高精度三相电能表设计

目  录 第一章  绪论    1 1.1研究背景和现状    1 1.2本文研究的对象    2 1.3本文的主要工作    3 第二章  总体设计    5 2.1嵌入式系统设计的具体    5 2.1.1嵌入式系统协同设计技术    5 2.1.2系统设计原则及扩展性    6 2.2总体结构及性能    7 2.2.1主要功能    8 2.2.2主要技术指标    9 第三章  三相电子式多功能电能表的硬件设计    11 3.1供电单元    11 3.2采集单元    13 3.2.1 ATT7022B的芯片特性    14 3.2.2 ATT7022B的功能简介    14 3.2.3 ATT7022B的内部结构    15 3.2.4采集单元电路图    15 3.3 CPU单元    16 3.3.1 MSP430F449特点    17 3.3.2 MSP430F449资源分配    18 3.3.3 CPU单元电路设计    20 3.4存储单元    21 3.5时钟单元    22 3.5.1时钟芯片    22 3.5.2时钟供电电路    23 3.5.3时钟单元的电路图    23 3.6通讯单元    24 3.6.1红外通讯    24 3.6.2 RS485通讯    26 3.6.3 RS232通讯    27 3.6.4无线通讯    28 3.7显示单元    29 3.7.1示段划分    29 3.7.2参数要求    29 3.8其它单元    30 3.8.1负荷报警单元    30 3.8.2抄表单元    30 第四章  三相电子式多功能电能表的软件设计    33 4.1 EW430嵌入式开发系统    33 4.2软件整体结构    34 4.2.1系统初始化    36 4.2.2主任务的实现    37 4.3数据采集    38 第五章  总结和展望    40 参考文献    41 致谢    42 附录    43 第一章  绪论 1.1研究背景和现状 近几年，国内电力供应严重不足已经成为制约国民经济发展的瓶颈之一，如何合理、有效地利用电力资源已经成为电力市场供需双方共同关注的焦点，而准确高效地进行电能计量，更好的利用能源为广大人民服务，就需要精度更高、功能更强的计量工具，因而集多参数测量、电能计量、分析、控制等功能的多功能电能表正在应市场的需求而快速发展。 三相电子式多功能电能表主要用在大、中、小型工厂和车间、商厦宾馆、机关、学校的配电室及乡、镇、村和城市住宅小区，几乎包括所有企、用户和其他集体用户。目前，我国三相电能表现有挂表量约3000万台，且呈逐年增长态势。按每年安装新型表、新增表和更换到期旧表约为三相表挂表总数的10～15％来计算，三相电子式电能表的年均需求量约为300～450万台。2003年，国家发展改革委出台了《关于运用价格杠杆调节电力供求促进合理用电有关问题的通知》，在保持电价总水平基本稳定的前提下，大力推行峰谷分时计电价，鼓励用户合理移峰用电。同时，要求完善两部制电价制度，扩大多功能表应用范围。此政策的出台，为多费率和多功能电能表带来了广阔的市场空间。当年，三相多费率和多功能表产量达60万台，2004年又同比增加30％。可以说，对多功能表的需求是超常规性快速增长。 随着中国电力系统的电量计量自动化的推广以及大用户抄表的普及，当每套电量计量自动化系统的实施或升级发生时，就会造就少者几千台多者数万台的高压三相电子式多功能电能表的需求。当每套大用户抄表系统的实施，就会造就上万台GPRS或CDMA通讯方式的低压三相电子式多功能电能表的需求。 我国在电能计量方面起步较晚，这主要受我国的电力发展进程影响。但进入上世纪八十年，我国的电力发展进入高速期，特别是在上世纪末我国的装机容量已达到世界前列。在我国的电力高速发展的过程中，电能计量技术也经过了以下三个阶段发展。 第一阶段：20世纪50～70年代，基于电磁原理的交流感应式电能表。由于其机械结构和电磁结构的不稳定性和复杂性，一般来说精度较低，稳定性较差，特别是其机械结构的轴承在长时间运行的条件下，对精度影响极大，误差很容易发生变化。另外启动电流大，过载能力小，功耗大也是其难以克服的缺点。 第二阶段：20世纪80年代，随着电子技术的发展，同时电力设备的智能化不断推进。就出现了交流感应式计量原理和电子技术相结合的机电一体的电能表。此种表是在普通感应式电能表的基础上经不断的改进和实践，运用新技术、新材料，特别是选用材料上有较大的改进。轴承选用石磨衬套的磁推轴承，改进了轴承磨损对精度的影响。同时增加了电子部分，实现了和智能设备通讯和复费率功能。 第三阶段：20世纪90年代，全电子式多功能电能表。主要解决了机械式电能表摩擦力的问题，提高了灵敏度，很微小的负荷均能准确计量出来。同时电子式多功能电能表在防窃电问题和同智能设备通讯等方面有了本质的提高。全电子式多功能电能表在电能信号的采集方面也经过了两个阶段的发展。即采用霍尔效应乘法器、平方差法乘法器、热电变换型乘法器、三角波平均乘法器、时分割乘法器等模拟乘法器计算电能的方法，该种计量方法的精度受元器件的参数影响较大，所计量的电能参量有限。随着A／D转换器技术的法展，其采样精度和速度的不断提高，电能计量的理论算法不断出现。通过对交流模拟量进行高速采样，将其转换为数字量及进行数字运算。通过单片的强大的计算和控制功能，很容易实现模拟乘法器计量方法难以实现的功能。这种采集方法可以将原有的多块表的功能由一块表实现，同时电能的计量精度和过载能力也得到了较大的提高脚。目前，预付费表受到政策的限制，而电力载波集中抄表由于技术不成熟，都很难大规模推广。在电力部门推行分时计费、实施削峰填谷、实现电力资源优化分配的政策引导下，经过电表厂家多年技术推广应用，逐步形成如下两大设计方案的三相电子式多功能电能表： 方案一：采用三相电能计量芯片+MCU的方法实现。三相电能计量芯片包含高精度∑一A／D宽范围、高精度，片上接口可直接与微分电流互感器连接，通过MCu把测量的到的各种电参数从芯片中读取出来，然后在了LED或液晶界面上显示出来。 方案--：采用专用∑一△A／D+DSP+MCU的方法实现。DSP控制∑一A／D实现数据采集，电参数的采集计算，MCU实现数据的交换、显示、存储等功能。 1.2本文研究的对象 随着计算机技术和通讯技术的不断发展，电量计量自动化技术得到了长足的发展。面向省级和地级的电量计量自动化系统得到了推广。电量计量自动化系要求采用分层、分布、开放型结构，需充分考虑了系统功能的全面性、实用性，实现对电能量数据进行自动采集、远传和存储、预处理、统计分析，以支持电力市场的运营、电费结算、辅助服务费用结算和经济补偿计算等功能。在与其它系统(如DMs／scADA／EMs／MIs等)的集成基础上，构建电力企业电能数据应用平台，充分挖掘使_Hj电能基础数据，实现全网、分级、分压、分线、分区等不同类别、全方位的线损电量的统计和分析，从而达到提高线损管理工作效率和管理科学化的目的，同时为电网商业化运营提供决策依据。电景讣最白动化系统构成时要求采用全面的跨、F台解决方案，设计时充分考虑了对硬件平台和软件平台的多样性兼容。系统计算机网络采用全分布式体系结构，与MIS等系统的通信通过WEB服务器节点实现多个LAN之间的互连，并配置物理隔离设备以保证系统内网的安全性；独立的数据采集网保证主网的安全性和采集的高效率；业务、维护、应用工作站分配到系统的各个网络节点上，各个功能模块跨平台设计充分保证了系统 的可扩充性。系统对变电站的三相电子式多功能电能表数据的采集是通过变电站用的集中器实现。电量计量自动化系统网络拓扑图如图1-l所示。 1-1  电量计量系统化网咯拓扑图 本文研究的重点就是根据市场的需求设计开发一款新的三相电于式多功能电能表，使其不但可实现常规电量参数的测量，四象限电能的计量，复费率电能的计量．最大需量的计量，多种选择的通讯方式．掉电、断相、失压、无负荷、断流、电压电流不对称／不平衡、过压、欠压、逆向序等SOE事件纪录功能：而且要有撒瞽、仪表白检等功能。同时可满足用户对踌窃电、电网谐波含量测量等新的要求。使该产品可以应用到某些特殊用户或特殊群体．如涉及冲击负荷的冶炼企业、电气化铁路以及采用大功率整流设备的产业。 1.3本文的主要工作 本文提出了一种新的三相电子式多功能电能表的整体技术方案设计。本人具体负责该表的总体结构部分、硬件电路和功能指标等部分设计。 (1)采用了嵌入式系统软硬件协同的设计方法，设计了基于专业电能计量芯片ATT7022B和单片机MSP430F449系统的基本功能和结构组成。合理的分配了MSP430F449资源，以完成设计中的功能。 (2)硬件电路方面，在线路设计上充分考虑电路的电磁兼容性。设计了一种更为可靠的电能表供电电源，提高了抗雷击能力。并提出了采用串行EEPROM存储数据，以便达到简洁、安全的目的。在电子式电能表特别关键的通讯单元，设计了红外通讯、RS485通讯、RS232通讯、无线通讯等多种通讯方式。另外还设计了负荷报警电路和各个功能模块的双电源供电电路。 (3)软件方面，采用了EW430嵌入式开发系统，本系统的软件设计遵循了结构化、模块化、自顶向下、逐步细化的编程思想，使电表的稳定性和可靠性有了很大的提高和改进。 第二章  总体设计方案 2.1嵌入式系统设计的具体方法 通常在单片机系统的开发应用中，是按照瀑布式开发流程进行的。其工作模式简单，任务的划分协调及人员安排、物质材料的分配管理都比较容易。开发过程为从硬件到软件的流水线式进行。 传统的嵌入式系统设计方法，不同于瀑布式开发过程，它是将开发任务分为硬件和软件两个独立的部分，即硬件工程师和软件工程师按照拟定的设计流程分别完成。其开发过程为一种并行的工作方式，又称之为V模式开发过程。 传统的嵌入式系统开发采用的是软件开发与硬件开发分离的方式。虽然也可以改进硬件软件性能，但由于这种改进是各自独立进行的，不一定使系统的综合性能达到最佳。虽然在系统设计的初始阶段考虑了软硬件接口问题，但由于软硬件分别开发，各自部分的修改和缺陷很容易导致系统集成出现错误。由于设计方法的限制，这些错误不但难于定位，而且更重要的是，对于他们的修改往往会涉及整个软件结构或硬件配置的改动。显然，这是灾难性的。 传统的设计方法只能改善硬件、软件各自的性能，而有限的设计空间不可能对系统做出较好的性能综合优化。20世纪90年代，国外有些学者提出“这种传统的设计方法，只是早期计算机技术落后的产物，它不能求出适合于某个专用系统的最佳计算机应用系统的解”。因为，从理论上来说：每一个应用系统，都存在一个适合于该系统的硬件、软件功能的最佳组合，如何从应有系统需求出发，依据一定的指导原则和分配算法对硬件、软件功能进行分析及合理的划分，从而使系统的整体性能、运行时间，能量损耗、存储能量达到最佳状态，已成为硬件、软件协同设计的一个重要的研究内容之一。 2.1.1嵌入式系统协同设计技术 为了避免上述问题，一种新的开发方式应运而生一硬件、软件协同设计方法。一个典型的硬件、软件的系统设计过程如图2-1所示。首先，应用独立于任何硬件和软件的功能性规格方法对系统进行描述，采用的方法包括有限自动机(FSM)、统一化的规格语言(CSP、VHDL)或其它基于图形的表示工具，其作用是对硬件／软件的统一表示，便于功能的划分和综合；然后，在此基础上对硬件、软件的功能模块进行分配。但这种功能分配不是随意的，而是从系统功能要求和限制条件出发，依据算法进行的嘲。完成硬件、软件功能划分之后，需要对划分的结果做出评估。方法之一是性能评估，；另一种方法是对硬件、软件综合之后的系统依据指令级评价参数做出评估。如果评估结构不满足要求，说明划分方案选择不合理，需要重新划分硬件、软件模块；一直重复直到知道系统获得一个满意的硬件、软件实现为止。 系统功能描述 图2-1  嵌入式系统软硬件协同设计方案 这种设计方法的特点在协同设计、协同测试和协同验证上，充分考虑了软件硬件的关系，并在设计的每个层次上给以测试验证，使得尽早发现和解决问题，避免灾难性错误出现，。系统协同设计与传统设计相比有两个显著的区别： (1)描述硬件和软件使用统一的表示形势。 (2)硬件和软件的划分可以选择多种方案，直到满足要求。 显然，这种设计方法对于具体应用系统而言，容易获得满足综合性能指标的最佳解决方案。 2.1.2系统设计原则及扩展性 具体在硬件功能模块的设计中，为了使设计更合理，确保测量精度，以获得最佳的设计效果，应注意以下几个设计原则： （1）用最新或功能更完善的芯片。功能强的芯片能够达到更高的精度和可靠性，以简化设计电路，使系统的精度和可靠性得到了保证。通过选用高性能的接口控制芯片，提高了系统的可靠性，并使设计留有余地，为以后的升级提供了方便。 (2)电路设计上应留有余地，以考虑将来扩展和修改的需要。因为软件的升级比硬件要方便得多，而且往往只要修改或添加软件中数据处理的模式或算法，就可以大幅度地提高系统的性能。因此，应该在硬件设计时尽可能地留有余地，以便将来的修改和扩充。 (3)以软件代硬件。原则上，在实时性允许的条件下，能够用软件完成的功能，就不用硬件，这样部既节省了成本，而且也提高了系统的可靠性。 (4)选用HCOMS工艺的芯片。考虑到三相电子式多功能电能表应用的工业现场环境非常苛刻，所以尽量采用HCOMS工艺的芯片，有利于降低自身发热，同时降低整机功耗，增加产品无故障使用时间。 2.2总体结构及性能 图2-2  三相电子式多功能电能表的前面板 三相电子式多功能电能表采用传统的壁挂式结构。信号线从表的下方进入，按键和显示在表壳的正面，如图2-2所示。整表设计采用三块电路板，分别为电源板、CPU板以及LCD液晶显示板。电源板主要实现整表的所需电源的提供和强电和弱点信号的变换，LCD板主要实现表的各种数据和参数的显示以及红外通讯功能，CPU板主要实现数据采集、计算、存储以及数据通讯。 三相电子式多功能电能表设计方式主要有专用芯片、交流采样两种：利用专用芯片设计的电能表，推出的时间快，成本低，功耗低，产品可靠，但功能受到一定的限制。而利用A／D进行交流采样实现电能采集的电能表，功能多，灵活，但推出的时间长，但对CPU的运算要求速度高，功耗大。本方案的电能表采用专用芯片，并且0.5S级和1.OS级所有硬件是相同的。 各相电压经过电阻分压，各相电流经过CT送入专用电能芯片，经内部A／D转换和运算处理后，计算出相应的电能、电压、电流等数据，由MCU读取数据，经过计算整理和分时处理，得到各费率的正反向有功、无功等数据，送到显示、通讯、报警、脉冲输出等控制单元。 该表主要由电源及管理单元、采集单元、控制单元、显示单元、通讯单元、存储单元、时钟单元、其它单元等几部分构成。其原理框图如图2—3所示。 图2-3  三相多功能电子表的原理框 2.2.1主要功能 (1)计量功能：可计量并记录当前和前二个月的正向有功、反向有功、正向无功、反向无功及四象限无功的电能和最大需量。可计量视在电能，可计量A、B、C三相的电压、电流、有功功率、无功功率、相角和功率因数，总的有功功率、无功功率和功率因数以及电网频率等。 (2)分时功能：内部实时时钟，具有百年时钟，闰年自动转换，可实现分时记录各个电能及最大需量。具有12种费率、10个日时段、12个日时段表、12个时区及12个公共假日。还具有网络对时功能。 (3)监控功能：可记录最近一次编程时间、最近一次最大需量清零时间，编程次数，最大需量清零次数，电池工作时间等数据。有逆相序及电池电压低提示。可记录A、B、C各相及总的断相次数，断相累计时间，最近一次断相的起始和结束时刻。可记录最近8次的停电及上电时刻。可记录总失压次数，失压时间累计值，最近8次失压故障的失压相别，起始及恢复时刻，未失压相的有功，无功总电能。可记录总失流次数，失流时间累计值，最近8次失流故障的失流及相别，起始及恢复时刻，未失流相的有功，无功总电能。可记录负荷代表日的00：00—24:00小时的正反向有功无功电能。可记录当前和前二个月的电压合格率情况。可冻结并记录自动抄表日的电能数据。 (4)通讯功能：具有1路光隔离485接口，1路光隔离485／232复用接口或1路红外通讯接口。通过通讯口可完成设置编程和抄表。 (5)显示功能：可通过LCD显示各种参数和数据。可实现轮显。轮显的参数、时间可设置。 (6)设置功能：具有设置禁止功能和电能数据清零、需量清零功能。 (7)输出功能：具有普通发光二极管输出指示，可用于电表校准和工作指示。具有有功及无功测试脉冲输出。RS485输出用于连接采集器、集中器或其他智能终端。RS232用于连接MODEM和主站直接通讯。具有正向有功、无功，反向有功、无功远动脉冲输出。具有超负荷报警输出和故障跳闸输出。 (8)停电抄表功能：停电情况下由内部停电抄表电池供电，通过键显按钮或 红外通讯口进行抄表，分非接触式遥控唤醒和手动唤醒。 (9)自检功能：上电自检，检查主要芯片和EEPROM中电能数据的有效性、校表参数的有效性，出错信息由液晶代码指示。 (10)负荷曲线记录功能：“负荷曲线记录模式’’，“负荷曲线记录起始时间"可设，根据选定的模式记录数据内容。 (11)通讯：以《DL／T645多功能电能通讯协议》为基础，并根据需要进行相应的扩充。 2.2.2主要技术指标 参照三相电子式多功能电能表的计量相关和运行环境，提出三相电子式多功能电能表的主要技术指标，见表2-1。 表2-1  三相电子式多功能电能表的主要技术指标 项目 技术指标 参比电压 3×l00V，3×220／380，3× 57．7／100V 电压测量范围 0．8-1．2Un 电流测量范围 3×1．5(6)A 精度等级 有功0．5S级，无功2．0级 工作温度 —20℃~+55℃ 极限工作温度 —30℃~+60℃ 相对湿度 小于85% 参比频率 50HZ 启动电流 在额定电压，参比频率及COS a=1.0的条件下负载电流为0.001In电能表能启动并连续计量电能 功耗 ≤2W,4VA 设计寿命 15年 时钟误差 ≤0.5s/d(23℃) 电池寿命 大于10年 电池连续工作时间 大于10年                                                           第三章  三相电子式多功能电能表的硬件设计 3.1供电单元 根据电能表安装的位置不同，对电能表的电压输入范围也有不同的要求。可分为57.7V、l00V、220V三种。而对57.7V、220V这两种输入范围的电源要求电源的输入范围至少为标称值的80％—190％。三相电子式多功能电能表的供电电源一般可分为线性电源和开关电源。线性电源输入范围窄，效率低，体积大，但成本低，设计简单。开关电源输入范 围宽，效率高，体积小，但成本高，设计难度大。本系统采用开关电源。供电单元主要有电压取样电路、电流保护电路、三级防雷保护电路、三相整流电路、专利电路、开关电路、3.3V输出、5V输出、隔离5V输出组成，如图3-1所示。 图3-1  供电单元组成图 设计上考虑CPU板的通用性以及减少库存半成品的种类，电源板输出到CPU板的采样电压统一设计为18V。三相电子式多功能电能表要承受4000V浪涌的电磁兼容试验，6000V冲击绝缘耐压试验。因每个电阻可承受500V电压，因此电压取样电路采用八个RJ24金属氧化膜电阻，通过分压的方法将电压降到18V，采用两个30V稳压关在18V处进行过电压保护，如图3—2所示。不同电压等级的多功能电能表选用不同阻值的电阻，三相三线电表，不焊B相的电阻，将Ub接到Un上即可。电流取样电路主要是电流保护，采用IN5819对地保护。 三相电子式多功能电能表应用的低压环境比较恶劣，特别是在雷区和大用户端，雷击经常把压敏电阻击穿，造成电源毁坏。三相电子式多功能电能表通过采用线绕大功率电阻、保险丝、Y电容、压敏电阻、电感等器件组成三级防雷电路。采用八个1200V高压二极管组成整流电路，取代整流桥，将交流转换成直流，提高了三相电子式多功能电能表的电源防浪涌的能力和可靠性。 图3-2  电压取样电路 开关电源芯片采用TOP232P，TOP232P是TOPSwitch--FX系列一种，该芯片采用改进的TOPSwitch技术制造而成。它把高压功率MOSFET管、P删控制、保护及其它控制功能集成到了一个CMOS芯片中。TOP232另加了两个引脚，第一个是多功能(M)引脚，它能执行可编程线性ov／uv关闭及利用线性电压提供线性反馈并减少DCmax(最大占空比)，该脚还可以用来在外部准确地设置限流值，在任何一种情况下都可以用作远程ON／OFF控制或者使振荡器与外部较低频率的信号同步；第二个是频率(F)引脚，它只出现在Y类封装中，可用于在接到引脚控制(C)时提供半频率选择。将该脚接到源极(S)引脚时不发挥效能，这一特点可使系统工作于三端TOPSwitch态，同时具有多种优良性能：如软启动、周期跳跃、130kHz的转换频率、频率跳变、更宽的DCmax和滞后热关断等。另外，它与TOPSwitch--II系列比起来，所有的关键参数如频率、电流范围、PWM增益等等都具有更好的温度性能及抗干扰能力。更高的限流精度和更大的OCmax使得TOPSwitch--FX设备的输出功率与ToPSwitch一Ⅱ比起来，在相同情况下可提高lO％～15％[8][9]。TOP232的主要特点如下： (1)可减少外围器件的耗费； (2)全集成的软启动功能可最大限度地减少功率器件的电压电流应力； (3)可以由用户设置精确的限流值； (4)可获得最大的占空比； (5)具有线性限压检测：无关断尖峰干扰； (6)超出波动范围时可实现线性过压关断； (7)用单电阻设置OV／UV门限； (8)频率跳变时可减少EMI及EMI滤波损耗； (9)可调至零负载； (10)130kHz的频率减少了变换器／供电电源的尺寸； (11)具有自动恢复的滞后热关断功能； (12)具有大幅度的温度滞后，可防止印制电路板过热； (13)有主控开和主控关的远程ON／OFF功能： (14)可与较低频率同步。 开关电路提供四路输出，两路3.3V输出，一路5V输出，一路隔离5V。3.3V又分主付，主电源需并法拉电容和大容量电解电容，为设备断电后，CPU转存电量提供电源，采用法拉电容和大容量电解电容是冗余设计。5V输出同3.3V共地，为模拟电路供电。隔离5V为RS485、报警输出等电路供电。详细电路如图3-3所示。 图3-3  开关电源原理图 3.2采集单元 采集单元采用专用计量芯片实现电能计量。三相电子式多功的主流计量电路分别为ADE7758，ATT7022B，ADE7753，CS546ADE7758，ATT7022B是三相电能采集专用芯片；ADE7753，CS546相电能采集芯片，采用两片可以实现三相三线电能采集，三片可电能采集。该五种电能采集芯片都是SPI接口，可以很方便地换。ADE7758，ADE7753，ATT7022B都是单5V电源供电，数字接口CPU是3.3V电源供电。计量电路输出信号有可能超过3.3V，故需加电平转换电路，一种方法采用电阻分压，此方法简单：另一种方法是加专用电平转换芯片；因其是TTL电平接口，其输入可以不考虑电平兼容问题，CS5片本身的数字电路可3.3V供电。本设计采用ATT7022B。 3.2.1 ATT7022B的芯片特性 (1)高精度，在输入动态工作范围(1000：1)内，非线性测量误 (2)有功测量满足0.2S、0.5S，支持IEC 62053-22GB／T 17883—1998 (3)无功测量满足2级、3级，支持IEC 62053-23GB／T 17882—1999 (4)提供基波、谐波电能以及总电能测量功能； (5)提供视在电能测量功能； (6)提供正向和反向有功／无功电能数据； (7)提供有功、无功、视在功率参数； (8)提供功率因数、相角线、频率参数； (9)提供电压和电流有效值参数，有效值精度优于0.5％； (10)提供电压相序检测功能； (11)提供电流相序检测功能； (12)提供三相电流矢量和之有效值输出； (13)提供三相电压矢量和之有效值输出； (14)提供电压夹角测量功能； (15)提供失压判断功能； (16)具有反向功率指示； (17)提供有功、无功、视在校表脉冲输出； (18)提供基波有功、基波无功校表脉冲输出； (19)合相能量绝对值相加与代数相加可选； (20)内置温度测量传感器； (2t)电表常数可调； (22)起动电流可调； (23)可准确测量到含21次谐波的有功、无功和视在功率； (24)支持增益和相位补偿小电流非线性补偿； (25)具有SPI接口，方便与外部MCU通讯； (26)适用于三相三线和三相四线模式； (27)采用QFP44封装。 3.2.2 ATT7022B的功能简介 ATT7022B是一种高精度、三相电能专用计量芯片，它适用于三相三线和三相四线应用。 ATT7022B集成了六路二阶sigma-delta ADC参考电压、电路以及所有功率、能量、有效值、功率因数以及频率测量的数字信号处理等电路。 ATT7022B能够测量各相以及合相的有功功率、无功功率、视在功率、有功能量以及无功能量同时还能测量各相电流、电压有效值、功率因数、相角、频率等参数，充分满足三相多功能电能表的需求。 ATT7022B支持全数字域的增益、相位校正，即纯软件校表。有功、无功电能脉冲输出。CFI、CF2提供瞬时有功、无功功率信息，可以直接接到标准表进行误差校正。 ATT7022B可以对基波有功、无功功率进行测量，提供脉冲输出CF3和CF4提供瞬时基波有功功率以及基波无功功率信息可直接用于基波的校正。 ATT7022B提供两类视在能量输出POdS视在能量以及PQS视在能量CF3和CF4也可被配置为视在能量脉冲输出。 ATT7022B内部的电压监测电路可以保证加电和断电时正常工作。 3.2.3 ATT7022B的内部结构 ATT7022B主要由时钟控制电路、七路∑一△A／D、DSP数字信号处理器、温度传感器、参考电压、脉冲生成器、SPI通讯接口、电源管理等几部分组成。ATT7022B的内部结构见图3-4。 图3-4  ATT7022B内部框图 3.2.4采集单元电路图 ATT7022B片内集成了7路16位的ADC采用双端差分信号输入。输入最大的正弦信号有效值是lV，建议将电压通道输入的额定电压时对应到ADC的输入选在0．5V左右，而电流通道输入的额定电流时对应到ADC的输入选在0．IV左右，参考电压Refcap与Refout典型值是2．4V。AT7022B有功功率是通过对去直流分量后的电流电压信号进行乘法加法数字滤波等一系列数字信号处理后得到的电压电流采样数据中包含高达21次的谐波信息。参照AT7022B的技术资料和用户的实际要求，采用六路通道分别对三相电压和电流进行采样。考虑信号的带宽，作采集部分的原理设计，见图3-5采集单元原理图。 图3-5  采集单元原理图 3.3 CPU单元 CPU单元是整个电能表设计的核心，调试和加快开发进度以及日后程序升级，具有在线编程能力；MCU首先具备良好的性价比，同时方便MCU应满足如下要求： (1)为提高电磁兼容性和节约成本，ROM和RAM必须集成在MCU中； (2)为了方便应用程序的开发和调试，MCU应支持C语言编程； (3)为了满足整机功耗小于2W和停电抄表的要求，MCU至少应具有工作和 休眠两个工作状态； (4)MCU的价格应比较低，并且ROM应有60k： (5)MCU最好具有液晶驱动能力； (6)MCU应至少提供一个异步串行口和一个SPI接口。‘ 在上述要求的制约下，通过比较和研究，本方案选用TI公司MSP430系列单片机的MSP430F449。 3.3.1 MSP430F449特点 美国TI公司的MSP430系列单片机可以分为以下几个系列：XlXX，X3XX，X4XX等等，而且在不断发展，从存储器角度，又可分为ROM(C)型，OTP(P)型，EPROM(E)型，Flash Memory(F)型。系列的全部成员均为软件兼容，可以方便地在系列各型号间移植。MSP430系列单片机的MCU设计成适合各种应用的16位结构。它采用冯一纽曼结构，因此RAM，ROM和全部外围模块都位于同一个地址空间内。同其它微控制器相比，MSP430F449具有如下特点： (1)低功耗，1.8V到3.6v工作： (2)6s的启动时间可以使启动更加迅速； (3)ESD保护抗干扰力强； (4)低电压供电多达64kB，寻址空间包含ROM、RAM、闪存RAM和外围模块； (5)通过堆栈处理，中断和子程序调用层次无限制； (6)仅3种子令格式，全部为正交结构； (7)尽可能做到1字／指令； (8)源操作数有7种寻址模式，目的操作数有4种寻址模式； (9)外部中断引脚：I／O口具有中断能力； (10)中断优先级：对同时发生的中断按优先级别处理； (11)嵌套中断结构：可以在中断服务过程中再次响应其它中断； (12)外围模块地址为存储器分配：全部寄存器不占用RAM空间，均在模块内； (13)定时器中断可用于事件计数、时序发生、PWM等： (14)看门狗功能／通用目的定时器； (15)12位A／D转换器； (16)正交指令简化了程序的开发：所有指令可以用任意寻址模式； (17)已开发了C一编译器。 (18)模块设计思想：所有模块采用存储器分配； (19)MSP430全部为工业级16位RISC MCU-40 85摄氏度； (20)外设FLL+时钟系统(片内DCO+晶体振荡器)； (21)比较器A(精确的模拟比较器，常用于斜边(Slope)A／D转换)； (22)复位电压控制／电源电压管理； (23)基本定时器1(两个8位定时器或一个16位定时器)； (24)LED控制器／比较器(多达160段)； (25)Timer_A3(带3个捕获／比较寄存器和PWM输出的16位定时器)； (26)Timer_B37(带7个捕获／比较寄存器和PWM输出的16位)； (27)I／O端口l,2(每一个有8个I／O，均具有中断功能)； (28)I／O端口3，4，5，6(每一个有8个I／O)； (29)USARTO(UART或SPI)； (30)USARTl(UART或SPI)； (31)硬件乘法器； (32)封装100一pin QFP。 3.3.2 MSP430F449资源分配 MSP430F449共有100引脚。其详细功能设计及资源分配见表3-1。 (5)通过堆栈处理，中断和子程序调用层次无限制； (6)仅3种子令格式，全部为正交结构； (7)尽可能做到1字／指令； (8)源操作数有7种寻址模式，目的操作数有4种寻址模式； (9)外部中断引脚：I／O口具有中断能力； (10)中断优先级：对同时发生的中断按优先级别处理； (11)嵌套中断结构：可以在中断服务过程中再次响应其它中断； (12)外围模块地址为存储器分配：全部寄存器不占用RAM空间，均在模块内； (13)定时器中断可用于事件计数、时序发生、PWM等： (14)看门狗功能／通用目的定时器； (15)12位A／D转换器； (16)正交指令简化了程序的开发：所有指令可以用任意寻址模式； (17)已开发了C一编译器； (18)模块设计思想：所有模块采用存储器分配； (19)～1SP430全部为工业级16位RISC MCU-40 850 C； (20)外设FLL+时钟系统(片内DCO+晶体振荡器)； (21)比较器A(精确的模拟比较器，常用于斜边(Slope)A／D转换)； (22)复位电压控制／电源电压管理； (23)基本定时器1(两个8位定时器或一个16位定时器)； (24)LED控制器／比较器(多达160段)； (25)Timer_A3(带3个捕获／比较寄存器和PWM输出的16位定时器)； (26)Timer_B37(带7个捕获／比较寄存器和PWM输出的16位)； (27)I／O端口l，2(每一个有8个I／O，均具有中断功能)； (28)I／O端口3，4，5，6(每一个有8个I／O)； (29)USARTO(UART或SPI)； (30)USARTl(UART或SPI)； (31)硬件乘法器； (32)封装100一pin QFP。 MSP430F449共有100引脚。其详细功能设计及资源分配见表3-1。 管脚资源 功能设计 说明 DVCCl(1) DVCC2(60) AVCC(100) 3.3V电源 正常工作，由开关电源供电。 停电状态，由电池供电。 DVSSl(99) DVSS2(61) AvSS(98) GND S0-S39(12-51) COMO—COM3 (52-55) R0-R3(56-59) 40×4=160段液晶驱动 R0-R3管脚间串接三个100k 电阻，R0接地。采用100k 电阻降低功耗。 P6.2-P6.6(2-5) CSI．CS4片选 一片采集电路ATT7022B 两片存储电路AT25640 一片时钟电路RTC4553AC P1.1 (86) P1.0 (87) P3.5 (66) 485T 485R 485DIR2 第二RS485的发送、接收、 方向控制。利用比较器A的 捕获功能，软件模拟串口。 P4.1 (62) P4.0 (63) P3.4 (65) 485R2 485T2 485DIR2 第一RS485的发送、接收、 方向控制。 P2.5 (74) P2.4 (75) 232T红外发 232R红外收 用于1200波特率红外通讯， 正常工作，用I／O模拟串口。 停电状态，工作USART0方 式，可中断唤醒MCU，实 现停电红外抄表。 P2.7 (72) P2.3 (76) P2.2 (77) P2.1 (78) P2.0 (79) PKEY编程按键 KEY2上翻按键 KEYl选择按键 SKEY2上壳开盖检测 SKEY 1端尾盖开盖检测 编程、上翻、选择三按键是 常开接点，开盖检测为常闭 接点。编程按键主要用于关 键参数的设置，电表精度的 校准。上翻按键、选择按键 配合使用，通过液晶查看电 表的数据和事项。开盖检测 主要是防窃电设计。 P1.5 (82) P1.4 (83) P1.3 (84) P1.2 (85) EP+正向有功电能输出 EQ+正向无功电能输出 EP．反向有功电能输出 EQ一反向无功电能输出 EP+、EP一、EQ+、EQ．分别同四光耦器内部二极管的K同四光耦器内部二极管的K管脚相连。EP+、EP．所连的光耦器公用一个发光二极管，EQ+、EQ．同理。 P3.0 (71) REST控制复位输出 防止采集电路专用芯片死 机。 XIN  (8) XOUT(9) 接32．768kHz晶体 此晶体需选用高可靠、低飘 移产品 P3.1 (70) P3.2 (69) P3.3 (68) SIMO SPI总线输出口 SOMI SPI总线输入口 UCLK SPI总线时钟口 SPI总线接口，其负责同采 集单元、存储单元、时钟单 元进行数据交换。 P1.6 (81) P6.2 (90) CVALARM报警输出 YK2遥控输出 通过输出方波控制继电器 输出。 P6.0 (95) P6.1 (96) P1.7 (80) CVLED红外电源控制 CVROM EEPROi电源 控制 CBLED液晶背光控制 分别对红外通讯接口、存储 芯片EEPROM、液晶背光的供电电源进行控制，主要目的 降低停电状态下表的功耗， 尽大可能保证停电抄表电 池的使用时间。 P2.6 (73) DE需量输出 用于校表台对需量精度的 检定。 P3.6 (65) P3.7 (64) 25WP2数据写保护 WREN时钟写保护 防止数据意外丢失，提高产 品可靠性。 VREF+(7) P6.7  (6) VeREF+(10) VeREF一(11) 接104电容 监测模拟5V电压 监测时钟电池电压 监测停电抄表电池电压 VREF+为ADC内部基准 源。通过检测P6．7的电压， 实现停电数据转存控制。通 过检测VeREF的电压，测 算电池的寿命。为了检测电 算电池的寿命。为了检测电 量的消耗，采用两个10兆 欧姆电阻分压后并联104电 容方式实现测量。 TDO (90) TDI (91) TMS (92) TCK (93) RST (94) 测试数据输出 测试数据输入 测试模式选择 测试时钟 系统复位管脚 JTAG在线仿真调试接口。 XT2IN (89) XT20UT (88) 经lOk欧姆电阻接地 空 高频晶体输入接口，本产品 设计不用。 3.3.3 CPU单元电路设计 根据三相电子式多功能电能表的设计要求以及MSP430F449的硬件资源，充分考虑产品的兼容性和软件设计的方便性，CPU单元作如图3—6所示电路设计。 图3-6  CPU单元原理图 3.4存储单元 MSP430F449本身有数据存储器，采用外加存储器主要考虑电能数据的安全性。电能数据对用户来讲就是经济效益，其对数据的可靠性具有较高的要求。在受到能量巨大的雷袭击的时候，MSP430F449受到损坏的可能性要高于外围的存储器件，另外MCU受到干扰或程序漏洞极有可能对本身的数据存储器改写。因此需要外围存储器保存电能数据。采用两片存储器主要处于冗余设计考虑，增加数据的安全性。 数据存储常采用两种方法：EEPROM和带有后备电池的RAM，采用RAM存储优点是速度比较快，但需后备电池，一旦电池没电，就会造成数据的丢失。本设计采用串行EEPROM存储数据，使用EEPROM存储数据具有这样的优点：体积小，只有8个引脚；不需要后备电池；存储时间长；达100年之久；具有上电，掉电写保护，上电，掉电时不会造成数据混乱；由于采用SPI总线操作，要想修改数据，必须有片选信号和合适的时钟信号，这样不容易产生由于干扰而停电所造成的数据混乱。 (1)存储器的容量 按照最大设置：年时区数12，日时段数10，时段表数12，费率数14，年公共假日数7来计算的话，约需内存：67+42+69+3*12+3*10*12+3*7+6*32*(1+14)+3*24*(1+14)=4555 byte。 另外还要考虑电表通用参数、事件记录、校表参数等所需要的存储数据。因此要求选用的EEPROM至少要有8k字节的空间，如考虑日负荷曲线记录功能，则EEPROM至少要有32k字节的空间，而且为了减少体积和接口，同时考虑兼容不同存储容量的芯片要求以及MSP430所具的串行接口资源。采用具有SPI串行总线8脚的EEPROM芯片。 (2)选用的芯片 选用AT25640。该芯片容量为8k字节，采用SPI总线操作，具有上电、掉电写保护，正常操作写保护块，具有页写入功能，典型页写入时间为5ms，每个单元可写100万次，数据保存时间100年，最大时钟周期：5MHZ，并具有ESD保护功能，芯片为8-lead SOIC封装。 说明：对于存储大量数据(如负荷曲线等)可能上述所用的芯片不能达到容量要求，此时可以选用大容量存储器芯片(引脚兼容)。EEPROM电路设计如图3—7所示，EEPROM的S0，SI，SCK分别同MCU的SPI总线的SIN，SOUT，SLCK相连；HOLD直接接正电源；WP(写保护)与MCU的I／O管脚相连，对EEPROM的数据进一步加强保护；CE同片选译码器输出管脚相连。 图3-7  存储单元原理图 3.5时钟单元 时钟单元主要由时钟芯片和时钟供电电路两部分组成。 3.5.1时钟芯片 三相电子式多功能电表对时钟的要求为： (1)在参比温度下，晶振时间开关的日计时准确度优于0.5秒／d；断电时，电池作为时钟电源，36h后，计时准确度优于I.5s／d； (2)晶振时间开关计时准确度随温度变化允许改变量小于0．1s(d℃)； (3)晶振时间开关在85％-1lO％Un(参比电压)范围内应满足(1)中的计时准确度要求； (4)累计计时误差不超过3分钟； 根据以上要求，考虑生产中的调试方便，决定选用EPSON公司的RTC4553AC时钟芯片。该芯片14引脚封装，可方便地设置及输出秒、分、时、日、月、星期、年等，可根据月份和闰年的情况自动调整月份的结束日期，时间可设置在24小时制式或12小时制式，并具有以下特点： (1)晶振：内置32.768K Hz晶振； (2)RAM：内置30*4 BIT RAM； (3)频率偏差：0±5ppm(25℃)； (4)接口方式：接口采用SPI总线方式； (5)工作电压：2．7—5．5V； (6)功耗：典型值1uA。 3.5.2时钟供电电路 时钟供电电路主要考虑正常上电和掉电状态下，时钟电源的供电方式。正常上电状态由3．3V供电，MCU可对时钟芯片进行读写操作；掉电状态下，由3．6V备用电池给时钟芯片供电，此时只需要维持时钟芯片正常计时。根据这些设计需求，同时兼顾设计成本，采用两个三极管和两个二极管以及电阻设计成简单的供电电路。 备用电池的选用高能量干电池。该电池的优点是能量大(3．6V1200mA／h)，长寿命，通常电表的设计寿命要求达到十年，因此电池的长寿命是必须的。缺点是价格高(在14元以上)。 3.5.3时钟单元的电路图 根据RTC4553AC设计要求，时钟供电要求和其他产品的时钟电路的设计经验作如图3-8所示的时钟单元电路设计。 图3-8  时钟单元原理图 3.6通讯单元 电子式多功能电能表的通讯方式主要有红外通讯、RS485通讯、RS232通讯、无线通讯几种通讯方式。红外通讯又分两种，一种采用38kHz调制方式通讯，通讯距离可达4米以上，俗称远红外。另一种采用非调制通讯方式，通讯距离极短，需将红外光口吸附表壳上，俗称近红外。RS485通讯方式是比较常见的通讯方式。主要是同智能设备通讯。RS232通讯方式是目前应用比较少的通讯方式，主要是为了和外挂MODEM进行远程电话通讯。无线通讯是近几年随着新技术不断应用而发展出来的新兴通讯方式，其有分为GPRS／CDS通讯、CDMA通讯、蓝牙通讯等几种通讯方式。 3.6.1红外通讯 为了提供现场人工抄表、设置表的参数的方便性，通常采用红外发光管作为抄表和设表接口，此接口由一个红外发光管和一个红外接收管组成。工作时，抄表器的光头通过磁铁紧紧吸附在电能表的红外接口处，通过光电转换完成通讯。此种通讯方式避免了电气连接，无需带电插拔，方便可靠。 红外通讯采用红外发光管HIR405CV和红外接收管HPD605B，二者的峰值灵敏波长为940rim，外形直径5mm，环氧树脂全包封。HIR405CV驱动电流低，辐射强度高，无色透明，最大正向电流：60mA，最大反向电压：5V。HPD605B灵敏度高，暗电流小，响应速度快，蓝色环氧封装，最大正向电流：50mA，反向击穿电压30V，开关时间5us。红外发射部分与接收部分电路图如图3-9所示。 图3-9  近红外通讯原理图 为了满足在装置停电状态下，非接触遥控唤醒抄表的功能，需具有远红外通讯的能力。远红外通讯的接收电路采用TSOPl838，远红外接受管比较容易受到日光灯管和太阳光的干扰，因此在接受管的电源和信号输出部分都需要加RC滤波器。其设计电路图如图3-10所示。 图3-10  远红外接收电路图 远红外通讯的发送电路主要由38KHz震荡发生器，调制电路，发送电路三部分构成。38Khz震荡发生器采用两个非门、三个电阻、一个电容构成。为了减少一片集成电路，调制电路采用两个二极管实现与门。详细参数及设计见图3-11所示。 图3-11  远红外发送电路图 在本方案中，硬件设计时，远红外通讯和近红外通讯都给予考虑，在生产时，根据用户的不同要求，可选择焊接远红外通讯电路或近红外通讯电路。 3.6.2 RS485通讯 RS485通讯芯片可供选择的厂家比较多，ADI公司的ADM483EAR、TI公司的SN65LBCl84、MAXIM公司的MAX483或MAX485都可。这些RS485通讯芯基本上都可达到总线可抗±15kV的静电放电冲击，具有2KV的脉冲群保护，lOV／m的高频磁场辐射保护。为保护表内其它设备免受通讯线上的浪涌的影响，设计通讯部分与仪表主电路用TLP421光耦隔离。RS485线路出口采用TVS过压抑制器SA6CA保护和TR250-120热敏电阻进行保护。此种设计RS485的A、B两总线加220V电压也不会对该部分电路造成功能损坏。详细电路设计如图3-12所示。 图3-12  RS485通讯电路图 3.6.3 RS232通讯 考虑到在特殊情况下(比如：较少量电能表，没必要安装采集器情况下)，电表可能不用RS485接口而直接由RS232接口通过MODEM与上位机通讯。RS485和RS232通讯方式只能由用户选择其一，物理上他们公用一个串行通讯控制器，由跳线器选择或者二者电路出厂时只存其一。为了提高可靠性降低成本，这里232电平转换电路由分立元件完成(电阻、电容、二极管、三极管)，克服了专用电平转换电路成本高、抗静电能力差的缺点。在连接时要将MODEM的CTS和RTS、DSR和DTR短接。RS232电路的电源与RS485电路共用，信号由光耦器TLP421与其它电路隔离。详细电路设计如图3-13所示。 图3-13  RS232通讯电路图 3.6.4无线通讯 无线通讯主要指中国移动的GPRS、中国联通的CDMA以及蓝牙和射频短距离无线通讯。中国移动6PRS网络的开通为地理位置分散的电能计量点的远抄及监测提供了经济可靠的通信手段。6PRS具有“永远在线、按流量收费”等优点，非常符合远方抄表及监测系统的通信需求，得到了广大电力用户的普遍欢迎。GPRS无线通信网络，主要组成分三部分：用户数据终端单元(GPRS通信终端)、数据传输通道(GPRS网络)、GPRS数据中心。 目前，用于工业系统的GPRS数据传输模块有很多，主要有西门子公司推出的MC35和MC35T、索尼爱立信的两款基于GSM900／1800以及850／1900的双频模块GR47和GM48，另外还有Wavecom公司的WISMO，这是一款覆盖GSM／GPRS所有四频(850／900／1800／1900姗z)的整合无线模块。市场上关于GPRS的应用主要使用的是西门子公司的MC35模块，该模块结合语音、数据传输、简讯服务以及FAX等功能，最大传输速率可达85．6kbps，并集成天线、RF、Baseband、快闪内存等组件，并以40个pin脚外接，支持RS一232等，特别使用于数据的监测和传输。根据系统要求及性价比，在本系统中6PRS模块选用MC35作为GPRS通讯模块，来达到通过GPRS承载业务传送数据的目的。 该方案采用RS485同无线模块进行通讯。根据用户不同的需求更换不同的无线通讯模块，无线通讯模块采用RS485电源供电，有独立的MCU控制无线通讯芯片进行无线通讯。 3.7显示单元 液晶显示器作为人机界面，需尽可能地为用户提供友好的界面。早期由于受液晶驱动器的限制(只能驱动128段)很多显示符号在液晶上无法表示出来，现在MSP430具有160段的驱动能力，可以对早期的液晶进行改进，现设计秉承了以前的风格。具体显示如图3-14所示。 图3-14  液晶显示段的排列 3.7.1示段划分 (1)正、反、总、有功、无功、失、电、需、压、流、量、时间、日期各一段，共13段。 (2)表号、上、月、次、常、数、尖、峰、平、谷、费率、功率各一段，两个“l’’各占一段，以上合计14段。 (3)P+，Q+各占3段，四相限占4段，Ua、Ub、Uc、Ia、Ib、Ic共6段，时钟电池占2段(外壳1段，内部1段)，停电抄表电池占3段(外壳l段，内部2段)，编程按键、逆向序各1段，2个占2段，以上合计22段。 (3)数码“8力每个占7段，共14X 7=98段，中间数码区的小数点占6段(1个搿：一，4个“．”，另外的两个点连在一起，如图所示)，合计104段。 (4)kWAvarh分为k、V、＼、／、一＼、VAR． h，共7段。总计：13+14+22+104+7=160段，分40个引脚输入，COM端4个，共44个引脚。 3.7.2参数要求 (1)视角：6点钟； (2)显示模式：正显示／半透式／TN(HTN)类型，正显示／反射式／TN(HTN)类型； (3)驱动电压：3～3．3V，占空比：1／4，偏压比：1／3； (4)工作温度：一30℃～70℃； (5)储存温度：—35℃～75℃； (6)连接方式：无铅管脚，长度为15ram(包含玻璃板厚度)； (7)面板尺寸：95mmX 50mm(上层玻璃尺寸)，95mmX55mm下层玻璃尺寸)。 3.8其它单元 3.8.1负荷报警单元 负荷控制有报警输出和遥控输出两部分组成。电能表将一段时间的平均功率与设定值比较，当大于时，给出报警输出；当大于设定值的持续时间大于设定时间，将输出跳闸信号。反之，将不输出跳闸信号。遥控输出电路如图3-15所示。 图3-15  遥控输出电路 负荷控制电路采用5V驱动。为防止出口继电器误动，借鉴了远动的遥控输出的负压控制电路。采用C5给继电器提供驱动能量，降低表的功耗，保证5V电源供电稳定电路。 3.8.2抄表单元 因MSP430F449的功耗比较低，在具有RTC功能状态下才3uA。考虑在低功耗状态下，要实现监测红外接口和按键，当红外接口和按键动作时激活CPU进入正常工作状态。停电抄表功能硬件上主要考虑MSP430F449，存储单元，显示单元，时钟单元，通讯单元的供电。存储单元和显示单元可以由一套供电电路完成供电。时钟单元可以用时钟后备电池供电。MSP430F449需要一套供电电路。通讯单元需要一套供电电路。 MSP430F449供电电路如图3-16所示。CPU正常由3．6V电源供电，当电源断电，MCU电源切换为停电抄表电池供电。MCU进入低功耗状态，同时监测红外接口和按键。 图3-16  MSP430F449供电电路 存储单元和显示单元的供电电路如图3-17所示。存储单元和显示单元正常由3．6V电源供电，当电源断电时停止供电。只有在停电抄表时，CPU才将电池切换给存储单元和显示单元供电。 图3-17  存储单元和显示单元的供电电路 通讯单元的供电电路如图3-18所示。通讯单元正常由3.6V电源供电，当电源断电时停止供电。只有在CPU检测停电抄表信号和停电抄表时，CPU才将电池切换给通讯单元供电。 图3-18  通讯单元的供电电路 在停电状态下，CPU通过较小间隔时间点来控制红外接收电路供电。用于检测是否有红外抄表事件发生。只有抄表时才长时间打开红外接收电路的供电。   第四章  三相电子式多功能电能表的软件设计 三相电子式多功能电能表主要实现三相电能的准确计量、电参量的实时监测、同上位设备的数据交换、按照用户设置进行轮显或键显等功能。硬件部分是三相电子式多功能电能表的基础，软件部分则是三相电子式多功能电能表的灵魂，在三相电子式多功能电能表硬件的物理基础上，三相电子式多功能电能表的主要功能均由软件完成。同时三相电子式多功能电能表首先是计量产品，其所记录的数据直接等价于用户的收入，产品的可靠性及其重要，尤其是软件运行的稳定性是软件设计的重点，冗余设计是软件必须要考虑的。为调试和维护方便，软件设计遵循结构化、模块化、自顶向下、逐步细化的编程思想。为使三相电子式多功能电能表能够快速地完成上述各种功能，本系统采用EW430嵌入式开发系统。 4.1 EW430嵌入式开发系统 IAR嵌入式工作平台EW430是专为TI 16位单片机MSP430系列开发的，它为MSP430系列提供了一个完整的开发环境，在支持TI FET(FLASH Emulator T001)驱动方面，EW430的功能是独一无二的，EW430还包含一个UML状态表和软件仿真工具。它支持多操作系统Windows98／ME／NT4／2000／XP，在该环境下可进行工程文件的建立、文件编辑、编译、汇编、链接和建立生成目标文件以及对目标文件进行调试。提供有关目标建立、文件组或一些文件级的可选项配置。EW430嵌入式开发系统的主程序窗口如图4-1所示。其主要由Source、Register、SFR、Memory、Watch等窗口组成。Source窗口可显示源程序和设置断点，Register窗口可显示PC、SP、V-NZC、R04～R15寄存器的内容，SFR窗口显示PI～P5口的方向控制，功能分配，输入、输出等寄存器的内容，可以手动修改其内容，Memory窗口可显示所有内存数据并允许手动修改，Watch窗口可显示变量和数组的值。 EW430编译器支持高级语言的编译，弥补了汇编语言的不足，提高了MSP430的开发进度，也使软件的修改和程序的移植变的更加方便。但C语言的编译器效率比不上汇编语言，特别是在处理低层硬件时尤为突出，本项目的软件编程采用C语言和汇编语言相结合的编程方式。 用C语言和汇编语言的混合编程方法主要有3种： (1)独立编写C程序和汇编程序，分开编译或汇编形成各自的目标代码模块，然后用链接器将C模块和汇编模块链接起来： (2)直接在C语言程序的相应位置嵌入汇编语句： (3)对C程序进行编译生成相应的’汇编程序，然后对汇编程序进行手工优化和修改。 一般采用第一种方法．但是需要注意的问题是：不论是用C编写的函数还是用汇编编写的函数，都必须遵循寄存器使用规则和相互的函数调用规则。另外C与汇编混合编程，有多种优化选项．实现兼顾代码长度和执行速度的编译、连接。 图4-1  EW嵌入式开发系统的主程序图 MSP430F449是FLASH型，调试器利用MSP430F449的JTAG调试口，实现C语言源代码一级的在线仿真，实现单步跟踪、断点设置等操作，可以观察单片机内所有的寄存器、内存、变量等。 调试器可以将程序直接写入FLASH调试，也可以在微机上实现仿真调试。 4.2软件整体结构 MSP430F449系统上电复位后，BOOT ROM根据JTAG调试口引脚状态，跳转到主程序入口。在主程序中，先设置电源监测电路的掉电复位监测电压(2.2V)，再判断系统是在非调试状态，如是非调试设置开门狗否则并关掉开门狗，然后进行系统越界安全性检查，完后进行系统初始化和进入主任务循环。当程序进入主任务内部循环执行，等待响应不同的中断。主程序流程图如图4．2所示。 图4-2  主程序流程图 三相电子式多功能电能表上电复位后，其主程序如下 void main(void) { ／／设置3．3V电源监视，若小于2．3V，则复位。 SVSCTL=Ox4c： #if(SEL_SYS_WTCH=YES) WDTCTL=WDT_ARST_1000： #else WDTCTL=WDTPW+WDTHOLD： #endif ／／系统越界安全检查 CheckSysLimit()： ／／系统初始化 Init430()： ／／主任务入口 MainTask()： } 4.2.1系统初始化 系统的初始化包括：中断初始化、系统时钟初始化、液晶初始化、系统自检、端口初始化、定时器初始化、SCI初始化、SPI初始化、采集初始化、时钟初始化、系统监视初始化、当前费率初始化、需量初始化、中断开放、液晶显示操作。系统初始化流程图如图4。3所示。 图4-3  系统初始化流程图 系统初始化程序如下： void Init430(void) { InitINT（）：／／关闭不用的中断 InitBaseTimer()：／／系统时钟初始化 InitLCD()：／／液晶初始化 CheckSysVol（）：／／系统自检，确保系统电压为确定状态 InitPort(0)：／／端口初始化 InitTimerA（）：／／定时器 InitTimerB（）： InitSPI()：／／sPI初始化 InitSci(0)：／／scI初始化 InitScil（）：／／初始化第二串行口 InitSampleChip（）：／／初始化采集芯片 Ini tRealClock（）：／／初始化RTC InitSysWatch（）：／／系统监视初始化 InitProtocol（）：／／计算当前费率 DemandPORInit（）：／／初始化需量 _EINT 0：／／允许中断 GetDispNum()：／／液晶初始化程序 } 4.2.2主任务的实现 主任务循环包括：清看门狗任务、系统监视任务、通讯协议处理任务、定时处理任务、LCD显示处理任务、事件处理任务。主任务流程图如图4_4所示。 图4-4  主任务流程图 主任务程序如下： void MainTask(void) { for(：：) { WDTCTL=WDTPW+WDTCNTCL+WDTSSEL；／／清看门狗 SysWatchTask()：              ／／系统监视处理，在停电状态下也要执行 if(RamDBase．FlagByte．ExtSysStatusl＆Ox0040) {                          ／／若处于低功耗状态，则不执行 CollectionTask()：                ／／采集处理 ／／采集正常后开始需量计算 if(RamDBase。FlagByte．ExtSysStatusl＆Ox4000) { CalDemand（）：                      ／／需量计算 } } else { LowPowerTask（）； } ProtocolTask()：／／协议处理 MainTimerTask（）：／／粗略定时处理(例如1分钟定时 LedTask()：／／LCD处理 if(RamDBase．FlagByte．ExtSysStatus l＆Ox0040) if／／若系统掉电，执行以下程序 ProcEventTask（）：／／事件处理 } } } 4.3数据采集 本系统的电量计算主要由电能计量芯片ATT7022B内部实现，数据采集模块主要实现测量数据的读取，数据安全性处理即剔除异常数据，电能数据的修正，电能数据累加，关中断，电能输出，需量输出，开中断，异常事件处理等功能。数据采集模块流程图如图4．5所示。 图4-5  采集模块流程图 有功功率是通过对去直流分量后的电流、电压信号进行乘法、加法、数字滤波等一系列数字信号处理后得到的。电压、电流采样数据中包含高达21次的谐波信息。所以依据公式(4—1)计算得到的有功功率也至少包含21次谐波信息，合相有功功率见公式(4—2)。                                         （4-1）                                         （4-2） 根据真无功功率(正弦式无功功率)定义，无功功率计量算法与有功类似，只是电压信号采用移相90度之后的，计算方法见公式(4—3)。测量带宽主要受到数字移相滤波器的带宽限制，ATT7022B无功功率的测量带宽也可高达21次谐波，合相有功功率见公式(4-4)。                             （4-3）                                     （4-4） 视在功率有两类计算公式：PQS视在功率公式(4-5)，RMS视在功率公式(4-6)                             （4-5） 有功能量通过瞬时有功功率对时间的积分得到。单相有功能量的计算方法见公式(4-7)。                               （4-7） 合相有功能量可以根据设置按照代数或者绝对值的模式进行累加。代数加模式Ept=Epa+Epb+Epc，而绝对值加模式Ept=|Epa|+|Epb|十|Epc|。 无功能量通过瞬时无功功率对时间的积分得到，单相无功能量的计算方法见公式(4-8)。                               （4-8） 合相无功能量可以根据设置按照代数或者绝对值的模式进行累加。 第五章  总结和展望 通过对三相电子式多功能电能表的整体技术设计方案的革新，使该表的性价比有了较大的提高，使三相电子式多功能电能表的硬件成本和生产成本下降了40％。 在三相电子式多功能电能表的精度方面和过载能力方面也取得了较大的进步，精度等级达到了有功测量0．5S级，无功测量2．0级，过载能力也由原来的4倍提高到6倍。 在电磁兼容方面也取得了长足的进步，使三相电子式多功能电能表的电磁兼容指标达到IEC61000—4的要求，提高了抗雷击能力。 参考文献 [1]张春晖，三相多功能电能表技术发展的现状与展望，山东省电力公司，2005． [2]卢兴远，李红艳，中国电能表产品的现状和发展趋势探讨，河南省电力公司，2005． [3]季晓春，张守尚，王贤平，多功能电能表的现状和发展趋势探讨，电工仪表与公用表计行业信息，2006，50(1)：6～7． [4]徐海燕，付炎，嵌入式系统技术与应用，北京：机械工业出版社，2002，312～355． [5]姚放吾，嵌入式系统的硬件／软件协同设计，微计算机信息，2001，(3)：13～16． [6]桑南，嵌入式系统原理与应用开发技术，北京：北京航空航天大学出版社，2002，18～39． [7]吕捷，电工测量及试验，北京：中国电力出版社，2002，105～132． [8]武林，TOPSwitch-GX开关电源器件，电子产品世界，2001，(11)：37～39． [9]沙占友，周万珍，白云飞，TOPSwitch-FX单片开关电源控制电路的设计，通信电源技术，2001，(3)：11～13． [10]杨金泉，高庆辉，基于ATT7022的电力监控终端，电工仪表与公用表计行业信息，2006，52(3)：32～35． [11]胡江华，于敏梁，ATT7022B及其在电子式电能表中的应用，电工仪表与公用表计行业信息，2006，50(1)：21～23． [12]AT7022B用户手册，炬力集成，唧．ACTION．COM．CN． [13]胡大可，MSP430系列FLASH型超低功耗16位单片机，北京：北京航空航天大学出版社，2001，1～305 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