本文闡述了電子式多功能電能表的設(shè)計(jì)方法、硬件設(shè)計(jì)的技術(shù)關(guān)鍵和軟件設(shè)計(jì)流程。并以NEC的μPD78F0338單片機(jī) 單片機(jī)
單片機(jī)是單片微型計(jì)算機(jī)（Single-Chip Microcomputer）的簡(jiǎn)稱，是一種將中央處理器CPU隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM、只讀存儲(chǔ)器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時(shí)器/計(jì)時(shí)器等功能（可能還包括顯示驅(qū)動(dòng)電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器等電路）采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)集成到一塊硅片上構(gòu)成的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。 [全文] 為例，實(shí)現(xiàn)了一款具有四種費(fèi)率、六條負(fù)荷曲線和兩套費(fèi)率結(jié)構(gòu)的三相四線電子式多功能電能表。
電子式多功能電能表主要針對(duì)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)三相用電的工業(yè)用戶。隨著電力行業(yè)改革深入，工業(yè)三相用電對(duì)多功能電能表的需求大量增加。目前國(guó)內(nèi)多功能表種類少、價(jià)格較高、功能不完善,往往僅是針對(duì)某些地區(qū)的特定要求開(kāi)發(fā)，缺乏通用性，某些產(chǎn)品未能完全達(dá)到國(guó)標(biāo)的要求。本文介紹的電子式多功能電能表正是為了適應(yīng)這種市場(chǎng)需求而設(shè)計(jì)的。
這是一款智能型高科技電能計(jì)量產(chǎn)品，該表可以同時(shí)計(jì)量正/反向有功電能、正/反向無(wú)功電能、四象限無(wú)功電能，還具有多費(fèi)率控制，負(fù)荷曲線記錄，各相失壓、過(guò)壓、頻率超限記錄，數(shù)據(jù)LCD顯示等多種功能。主站可以通過(guò)RS-485總線或手持紅外抄表器對(duì)該電表進(jìn)行查表、設(shè)表、抄表等操作。
軟件代碼全部采用C/C++語(yǔ)言編寫(xiě)，編碼效率高，可維護(hù)性好，便于實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)，可根據(jù)用戶的需求方便地對(duì)功能模塊進(jìn)行裁剪。而且代碼經(jīng)過(guò)優(yōu)化，其生成的目標(biāo)代碼大小和執(zhí)行效率已與匯編代碼相差無(wú)幾。該產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)全面符合 GB/T 17215-1998 《1級(jí)和2級(jí)靜止式交流有功電度表》、DL/T 614-1997《多功能電能表》和 DL/T 645-1997《多功能電能表通信規(guī)約》的要求。
多功能電能表的總體結(jié)構(gòu)和硬件設(shè)計(jì)
多功能表總體結(jié)構(gòu)
電子式多功能電能表硬件的核心MCU主控制器，它負(fù)責(zé)按鍵輸入掃描、工作狀態(tài)檢測(cè)、計(jì)量數(shù)據(jù)的讀入、計(jì)算和存儲(chǔ)、電表參數(shù)的現(xiàn)場(chǎng)配置以及與外界的通信控制等。其主要功能單元包括MCU主控制器單元、電量計(jì)量模塊、紅外和RS-485通信模塊、校表模塊、EEPROM存儲(chǔ)陣列等；其他輔助模塊主要有：時(shí)鐘日歷電路、工作異常報(bào)警電路、按鍵輸入電路、復(fù)位和看門(mén)狗電路、開(kāi)關(guān)開(kāi)關(guān)
開(kāi)關(guān)是最常見(jiàn)的電子元件，功能就是電路的接通和斷開(kāi)。接通則電流可以通過(guò)，反之電流無(wú)法通過(guò)。在各種電子設(shè)備、家用電器中都可以見(jiàn)到開(kāi)關(guān)。 [全文] 電源模塊和后備電池電路、大屏幕液晶顯示模塊和LED顯示模塊。多功能表總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
高性能主控制器單元
主控制器采用NEC公司8位單片機(jī)中的高檔產(chǎn)品μPD78F0338。該款單片機(jī)為120腳QFP封裝，單片集成有60kB Flash、一個(gè)異步通信串行口、40×4段LCD驅(qū)動(dòng)器、高達(dá)10MHz的總線時(shí)鐘和10路10位精度的ADC，并可通過(guò)簡(jiǎn)單的接口進(jìn)行在系統(tǒng)編程，極大地方便在線調(diào)試和軟件升級(jí)。并且支持高級(jí)語(yǔ)言，較好地滿足了多功能表任務(wù)繁多、數(shù)據(jù)量龐大、算法較復(fù)雜的功能要求。
串口復(fù)用通信單元
通信電路模塊主要包括TSOP1838紅外接收頭接收頭
接收頭是紅外線遙控系統(tǒng)的接收部分主要部件，紅外線接收頭裝置負(fù)責(zé)濾除其他雜波, 只接收該特定頻率的信號(hào)并將其還原成二進(jìn)制脈沖碼,也就是解調(diào)功能。 [全文] 、紅外發(fā)射二極管二極管
二極管又叫半導(dǎo)體二極管、晶體二極管，是最常用的基本電子元件之一。二極管只往一個(gè)方向傳送電流，由p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體形成的p-n結(jié)構(gòu)成，在其界面處兩側(cè)形成空間電荷層，并建有自建電場(chǎng)。當(dāng)不存在外加電壓時(shí)，由于p-n 結(jié)兩邊載流子濃度差引起的擴(kuò)散電流和自建電場(chǎng)引起的漂移電流相等而處于電平衡狀態(tài)。 [全文] 、載波電路、MAX487專用485收發(fā)電路、驅(qū)動(dòng)/開(kāi)關(guān)二極管開(kāi)關(guān)二極管
半導(dǎo)體二極管導(dǎo)通時(shí)相當(dāng)于開(kāi)關(guān)閉合（電路接通），截止時(shí)相當(dāng)于開(kāi)關(guān)打開(kāi)（電路切斷），所以二極管可作開(kāi)關(guān)用，常用型號(hào)為IN4148。開(kāi)關(guān)二極管是專門(mén)用來(lái)做開(kāi)關(guān)用的二極管，它由導(dǎo)通變?yōu)榻刂够蛴山刂棺優(yōu)閷?dǎo)通所需的時(shí)間比一般二極管短，常見(jiàn)的有2AK、2DK等系列，主要用于電子計(jì)算機(jī)、脈沖和開(kāi)關(guān)電路中。 [全文] 和其他元件。
圖1 多功能電能表總體結(jié)構(gòu)框圖
本電能表為便于用戶抄表，設(shè)計(jì)有紅外本地抄表和RS-485集中抄表兩種串行抄表方式，因?yàn)棣蘌D78F0338僅有一個(gè)串口，故通信電路設(shè)計(jì)時(shí)采用串口復(fù)用技術(shù)。由9012、9014和若干電阻電阻
電阻，物質(zhì)對(duì)電流的阻礙作用就叫該物質(zhì)的電阻。電阻小的物質(zhì)稱為電導(dǎo)體，簡(jiǎn)稱導(dǎo)體。電阻大的物質(zhì)稱為電絕緣體，簡(jiǎn)稱絕緣體。 [全文] 等器件組成互補(bǔ)開(kāi)關(guān)，由MCU的一個(gè)I/O口來(lái)控制紅外和RS-485通信方式的切換，如圖2所示。
圖2 通信串行口復(fù)用電路
高精度電量計(jì)量模塊
計(jì)量模塊由高精度專用電能計(jì)量芯片SA9904、電流互感器和其他外圍電路元件組成。SA9904是Sames公司生產(chǎn)的一款三相雙向功率/電能計(jì)量芯片，可以計(jì)量有功/無(wú)功功率、電壓、頻率、相序異常等，可以單獨(dú)計(jì)量每一相的用電信息，符合IEC521/1036標(biāo)準(zhǔn)，可達(dá)到1級(jí)交流電能表的精度要求，各數(shù)據(jù)寄存器具有24位精度，可通過(guò)三線SPI接口與CPU交換數(shù)據(jù)。從而可以較好地適應(yīng)多功能表需要計(jì)量多種電量數(shù)據(jù)的要求。SA9904引腳及其外圍電路圖如圖3所示。
圖3 SA9904引腳及其外圍電路圖
圖4 RTC-4553引腳及其外圍電路
其中，CLK、DO、DI構(gòu)成與MCU控制器的接口,用于傳輸控制命令和測(cè)得的電量數(shù)據(jù)，IIPs、IIPt、IIPr用來(lái)對(duì)電流取樣，IVP1、IVP2、IVP3用來(lái)對(duì)電壓取樣。
時(shí)鐘日歷模塊
時(shí)鐘電路采用EPSON生產(chǎn)的RTC-4553實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片。內(nèi)部集成了32.768kHz的石英晶體振蕩器晶體振蕩器
晶體振蕩器：即所謂石英晶體諧振器和石英晶體時(shí)鐘振蕩器的統(tǒng)稱。不過(guò)由于在消費(fèi)類電子產(chǎn)品中，諧振器用的更多，所以一般的概念中把晶體振蕩器就等同于諧振器理解了。后者就是通常所指鐘振。 [全文] ，簡(jiǎn)化外圍電路，并可以根據(jù)需要進(jìn)行自由設(shè)置以得到較高的頻率；同時(shí)集成有時(shí)鐘和日歷計(jì)數(shù)器；可選擇24或12小時(shí)顯示模式；時(shí)鐘可通過(guò)軟件方式進(jìn)行間隔30秒的調(diào)整；并提供0.1Hz或1024Hz的定時(shí)脈沖輸出，以便于在電能表的外部對(duì)時(shí)鐘精度進(jìn)行定期檢查。RTC-4553引腳及其外圍電路圖如圖4所示。
其中，SCK、Sin、Sout與主處理器接口，用于發(fā)送控制指令或者傳輸日期時(shí)間數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)日歷時(shí)鐘模塊采用電池作后備電源，以確保在停電狀態(tài)下，日期時(shí)間的準(zhǔn)確無(wú)誤。
圖5 主程序流程圖
多功能電能表的軟件設(shè)計(jì)
數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
多功能電能表涉及的數(shù)據(jù)類型種類繁多。按字節(jié)分包括單字節(jié)、雙字節(jié)、三字節(jié)、四字節(jié)和六字節(jié)等；按表征的意義分有時(shí)間、時(shí)刻、電壓、電流、有功功率、無(wú)功功率、有功電能、無(wú)功電能、次數(shù)、功率因數(shù)、門(mén)限、狀態(tài)字、系數(shù)、表號(hào)等。復(fù)雜的數(shù)據(jù)類型對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提出了較高的要求，本實(shí)現(xiàn)方案通過(guò)采用多種數(shù)據(jù)尋址方式和多種類型存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器
存儲(chǔ)器是用來(lái)存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)的部件，有了存儲(chǔ)器，計(jì)算機(jī)才有記憶功能，才能保證正常工作。它根據(jù)控制器指定的位置存進(jìn)和取出信息。 [全文] 較好地解決了這一問(wèn)題。
數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)
系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存放方式有：內(nèi)部ROM、RAM和外掛EEPROM。
內(nèi)部ROM用來(lái)存放大量的常數(shù)表格；RAM用于存放臨時(shí)變量和堆棧，本方案需要2.5kB左右的RAM；串行EEPROM則存儲(chǔ)各種用戶電量數(shù)據(jù)和設(shè)表參數(shù)，通過(guò)I2C總線與CPU交換數(shù)據(jù)，電能表按設(shè)計(jì)需求的最大要求大約需要250kB的EEPROM，本方案采用8片256位EEPROM通過(guò)級(jí)聯(lián)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
數(shù)據(jù)尋址方式
EEPROM數(shù)據(jù)訪問(wèn)采用兩種方式：直接地址訪問(wèn),通過(guò)數(shù)據(jù)的EEPROM地址直接讀寫(xiě)數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)ID尋址，通過(guò)數(shù)據(jù)的編碼讀寫(xiě)數(shù)據(jù)。
通信口復(fù)用功能設(shè)計(jì)
紅外通信和RS-485共用一個(gè)串行口（RxD/TxD）通信，由于串行口通信開(kāi)始都有一低電平位（0），因此將紅外接收端（與485接收端用一三極管三極管
三極管是一種半導(dǎo)體電子器件，有3個(gè)引腳，晶體三極管分別為集電極（c)，基極（b)，發(fā)射極（e），電子三極管分別為屏極、柵極、陰極。能夠把微弱信號(hào)放大成輻值較大的電信號(hào)，也稱雙極型晶體管,晶體三極管。 [全文] 隔開(kāi)）引到一中斷引腳INTP1，通過(guò)其引發(fā)的中斷可判斷串行口數(shù)據(jù)是否來(lái)自紅外。發(fā)送時(shí)按對(duì)應(yīng)方式發(fā)送，使其不互相干擾。由于紅外通信和遙控接收用同一接收管，因此在判斷紅外來(lái)源的中斷中啟動(dòng)定時(shí)器INTTM4檢測(cè)紅外接收端，如果檢測(cè)到脈沖寬度為9ms或0.56ms,則判斷為紅外遙控，并根據(jù)定時(shí)檢測(cè)遙控編碼；否則判定為紅外產(chǎn)生的串行口接收中斷，并將定時(shí)檢測(cè)關(guān)閉。
紅外38.4kHz調(diào)制信號(hào)由CPU內(nèi)部分頻輸出（P05/PCL）。 f=fx/27=4.9152/128=38.4kHz。
因紅外發(fā)送字節(jié)之間可選有15～20ms的延時(shí)，而485通信則不需要延時(shí)。數(shù)據(jù)發(fā)送在發(fā)送中斷中進(jìn)行，紅外通信在發(fā)送操作后立即關(guān)閉發(fā)送中斷允許，待延時(shí)時(shí)間到后再允許發(fā)送中斷。
多功能表程序流程圖
多功能表主程序流程主要包括初始化、數(shù)據(jù)校驗(yàn)、負(fù)荷曲線修補(bǔ)和事務(wù)處理等，其流程圖如圖5所示。
日常事務(wù)處理流程集中體現(xiàn)了多功能表的大部分主要功能，包括費(fèi)率處理、計(jì)量數(shù)據(jù)采集及處理、自動(dòng)抄表、電能脈沖輸出、校表模塊和掉電檢測(cè)及處理模塊等，其流程圖如圖6所示。
圖6 日常事務(wù)處理流程圖
|
