的CFDEN、CFNUM、PHA_W_GAIN、PHA_W_GLSB等寄存器的计算。

七、附录

7.1 原理图和布局

附录A包含了电表的原理图和布局图，包括电路板原理图、顶层和底层的丝印图、铜层图等，为硬件设计和调试提供了详细的参考。

7.2 物料清单

附录B列出了构建电表所需的所有部件，包括电容、电阻、二极管、集成电路等，方便工程师进行采购和组装。

八、总结

MCP3909/PIC18F85J90单相电表参考设计为电子工程师提供了一个全面的解决方案。通过深入了解其硬件设计、寄存器配置和校准方法，我们可以更好地应用这个参考设计，开发出高性能、低成本的单相电表。你在实际应用中是否遇到过类似的电表设计问题？欢迎在评论区分享你的经验和见解。