基于單片機(jī)的數(shù)字電能表設(shè)計(jì)

1、12屆 分類號：TM933.4 單位代碼 ： HC-DQ121 基于單片機(jī)控制的數(shù)字電能表設(shè)計(jì) 姓 名： Ezreal Yi 院 系： 物理與機(jī)電工程學(xué)院 專 業(yè)： 電氣工程及其自動化 班 級： 學(xué) 號： 時 間： 2016年1月1日 摘 要在設(shè)計(jì)中試圖探索分時計(jì)費(fèi)數(shù)字電能表的設(shè)計(jì)技術(shù)，主要工作內(nèi)容有：基于MSP430C323進(jìn)行了電能表的完整設(shè)計(jì)，探索了利用MSP430C323的有限硬件資源與軟件的有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)實(shí)時時鐘、I2C和串行通信等接口的設(shè)計(jì)方法；以電能表為對象，重點(diǎn)探討了基于低功耗單片機(jī)的低功耗儀表的基本原理和設(shè)計(jì)技術(shù)，綜合設(shè)計(jì)使電能表的工作可靠性得到大大提高，對其它低功耗儀表的設(shè)

2、計(jì)具有參考價值。關(guān)鍵詞：多費(fèi)率電能表；MSP430單片機(jī)；硬軟件合成ABSTRACTIn the design, I try to search the design technique of time sharing charging digital electrical energy meter. The main work content includes: made out integrity the design of the electrical energy meter based on MSP430C323H, searched for using the limited ha

3、rdware resources and the software organic synthesis of MSP430C323, realized the design method of real-time clock, I2C and serial port communication; the electrical energy meter as the object, , the basis theory and the design technique of low power loss instrument basing on the low power Single-Chip

4、 computer has been discussed, the integrated design make the electrical energy meters operational reliability to improve greatly, its reference value is useful to design other kind low power loss meter.Key words: Multi-tariffs electrical energy meter; MSP430 Single-Chip computer; hardware and softwa

5、re synthesis 目 錄1 引言12 電能測量與多費(fèi)率電能表22.1 電能參數(shù)的測量22.2 多費(fèi)率電能表的原理33 電能表的硬件電路設(shè)計(jì)33.1 硬件總體方案33.2 MSP430C3XX系列單片機(jī)53.3 ADC14的原理與電壓電流輸入通道的設(shè)計(jì)63.4 電壓電流輸入通道的設(shè)計(jì)83.5 串行E2PROM接口93.6 串行通信接口的實(shí)現(xiàn)103.7 紅外接口的設(shè)計(jì)104 電能表的軟件設(shè)計(jì)124.1 電能表的主流程與模塊化程序設(shè)計(jì)124.2 電能測量模塊的設(shè)計(jì)134.3 電能計(jì)費(fèi)模塊的軟件設(shè)計(jì)154.4 E2PROM讀寫模塊的設(shè)計(jì)155 總結(jié)20參考文獻(xiàn)21謝辭221 引言電能是社會生產(chǎn)

6、、人民生活必需的重要能源之一，隨著國民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，電力需求急驟上升，電力供應(yīng)與電力需求出現(xiàn)了不平衡。電能表是當(dāng)前電量計(jì)量和經(jīng)濟(jì)結(jié)算的主要工具。本課題研制了基于MSP430的單相多功能電能表，同時對系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)也作了介紹。本選題研制的單相多功能電能表以MSP430單片機(jī)作為電能表的微處理器，MSP430是超低功耗的16位單片機(jī)，采用精簡指令集。它具有豐富的片內(nèi)外設(shè)，功能強(qiáng)大，并且具有很低的電能消耗。圖1是電能表的結(jié)構(gòu)原理圖。電源信號MSP430電壓圖象電流圖象脈 沖存儲器LCD通 信時 鐘 圖1 電能表的結(jié)構(gòu)原理圖 單相多功能電表由輸入轉(zhuǎn)換部分、單片機(jī)部分、通信部分和輸出部分組成。其中電

7、壓電流經(jīng)輸入轉(zhuǎn)換變成單片機(jī)可以處理的信號，單片機(jī)采用MSP430X3XX，通信采用外通信方式，輸出部分則是有關(guān)數(shù)據(jù)送LCD顯示和脈沖輸出。本電能表可實(shí)現(xiàn)以下功能：（1） 電能計(jì)量：對市電的電壓、電流采樣處理，得到電壓有效值和電流有效值，有功功率和無功功率等電能參數(shù)；（2）費(fèi)率管理：每天有3種費(fèi)率可供選擇；（3）時間管理：具有日歷、計(jì)量和閏年自動切換功能；（4）通信:利用紅外通信方式，與電能表手持抄錄器交換數(shù)據(jù)；（5）顯示:可顯示上月、本月總電量及各費(fèi)率時段的電量。該電能表的主要技術(shù)指標(biāo)如下:（1）電能計(jì)量精度達(dá)到1%；時鐘記時誤差O.5s/d；（2）電氣性能: 電子模塊功耗3VA； 工作電壓范

8、圍0.81.2V額定電壓； 電池壽命8年。（3）環(huán)境條件: 工作溫度：-20+55； 運(yùn)輸溫度：-25+70；（4）紅外通信距離4m。2 電能測量與多費(fèi)率電能表2.1 電能參數(shù)的測量電壓、電流測量：周期性電壓、電流的瞬時值是隨時變化的，所以一般用有效值表征它們的做功能力并度量其“大小”，如電流有效值的定義是一個周期性電流的做功能力和直流電流的做功能力相比，則有：在相同時間內(nèi)周期電流流過電阻所做的功與直流電流流過電阻所做功相等，就稱此直流電流的量值為此周期電流的有效值。 直流電流流過電阻在時間內(nèi)所做的功為 （21）周期性電流流過電阻，在時間內(nèi)，電流所做的功為 （22）根據(jù)以上定義，即 （23）于

9、是，周期電流的有效值為 （24）同理，電壓有效值為 （25）上面兩式（24）和（25）式，即是對電流、電壓求均方根值的運(yùn)算。根據(jù)周期性連續(xù)函數(shù)有效值的定義，將電壓、電流函數(shù)離散化，得 （26） （27）式中和分別表示被測電壓、電流信號離散采樣值。2.2 多費(fèi)率電能表的原理 多費(fèi)率電能表由電能測量單元和具有分時計(jì)量功能的電路組成9，對電子式電能表而言，測量為了實(shí)現(xiàn)分時計(jì)量，電表設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是設(shè)有計(jì)時準(zhǔn)確、時段誤差和日誤差小、接通/切換準(zhǔn)確的時鐘和時控電路，多費(fèi)率電能表原理如圖2。時 基秒信號時 鐘顯示器電 源測量單元時控電路尖峰平谷分時記數(shù)、存儲、譯碼顯示器/計(jì)數(shù)器市 電 圖2 多費(fèi)率電能表結(jié)構(gòu)圖

10、3 電能表的硬件電路設(shè)計(jì)3.1 硬件總體方案圖3給出了電能表的硬件框圖。 電壓TV信號調(diào)理電流TA信號調(diào)理 MSP430X3XX A/D處理復(fù)費(fèi)率計(jì)算單元控量計(jì)算檢驗(yàn)脈沖電源管理串行EEPROMLCD接口紅外接口其他接口 圖3單相電子電能表的結(jié)構(gòu)模塊 圖3中的硬件按功能可分為測量、單片機(jī)、顯示器、串行E2PROM存儲、通信和電源等單元。（1）測量：市電經(jīng)過電壓互感器和電流互感器轉(zhuǎn)換成交流低電平信號后輸入到采樣電路，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器處理的數(shù)字量送入計(jì)算機(jī)。 （2） 單片機(jī)：數(shù)據(jù)處理、計(jì)算、顯示和通信的控制中心。（3）顯示：采用LCD顯示累計(jì)電能或其它數(shù)據(jù)。（4）串行E2PROM：單片機(jī)內(nèi)部RAM掉

11、電時將丟失隨機(jī)存取的數(shù)據(jù)。故外接一片E2PROM。主要用來存儲各個時段的用電量、電能表常數(shù)、時間參數(shù)。（5）通信：利用紅外通信實(shí)現(xiàn)電能表與手持抄錄器之間的數(shù)據(jù)傳輸。（6）電源：電源的提供可采取兩種方案，一是市電經(jīng)過整流、濾波、穩(wěn)壓，得到穩(wěn)定的直流低電壓，向表內(nèi)供電。這種方案的缺點(diǎn)是需要復(fù)雜的電源電路，導(dǎo)致造價、功耗和停電數(shù)據(jù)保護(hù)和電氣隔離等一系列問題。另一種方案是采用電池供電，這在電表采用低功耗設(shè)計(jì)時是可行的，并且?guī)碇T多好處。對于電表來說，這兩種供電方式都是可行的。本選題探索了電池供電方案，并采用下列措施降低電表的功耗3：（1）采用低功耗MSP430系列單片機(jī)；（2）使用低功耗外圍器件；（3

12、）數(shù)據(jù)的采集和功率的計(jì)算按一定周期（如每秒鐘一次）喚醒，電表大部分時間處于休眠狀態(tài)。3.2 MSP430C3XX系列單片機(jī)單片機(jī)是電能表的數(shù)據(jù)處理部分的核心部件，系統(tǒng)要求在短時間內(nèi)處理大量的數(shù)據(jù)，因此要求單片機(jī)有較高的運(yùn)算速度，采用MSP430系列單片機(jī)MSP430X3XX作為電能表的核心。MSP430系列單片機(jī)是以超低功耗為主要特色的16位單片機(jī)，其中MSP430X3XX系列屬于外圍較為豐富且支持LCD的中檔產(chǎn)品。該產(chǎn)品主要特點(diǎn)如下1,3: .2.55.5V工作電壓；.消耗電流0.1400A，5種低功率耗方式；.16位RISC（Reduced Instruction Set Computin

13、g,精簡指令集計(jì)算機(jī)）體系，僅27條核心指令，指令周期300nS； .采用32KHz晶振，內(nèi)部時鐘達(dá)3.3MHz； .片內(nèi)LCD驅(qū)動器多達(dá)84段； .片內(nèi)12+2位A/D轉(zhuǎn)換； .靈活強(qiáng)大的處理能力； .看門狗定時器； .定時器/口(具有比較器的2個八位或1個16位定時器，5個輸出一個I/O適于作斜坡A/D轉(zhuǎn)換)； .基本定時器(2個八位或1個16位定時器)； .I/O口0（8個I/O均有中斷能力）。 由此可見它特別適合用于智能儀表、智能化家用電器、電池供電便攜式設(shè)備等產(chǎn)品之中。八位定時器/計(jì)數(shù)器：8位定時器/計(jì)數(shù)器(8-bit Timer/Counter)的原理主要包含以下模塊：(1) 8位

14、帶預(yù)置數(shù)寄存器的增計(jì)數(shù)器；(2) 8位控制寄存器；(3) 輸入時鐘選擇器；(4) 沿檢測電路(如檢測異步通信的起始位)；(5) 由8位計(jì)數(shù)器的進(jìn)位信號觸發(fā)的輸入輸出數(shù)據(jù)鎖存器。3個主要功能是：(1) 串行通信或數(shù)據(jù)交換；(2) 脈沖計(jì)數(shù)或脈沖累加；(3) 定時器。 由于在MSP430C323單片機(jī)中沒有硬件串口通信功能，利用8位定時器/計(jì)數(shù)器的實(shí)現(xiàn)軟件串口通信功能4。在這種應(yīng)用中將定時器/計(jì)數(shù)器用作波特率發(fā)生器，將P0.1和P0.2分別用作異步串行通信的RXD和TXD引腳。在該模塊的控制寄存器中的最低2位用于通信，其中RXD是一個只讀位，它在計(jì)數(shù)器產(chǎn)生進(jìn)位時將P0.1引腳上的數(shù)據(jù)予以鎖存，而T

15、XD的數(shù)據(jù)由軟件寫入，而在計(jì)數(shù)器產(chǎn)生進(jìn)位時將這個數(shù)據(jù)送到P0.2引腳。3.3 ADC14的原理與電壓電流輸入通道的設(shè)計(jì)MSP430的ADC14模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊：在電能表設(shè)計(jì)中，A/D的選擇十分重要，它直接影響了電能表的準(zhǔn)確度，而正確選擇A/D轉(zhuǎn)換器的關(guān)鍵是合理選擇A/D的字長(位數(shù))和轉(zhuǎn)換速率。A/D轉(zhuǎn)換器位數(shù)決定了其分辨率，n位A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率為。在儀表設(shè)計(jì)中，A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率通常應(yīng)比總精度要求的最低分辨率高一個等級。電能表在一般測試系統(tǒng)中要求的最高精度為一級(1%)14位A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率在理論上可以達(dá)到0.0061%，可見14位A/D轉(zhuǎn)換器完全可以滿足測量精度的要求。MSP430X

16、3XX系列單片機(jī)采用的14位數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，ADC14有以下特點(diǎn)12：(1) A0A5為6路A/D轉(zhuǎn)換的模擬量輸入引腳，然而這6個引腳也可以作為數(shù)字量的輸入口；(2) 有4路模擬輸入端用于可編程電流源；(3) 內(nèi)建采樣/保持電路；(4) 在轉(zhuǎn)換結(jié)束時提供中斷信號，同時有轉(zhuǎn)換結(jié)果暫存器用于暫存結(jié)果，直到下次轉(zhuǎn)換開始；(5) 低功耗，可將模塊的供電開啟或關(guān)閉；(6) 4個內(nèi)部通道，可用于溫度、AVcc及外部參考電平的采樣； (7) 整個轉(zhuǎn)換過程由模塊獨(dú)立完成，不需要CPU的額外開銷； (8) 可選12位或14位分辨率，且有較快的轉(zhuǎn)換速度。ADC 14的基本原理可通過其控制寄存器ACTL來加以描述。A

17、CTL是對ADC進(jìn)行編程的主要寄存器，其內(nèi)容如表1所示。 表1 ACTL中各位意義 15141312111098765432100ADCLKPD量程電流源AD輸入選擇VREFSOC 1) 啟動轉(zhuǎn)換(SOC) 該只寫位啟動由ACTL寄存器其它各位所定義的轉(zhuǎn)換，其讀出總是0。2) 電壓基準(zhǔn)位(VREF) 該位決定采用外部的或是內(nèi)部的電壓基準(zhǔn)用于轉(zhuǎn)換。VREF=0時使用外部基準(zhǔn)，基準(zhǔn)電壓輸入端SVcc上外接可提供80A電流的基準(zhǔn)電壓:VREF=1時采用內(nèi)部電壓基準(zhǔn)，此時在AVcc和SVcc之間的一個晶體管導(dǎo)通，這時SVcc輸出端子直接連接到AVcc上，SVcc上無須外接基準(zhǔn)電壓。SVcc端上的電壓是

18、所有ADC的基準(zhǔn)，代表214（16384）。3) 轉(zhuǎn)換輸入選擇(AD Input Select) B5=1時不選擇任何ADC通道;B5=0時，B2B4選擇A0A7等8個輸入端之一(MSP430X32X系列無A6, A7輸入端)5,6,7。4) 電流源輸出選擇(Current Source ) 選擇A0A3中的某一個作為電流源的輸出。5) 量程選擇(Range Select )定義模擬量的輸入范圍如表2所示。 整個模塊可以設(shè)置為兩種工作模式：12位模式和14 (12+2)位模式。轉(zhuǎn)換模式由ACTL寄存器中的第11位的狀態(tài)決定。表2 ACD的量程選擇ACTL11ACTL10ACTL9范圍模擬輸入范

19、圍000A0.00*VrefVin0.25*Vref001B0.25*VrefVin0.50*Vref010C0.50*VrefVin0.75*Vref011D0.75*VrefVin1.00*Vref1xx自動在A.B.C.D間自動選擇在14位模式下，輸入信號將被采樣兩次：一次是確定電壓范圍的高2位，后一次是12位精度轉(zhuǎn)換，這樣轉(zhuǎn)換的結(jié)果就是14 (12+2)位結(jié)果。對于12位轉(zhuǎn)換模式，與其它MSP430單片機(jī)12位A/D轉(zhuǎn)換原理一樣，只是需要預(yù)先設(shè)定轉(zhuǎn)換電壓范圍。在兩種模式下，當(dāng)一個轉(zhuǎn)換完成時，都將自動給出中斷標(biāo)志EOC=1，表示完成了一次轉(zhuǎn)換10。6) 掉電位(Power Down-PD

20、) PD=1時關(guān)掉比較器、SVCC開關(guān)和電流源等，使ADC功耗最少。7)時鐘頻率選擇(Clock Frequency Select ) ACTL.13和ACTL.14用于選擇A/D轉(zhuǎn)換的時鐘頻率ADCLK為MCLK除以1、2、3或4。 14位ADC完成一次轉(zhuǎn)換總共需要132個ADCLK周期。若MCLK為32768*32=Hz，并且選定ADCLK等于MCLK，則每次A/D轉(zhuǎn)換所需的時間為：132/Hz=125.885s。 在電能表的設(shè)計(jì)中需要通過定時器中斷來穩(wěn)定采樣頻率，定時中斷的間隔必須大于125.885s。3.4 電壓電流輸入通道的設(shè)計(jì)本選題的設(shè)計(jì)是面向戶用型電能計(jì)量的，其成本的控制是能否進(jìn)

21、入市場的關(guān)鍵。因此直接采用電阻獲取電壓和電流信號，電壓、電流采集通道實(shí)現(xiàn)將交流高電平信號轉(zhuǎn)換成單片機(jī)能夠處理的低電平信號，其原理性設(shè)計(jì)如圖4所示。交流被測電壓經(jīng)電阻分壓器分壓后連接單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換輸入A1、A5。交流被測電流經(jīng)與中線連接并與負(fù)載串聯(lián)的采樣電阻Rs（其大小取決于電表的最大負(fù)載電流）轉(zhuǎn)換為電壓，然后接入MSP430C323的A0、A5。圖4 電壓電流采集電路原理設(shè)計(jì)3.5 串行E2PROM接口作為計(jì)量的儀表有許多數(shù)據(jù)如電流電壓的系數(shù)、分時計(jì)費(fèi)表、累計(jì)電能等是變動的或可以通過正常手段修改的，但是不能因系統(tǒng)中的干擾而改寫，更不能因停電等事件而丟失。因此儀表必須提供滿足上述要求的存儲手

22、段，而串行E2PROM是當(dāng)前儀表設(shè)計(jì)中最合適的器件。本設(shè)計(jì)中選擇FM24C16來實(shí)現(xiàn)這種功能。 FM24C16有讀和寫兩種操作狀態(tài)，它可以以總線速度進(jìn)行寫操作，無延時，可以承受100億此讀寫或者說比一般E2PROM能承受高一萬倍的寫操作。MSP430X3XX系列不具有I2C接口，需要利用通用I/O引腳和相應(yīng)的軟件來模擬這種接口的功能。本設(shè)計(jì)中這部分電路如圖5所示。 圖5 MSP430與FM24C16的接口電路3.6 串行通信接口的實(shí)現(xiàn)由于MSP430X3XX的部分廉價型號(如MSP430C323)中沒有專用串行通信接口，需要采用替代的方法形成。在3.2節(jié)中己指出可以利用8位定時器/計(jì)數(shù)器和P0

23、.1和P0.2共同實(shí)現(xiàn)異步串行通信功能。在這種應(yīng)用中將定時器/計(jì)數(shù)器用作波特率發(fā)生器，將P0.1和P0.2分別用作異步串行通信的RXD和TXD引腳。該串行通道可實(shí)現(xiàn)以下的功能：（1）即使在低功耗方式下亦可自動檢測接收數(shù)據(jù)的起始位；（2）提供75的波特率發(fā)生功能；（3）硬件鎖存TXD和RXD數(shù)據(jù)。3.7 紅外接口的設(shè)計(jì) 紅外通信以紅外線作為介質(zhì)來傳送數(shù)據(jù)信息，由紅外接收器和紅外發(fā)射器來完成信號的無線收發(fā)11。在發(fā)射端，對發(fā)送的數(shù)字信號經(jīng)適當(dāng)?shù)木幋a和調(diào)制后，送入電光變換電路，驅(qū)動紅外二極管發(fā)射紅外光脈沖，在接收端，紅外接收器對收到的紅外信號進(jìn)行光電變換，并進(jìn)行解調(diào)和譯碼后，恢復(fù)出原信號。紅外發(fā)射電

24、路由調(diào)制電路、驅(qū)動電路及紅外發(fā)射器件組成，紅外接收電路由紅外接收器件、前置放大電路、解調(diào)電路等構(gòu)成。 電能表自動抄表系統(tǒng)紅外通信主要有三部分構(gòu)成，分別是電能表、手持抄錄器和上位計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)。電能表實(shí)時從電網(wǎng)中采集、計(jì)算和存儲。在手持抄錄器的控制下可通過紅外通信端口將數(shù)據(jù)發(fā)送至紅外抄錄器中。此外在有安全措施的前提下，手持抄錄器也可通過紅外通信修改電能表的儀表系數(shù)和實(shí)時時鐘等常數(shù)。手持抄錄器可將采集的電能表數(shù)據(jù)傳輸給供電部門的計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)。 串行通信通道的TXD信號的脈沖寬度是由波特率確定的，如果不經(jīng)過調(diào)制而直接驅(qū)動紅外發(fā)光二極管，抗干擾能力較差。因此需要將數(shù)據(jù)“載”在頻率較高的載波信號上進(jìn)行

25、調(diào)制。按照多功能電能表通信規(guī)約（DL/L645-1997）規(guī)定9，采用脈沖調(diào)幅調(diào)制方式，載波頻率應(yīng)為38kHz1kHz。圖6 電能表紅外通信接口電路的設(shè)計(jì)紅外發(fā)射是利用串行數(shù)據(jù)發(fā)送引腳TXD(P0.2)控制驅(qū)動三極管BGl進(jìn)行二進(jìn)制數(shù)據(jù)“0”和“1”的傳輸，而載波則是利用通用定時器/口從TP0.0引腳輸出一個頻率為38.4KHz的方波作為載波。因?yàn)榇?lián)的2個三極管為PNP型的，所以只有在TXD和載波均為低電平時才能同時導(dǎo)通并使發(fā)光二極管發(fā)光。得到的波形如圖7所示。圖中第一行為P0.2引腳的波形；第二行為TP0.0引腳的波形；第三行為BG1發(fā)射極的波形，當(dāng)TXD數(shù)據(jù)為0時有連續(xù)的脈沖串，而TXD

26、數(shù)據(jù)為1時無脈沖出現(xiàn)。TXD串口信號數(shù)據(jù)“0”位數(shù)據(jù)“1”位38.4KHZ發(fā)射器D1信號調(diào)制后發(fā)射數(shù)據(jù)“0”時高頻發(fā)射數(shù)據(jù)“1”時截止 圖7 調(diào)制波形的獲取紅外接收是利用紅接收管PIC12034將手持紅外抄錄器發(fā)出的紅外信號加以解調(diào)，連續(xù)脈沖串解調(diào)后輸出低電平表示數(shù)據(jù)0，而沒收到脈沖串則輸出高電平表示數(shù)據(jù)1。把解調(diào)得到的數(shù)據(jù)送到串行數(shù)據(jù)接收引腳RXD(P0.1)由串行口進(jìn)行處理。4 電能表的軟件設(shè)計(jì)4.1 電能表的主流程與模塊化程序設(shè)計(jì)MSP430C323的軟件設(shè)計(jì)需要實(shí)現(xiàn)電能的采集、計(jì)算、計(jì)費(fèi)、顯示、通信等功能。由于電表實(shí)現(xiàn)連續(xù)計(jì)量，因此主程序是一個循環(huán)處理，累加計(jì)算的過程，在這個循環(huán)過程中

27、不斷按照一定的機(jī)制調(diào)用各個功能模塊，實(shí)現(xiàn)不同的功能。主程序流程圖見圖8，這里需要說明的是：（1）主流程由看門狗復(fù)位啟動執(zhí)行，在完成所有任務(wù)后轉(zhuǎn)入低功耗模式，等待下一次看門狗復(fù)位喚醒，因此實(shí)現(xiàn)程序的循環(huán)；（2） 串行數(shù)字通信在RXD發(fā)現(xiàn)起始位時應(yīng)可以將CPU從LPM3模式中喚醒。現(xiàn)代軟件設(shè)計(jì)中的一個重要觀念就是軟件的模塊化設(shè)計(jì)，其優(yōu)點(diǎn)是功能明確，出錯率低、修改方便、維護(hù)容易，便于團(tuán)隊(duì)工作，有利產(chǎn)品推出速度等，因此在電能表的設(shè)計(jì)中，也可把軟件按不同的功能分解成大小不同的軟件模塊，這些模塊大致有： 系統(tǒng)的初始化模塊； 電壓電流數(shù)據(jù)采集和預(yù)處理模塊； 數(shù)據(jù)分析，功率、電能等電氣參數(shù)計(jì)算模塊； 分時計(jì)費(fèi)

28、模塊； 液晶顯示模塊； 紅外串行通信以及發(fā)送數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、接收數(shù)據(jù)處理模塊；E2PROM的讀寫模塊。NN復(fù) 位通 信？采樣結(jié)束？進(jìn)入LPM3電量計(jì)算初始化數(shù)字通信有參數(shù)修改NYY修改參數(shù)Y 圖8 主流程圖4.2 電能測量模塊的設(shè)計(jì)計(jì)量原理的選擇：（1）基于電能測量基本原理的計(jì)量方法單相電能測量的理論依據(jù)是 （41）其離散形式為: （42）式（41）與式（42）中的和均為瞬時功率，等于計(jì)量時刻電壓和電流瞬時值的乘積。 若采用式（42）提示的方法設(shè)計(jì)軟件模塊，勢必導(dǎo)致如下的結(jié)果：a.電壓和電流都是快速變化的物理量，為保證測量的準(zhǔn)確性，對電流和電壓的采樣必須采用足夠高的采樣頻率； b.按照上述采樣頻率進(jìn)

29、行不間斷的電能和電費(fèi)計(jì)算，CPU必須總是處于活動方式。這樣，CPU用于電能電費(fèi)計(jì)算的開銷很大，因此測量模塊的設(shè)計(jì)應(yīng)該采用其它的方法。 （2）基于平均功率的計(jì)量方法 考慮到電能表負(fù)載具有如下的特點(diǎn)：負(fù)載的平均功率是比較平穩(wěn)的；平均功率的變化較少緩慢的過渡過程，由設(shè)備的投入或切出所導(dǎo)致的功率的變動在瞬間完成；瞬時功率具有周期性(100Hz )，因此可以利用這一特點(diǎn)快速求得平均功率。因此基于平均功率方法的電能測量模塊的設(shè)計(jì)思想如下：選取較大的電能測量周期(如1秒)；在計(jì)量周期中利用瞬時功率的周期性，快速獲取平均功率；按平均功率與計(jì)量周期的乘積計(jì)算電能的增量并執(zhí)行能量累計(jì)，完成各項(xiàng)功能后，CPU在計(jì)量

30、周期余下的時間內(nèi)進(jìn)入低功耗方式。4.3 電能計(jì)費(fèi)模塊的軟件設(shè)計(jì)BTCNT2中斷電流/電壓？存i(n-1)u(n)計(jì)算電能增量并累計(jì)u(n-2)=u(n)RET設(shè)置BTCNT2按2048Hz中斷110點(diǎn)累計(jì)完成？停止BTCN2計(jì)算平均功率計(jì)算秒電能增量分時計(jì)費(fèi)NY圖9 電能計(jì)算流程圖8的主流程中的電能計(jì)算部分可細(xì)化為 圖9的流程圖，左邊的流程嵌入主流程中，每秒種執(zhí)行一次，右邊是2048Hz的中斷服務(wù)程序。注意在電能表中得到的A/D值除了電壓電流外，還有中線電平和由LM385-2.5提供的2.5V標(biāo)準(zhǔn)電壓。電壓和電流輸入腳上得到的A/D值要經(jīng)過以下的處理才能得到進(jìn)入電能計(jì)算的數(shù)據(jù)：a.減去中線電平

31、的A/D值；b.根據(jù)2.5 V標(biāo)準(zhǔn)電壓的A/D值進(jìn)行修正。4.4 E2PROM讀寫模塊的設(shè)計(jì)電能表中使用I2C總線方式與E2PROM相連接，可以在掉電時有效地保護(hù)重要數(shù)據(jù)，由于MSP430系列單片機(jī)不具備I2C總線接口，因此必須通過I/O模擬實(shí)現(xiàn)13,14,15。4.4.1 I2C接口的模擬電能表設(shè)計(jì)中MSP430在與FM24C16的I2C總線通信中顯然是作為主器件而作用的，在沒有專門的I2C接口模塊的情況下，采用P0.6與P0.7模擬I2C接口，其示意圖見圖5。4.4.2 液晶顯示模塊電能表液晶顯示和程序設(shè)計(jì)，主要是對MSP430C323內(nèi)各種寄存器和顯示緩存中的信息進(jìn)行操作。MSP430中

32、含液晶控制寄存器、液晶顯示緩存器、段輸出控制、公共端輸出控制、液晶模擬電壓多路器及時序發(fā)生器等，其程序流程圖10。開 始關(guān)看門狗初始化段和公共端設(shè)置時序發(fā)生器返 回清顯示緩沖送顯示20進(jìn)制轉(zhuǎn)換 圖 10 液晶顯示流程圖4.4.3 紅外通信模塊 電能表與手持抄錄器的紅外通信程序的協(xié)議采用多功能電能表通信規(guī)約(DL/T645-1997)，它規(guī)定了電能表與手持抄錄器之間的通信方式為主從結(jié)構(gòu)的半雙工通信。手持抄錄器為主站，多功能電能表為從站，通信鏈路的建立與解除均由主站發(fā)出的信息幀來控制。多功能電能表通信規(guī)約的實(shí)施，改革了人工抄表，抗干擾能力，從而提高了通信的可靠性。4.4.4 主站(手持抄錄器)的紅

33、外通信程序 手持抄錄器作為紅外通訊的一部分，在此給出手持抄錄器的紅外通信流程圖。在主站通信程序中，抄表器首先進(jìn)行波特率、通訊端口、數(shù)據(jù)位等初始化設(shè)置，然后向電能表發(fā)送三個字節(jié)的FEH以“喚醒”電能表。然后抄表器向電能表請求讀取其地址(表號)，如果電能表的地址與抄表器的地址不符合，抄表器退出通信并報出相應(yīng)的錯誤標(biāo)志。如果地址符合，則抄表器將要發(fā)送的數(shù)據(jù)依次填入發(fā)送緩沖區(qū)，然后調(diào)用通信發(fā)送子程序與接收子程序。當(dāng)抄表器收到電能表發(fā)送來的數(shù)據(jù)后，首先判斷接收到的數(shù)據(jù)是否正確，如果正確則將數(shù)據(jù)填入接收緩沖區(qū)，如果不正確，將重新發(fā)送。然后繼續(xù)發(fā)送緩沖區(qū)內(nèi)下一幀數(shù)據(jù)，直到發(fā)送緩沖區(qū)內(nèi)數(shù)據(jù)全部發(fā)送完畢，退出通

34、信，抄錄器通信流程見圖11。4.4.5 從站(電能表)的紅外通信程序 當(dāng)主站(手抄錄器)向從站(電能表)發(fā)送讀數(shù)據(jù)幀后，進(jìn)入接收電能表響應(yīng)狀態(tài)，接收電能表響應(yīng)數(shù)據(jù)幀。在電能表一側(cè)，首先也需要對波特率、通信端口、數(shù)據(jù)位等初始化設(shè)置，然后讀取手持抄錄器發(fā)送的地址(表號)，如果地址不符合電能表數(shù)據(jù)庫當(dāng)前記錄中的地址，則向手持抄錄器發(fā)送異常應(yīng)答幀，如果地址符合，則準(zhǔn)備接收手持抄錄器的請求信息，接收到信息后根據(jù)請求的命令進(jìn)行設(shè)置或向手持抄錄器發(fā)送數(shù)據(jù)，隨后將要發(fā)送的數(shù)據(jù)依次填入發(fā)送緩沖區(qū)，調(diào)用發(fā)送子程序和接收子程序，全部操作完畢后退出通信，流程圖12。N開 始喚醒電能表送電能表地址接受電能表的應(yīng)答幀地址

35、是否相同填寫發(fā)送緩沖區(qū)發(fā)送子程序接收子程序接收數(shù)是否正確填寫接收緩沖區(qū)接收完畢退出通信是否重發(fā)YNNYNYYY圖11 手持抄錄器紅外通信流程圖開 始接收電能表地址地址是否正確接收主站的請求幀讀數(shù)據(jù)請求幀填寫發(fā)送緩存區(qū)發(fā)送子程序接收子程序接收主站應(yīng)答幀是否重發(fā)退 出發(fā)送異常幀進(jìn)行電能表的響應(yīng)和控制NNNYYY圖12 電能表紅外通信流程圖5 總結(jié)智能儀器儀表作為一種智能系統(tǒng)，智能型多費(fèi)率電能表作為一個智能型器件，十分適用于高層建筑、密集的住宅區(qū)等密集用戶區(qū)的集中管理，本設(shè)計(jì)方案采用低功耗器件，成本較低，便于集成。智能系統(tǒng)是一個復(fù)雜系統(tǒng)，其核心在于微處理器，一般包含微處理器、人機(jī)界面、A/D轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)換等基本功能部件。本論文工作對基于MSP430系列單片機(jī)的數(shù)字電能表的設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究