MAXQ3180入門：寄存器配置

雖然多相、多功能電能計(jì)量AFE芯片MAXQ3180具有很多配置寄存器，但僅需配置幾個(gè)寄存器即可實(shí)現(xiàn)基本的測(cè)量功能。本篇應(yīng)用筆記介紹如何成功配置這幾個(gè)寄存器，列舉了必須配置的寄存器，并給出了哪些寄存器必須使能，哪些寄存器不用修改。

簡(jiǎn)介

MAXQ3180是一款復(fù)雜的三相電能計(jì)量IC，可在很多計(jì)量環(huán)境中應(yīng)用。為了適應(yīng)各種復(fù)雜的計(jì)量環(huán)境，MAXQ3180共有68個(gè)配置寄存器可供修改。正確理解如何使用所有寄存器是一項(xiàng)艱巨任務(wù)，但幸運(yùn)的是在大多數(shù)情況下并不需要配置全部68個(gè)寄存器。實(shí)際上在通常環(huán)境下僅需配置10個(gè)寄存器即可實(shí)現(xiàn)MAXQ3180的基本功能。

本篇應(yīng)用筆記介紹了必須進(jìn)行初始化設(shè)置的MAXQ3180寄存器，以及在使用特定功能時(shí)需要初始化的寄存器，有些寄存器在大多數(shù)應(yīng)用中都可以不設(shè)置。

基本初始化過程

MAXQ3180上電后即開始測(cè)量電壓、電流、功率，計(jì)量電能。所以，只有正確配置MAXQ3180，使其與傳感器相匹配才能得出正確、有意義的讀數(shù)。

MAXQ3180執(zhí)行兩步測(cè)量：第一步，讀取物理參數(shù)(如：電壓、電流、功率等)，在內(nèi)部用一種“電表單位”表示；第二步，將用“電表單位”表示的參數(shù)轉(zhuǎn)換成現(xiàn)實(shí)世界中的計(jì)量單位，如伏特，安培和瓦。

讀取物理參數(shù)(計(jì)量單位)

MAXQ3180第一步先執(zhí)行所要求的測(cè)量，并在內(nèi)部用適合測(cè)量電路的“電表單位”精確表示，隨后的校準(zhǔn)過程將確保伏特、安培、瓦、千瓦時(shí)等計(jì)量單位可以用內(nèi)部“電表單位”精確表示。一旦電流、電壓、功率、電能可以用內(nèi)部“電表單位”精確表示，器件必須將其轉(zhuǎn)換成有實(shí)際意義的單位。

我們以電壓校準(zhǔn)舉例，但其過程也適用于電流、功率和電能。假設(shè)一個(gè)600:1的電阻分壓網(wǎng)絡(luò)作為輸入電路，這意味著600V直流電壓作用在電阻分壓器輸入端，其分壓輸出約為1V，MAXQ3180的電流和電壓輸入可分為2²⁴級(jí)，所以對(duì)于600V直流輸入，輸出編碼每改變一個(gè)最低有效位(LSB)，對(duì)應(yīng)輸入電壓變化600 × 2^-24伏，即35.8μV。換言之，如果輸入120VRMS正弦波，則原始RMS電壓寄存器讀數(shù)為120/(600 × 2^-24)，或3,355,443 (0x33 3333)。

由于輸入級(jí)用于放大和濾波的無源器件參數(shù)以及輸入ADC自身參數(shù)的離散性，ADC讀數(shù)有可能和期望值不同，所以，需要輸入一個(gè)修正系數(shù)，該修正系數(shù)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寄存器讀數(shù)為3,000,000 (0x2D C6C0)，說明需要的增益為3,355,443/3,000,000 = 1.12。

增益調(diào)整寄存器值設(shè)為0x4000 (16,384)時(shí)增益為1，如需額外增益，則需要增大該值。本例中增益寄存器需設(shè)為16,384 × (3,355,443/3,000,000) = 18,325 (0x4795)。

由此完成了第一步，使電壓讀數(shù)能夠精確反映以“電表單位”表示的電壓測(cè)量真實(shí)結(jié)果。第二步，將一個(gè)LSB等于35.8μV的系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成一個(gè)LSB等于1mV的系統(tǒng)。

計(jì)算轉(zhuǎn)換系數(shù)

目前遇到的問題是MAXQ3180只提供整數(shù)乘法操作，而實(shí)現(xiàn)這一轉(zhuǎn)換需要除以一個(gè)非整數(shù)，即1,000/35.8。解決方案是選取一個(gè)系數(shù)，使目標(biāo)單位乘以一個(gè)2的整數(shù)次冪。在本例中，一個(gè)LSB將不再是1mV，而是1mV/2¹⁶，即15.3nV。所以進(jìn)行測(cè)量時(shí)，丟掉低16位，剩下的就是以毫伏表示的電壓。

而轉(zhuǎn)換系數(shù)就是原始LSB值(35.8μV)除以目標(biāo)LSB值(15.3nV)，即2,344 (0x0928)，將該值寫入VOLT_CC寄存器。

這樣，每次讀取V.A虛擬寄存器時(shí)，MAXQ3180會(huì)將A.VRMS寄存器值乘以2,344，然后報(bào)告結(jié)果。該結(jié)果就是以1mV/65,536為單位的RMS電壓值。主機(jī)軟件丟掉低16位，直接就可以得到以毫伏為單位的RMS電壓值。

對(duì)于多數(shù)應(yīng)用來說，只需先校準(zhǔn)(得到正確的V_RMS和I_RMS)，然后計(jì)算轉(zhuǎn)換系數(shù)(分別對(duì)應(yīng)于電壓、電流、功率和電能)。

其它可選初始化過程

按上述步驟初始化，就可得到電壓、電流、電能、功率的精確讀數(shù)。但MAXQ3180還可提供許多其它功能。

中斷

MAXQ3180有一套復(fù)雜的中斷子系統(tǒng)來通知上位機(jī)出現(xiàn)異常，可以觸發(fā)中斷的條件包括：

• 某一相有功或無功電能流向改變。
• 某一相檢測(cè)到無過零事件時(shí)間超過某一閾值。
• 某一相檢測(cè)到欠壓、過壓或過流故障。
• 某一相的某一電能寄存器溢出(通常表示需要進(jìn)行累加操作)。
• 校驗(yàn)和配置發(fā)生改變。
• MAXQ3180電源即將失效。

關(guān)于中斷子系統(tǒng)的更多信息，請(qǐng)參考MAXQ3180的參考設(shè)計(jì)。

脈沖配置

計(jì)量脈沖通常用于遞增機(jī)械計(jì)數(shù)器或電能累加寄存器。MAXQ3180能夠支持這兩種計(jì)量脈沖，每一種都有一個(gè)配置寄存器用于選擇脈沖參數(shù)，一個(gè)閾值寄存器用于設(shè)置電表常數(shù)，一個(gè)脈沖寬度寄存器用于設(shè)置脈沖寬度。關(guān)于計(jì)量脈沖子系統(tǒng)的更多信息，請(qǐng)參考MAXQ3180的參考設(shè)計(jì)。

提高精度

使用理想電流和電壓傳感器，MAXQ3180可以在很寬的輸入范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)極高精度。但實(shí)際上電流傳感器很少有理想的，在測(cè)量范圍的兩端會(huì)有非線性；通常傳感器的相位響應(yīng)還會(huì)隨電流變化而改變。需要通過配置MAXQ3180寄存器對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償以提高精度。

MAXQ3180有兩個(gè)精確校準(zhǔn)機(jī)制來補(bǔ)償傳感器的非線性。第一個(gè)精確校準(zhǔn)機(jī)制是在低電流時(shí)單獨(dú)設(shè)置增益，在高、低電流下分別設(shè)置失調(diào)。這樣就可以實(shí)現(xiàn)高、低電流下增益和失調(diào)最多四個(gè)點(diǎn)的校準(zhǔn)。

第二個(gè)精確校準(zhǔn)機(jī)制是微調(diào)電壓-電流的相位失調(diào)。在這一機(jī)制下，通過設(shè)置兩個(gè)閾值將電流范圍分成三段。低于兩個(gè)閾值為第一段，兩個(gè)閾值之間為第二段，高于兩個(gè)閾值為第三段。A、B、C每一相的每一段相位失調(diào)都可以單獨(dú)設(shè)置。

關(guān)于使用精確校準(zhǔn)寄存器提高M(jìn)AXQ3180精度的更多信息請(qǐng)參考MAXQ3180參考設(shè)計(jì)。

總結(jié)

MAXQ3180是一個(gè)靈活的電表模擬前端(AFE)，具有靈活配置，支持多種電能計(jì)量應(yīng)用。僅需配置少數(shù)幾個(gè)寄存器(主要是校準(zhǔn)和增益寄存器)，系統(tǒng)即可實(shí)現(xiàn)高精度的電能計(jì)量功能。