單片機(jī)在礦山電氣系統(tǒng)中的應(yīng)用-訂單09-2

1、.PAGE ：.；PAGE 8山 東 科 技 大 學(xué)信 息 與 電 氣 工 程 學(xué) 院 課 程 設(shè) 計(jì) 報(bào) 告電氣工程及其自動(dòng)化定單09-2班 單片機(jī)在礦山系統(tǒng)中的運(yùn)用設(shè)計(jì)課題稱號(hào) 單相單用戶電能表設(shè)計(jì) 姓名 華文強(qiáng) 學(xué)號(hào) 0901100205 聯(lián)絡(luò)方式 84970270 指點(diǎn)教師劉慶雪開課學(xué)期 2021 至 2021 學(xué)年第一學(xué)期提交時(shí)間 2021 年 1 月 6 日1概述1 2主要特點(diǎn)和引腳功能113 AS8228的內(nèi)部構(gòu)造23.1 能量丈量前端33.2 微控制單元MCU43.3 液晶顯示驅(qū)動(dòng)(LCDD)53.4 串行外設(shè)接口(SPI)53.5 系統(tǒng)控制模塊(SCT)63.6 系統(tǒng)計(jì)時(shí)和實(shí)

2、時(shí)時(shí)鐘模塊64 AS8228運(yùn)用電路設(shè)計(jì)65終了語8 1 概述 電子式電能表在未來幾年內(nèi)將成為電能表市場(chǎng)的主流產(chǎn)品，而電能表內(nèi)部的計(jì)量IC是表達(dá)整表性能、功能和價(jià)錢的中心。美國(guó)和歐洲電子式電能表器件的主要供應(yīng)商奧地利微電子公司(Austria Microsystems)推出了功率計(jì)量集成電路AS8228。該器件內(nèi)部集成有準(zhǔn)確的單/雙路電流輸入能量丈量前端、8位8051兼容微控制單元MCU、96段液晶顯示驅(qū)動(dòng)(LCDD)、12個(gè)可編程多功能輸入/輸出腳(I/Os)、4線串行外設(shè)接口(SPI)、系統(tǒng)控制模塊(SCT)以及由外部備用電池供電的實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC),基于AS8228的單相電子式電能表完全

3、滿足國(guó)際規(guī)范TEC62052和ANSI中的目的。不僅提高了能量計(jì)量可靠性，保證了計(jì)量產(chǎn)品在功能設(shè)計(jì)上的靈敏性,而且極大簡(jiǎn)化了計(jì)量系統(tǒng)的開發(fā)。2 主要特點(diǎn)和引腳功能1AS8228的主要特點(diǎn)如下：準(zhǔn)確的能量丈量前端為單相，單/雙路電流輸入，包括-A/D轉(zhuǎn)換器和數(shù)字信號(hào)處置器，丈量誤差小于0.1%。動(dòng)態(tài)范圍到達(dá)1000：12;兩電流通道可進(jìn)展數(shù)字相位校準(zhǔn)和增益放大倍數(shù)選擇：內(nèi)置的電源監(jiān)視器用于上電復(fù)位和掉電監(jiān)測(cè)：可編程的工業(yè)規(guī)范8位8051兼容微控制器,配置了24 KB的程序RAM和1KB的數(shù)據(jù)RAM：兩個(gè)專為訪問和調(diào)試目的配置的通用異步收發(fā)器(UART)：可編程看門狗定時(shí)器：可進(jìn)展片上數(shù)字校準(zhǔn),外

4、部備用電池供電的實(shí)時(shí)時(shí)鐘/日歷，能直接向微控制器提供日期、時(shí)間及警報(bào)數(shù)據(jù)，數(shù)字刻度優(yōu)于610-6;外部單獨(dú)的電池電源引腳和系統(tǒng)復(fù)位引腳;小溫度系數(shù)的參考電壓，典型值為30 x10-6/k;低功率3.0 MHz4.0 MHz的晶體振蕩器;96段規(guī)范的片上LCDD接口：12個(gè)可編程多功能輸入/輸出引腳。用于數(shù)據(jù)傳輸方向、上拉/下拉電阻器和驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度選擇;功率丈量時(shí)可進(jìn)展主電流超前或滯后主電壓形狀指示;規(guī)范的SPI接口能從外部非易失存儲(chǔ)器(E2PROM )中讀/寫數(shù)據(jù);存儲(chǔ)溫度范圍：-55+125，正常任務(wù)溫度范圍：-40+85。AS8228采用64引腳LQFP封裝，各引腳功能如下：VP，VN(1,2

5、)：電壓通道的差模模擬輸入，范圍是100 mV;11P，11N(3，4)：電流通道1的差模模擬輸入，范圍是+150 mV(PGA設(shè)置為4時(shí));12P,12N(5，6)：電流通道2的差模模擬輸入，范圍是150 mV(PGA設(shè)置為4時(shí));VDDA(7)：模擬電源，3.3 V10%供電;VSSA(8)：模擬地，OV供電;IO0IO11(912，1519，2628)：可編程多功能輸入/輸出口;VDDD(13，22)：數(shù)字電源，3.3 V10%供電;VSSD(14，21)：數(shù)字地，O V供電;SI(20)：外部存儲(chǔ)器接口(串行數(shù)據(jù)輸入腳);S N(23)：外部存儲(chǔ)器接口(片選信號(hào)，低有效);SO(24)

6、：外部存儲(chǔ)器接口(串行數(shù)據(jù)輸出腳);SO(25)：外部存儲(chǔ)器接口(串行時(shí)鐘輸出腳);TXD,RXD(29，30)：通用異步收發(fā)器UART1發(fā)送、接納端;VDD_BAT(31)：后備電池電壓輸入端，2.0 V3.6 V供電;XIN,XOUT(32，33)：時(shí)鐘輸入，外接3.0 MHz4.0 MHz晶體振蕩器，典型值為3.579 545 MHz;RES_N(34)：系統(tǒng)復(fù)位端，低有效;LBP0LBP3(37，38，39，40)：LCD塊驅(qū)動(dòng)輸出公共端;LSDOLSD23(4164)：LCD段驅(qū)動(dòng)輸出端。3 AS8228的內(nèi)部構(gòu)造圖1所示為AS8228的內(nèi)部構(gòu)造框圖。AS8228片內(nèi)提供了單相計(jì)量所

7、要求的全部功能模塊，包括能量丈量前端、工業(yè)規(guī)范的8位8051兼容微控制器MCU、系統(tǒng)計(jì)時(shí)與實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊、系統(tǒng)控制模塊、96段LCDD以及12個(gè)可編程多功能輸入/輸出引腳和規(guī)范的SPI接口。3.1 能量丈量前端準(zhǔn)確的能量丈量前端是由模擬前端(AFE)和可編程DSP組成模擬前端有3路差模模擬輸人，專門用于主電壓、單路電流(相電流)或兩路電流(相電流和中性點(diǎn)電流)的丈量。兩路輸入電流先經(jīng)可編程增益放大器(PGA)進(jìn)展增益放大，然后經(jīng)-A/D轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)字信號(hào)。輸出結(jié)果和經(jīng)-調(diào)制器采樣的輸入電壓分別經(jīng)過三個(gè)可選的補(bǔ)償濾波器，該濾波器補(bǔ)償經(jīng)過前面濾波器所產(chǎn)生的幅值損耗，再經(jīng)過三個(gè)可選的高通濾波器除去在有

8、效值和電能計(jì)算之前電流和電壓中的直流成分，高通濾波器的轉(zhuǎn)機(jī)頻率小于10 Hz。濾波后的電壓、電流值先用于功率計(jì)算。然后再校準(zhǔn)計(jì)算有效值。 兩路電流可經(jīng)過兩電流傳感器或一只分流電阻和一個(gè)電流傳感器獲取，這樣可確保在任何一個(gè)竊電銜接安裝有所改動(dòng)時(shí)，即包括接人和接出的相互轉(zhuǎn)換、相和中性點(diǎn)的相互轉(zhuǎn)換、中性點(diǎn)吊銷或同時(shí)出現(xiàn)這幾種情況時(shí)，電表依然可以丈量和記錄電能3。內(nèi)部增益放大器的增益可編程選擇4、16或20。中選擇不同的PGA時(shí)，輸入差模電壓的范圍不同，獲取電流的途徑也不一樣，如表1所示。電壓的獲取可經(jīng)過低本錢的電壓分阻網(wǎng)絡(luò)，使差模輸入在額定條件下為100 mV。計(jì)算功率時(shí)，電流取恣意一路或兩路中較大

9、的一路電路，電壓取線路電壓或內(nèi)部設(shè)定的一常數(shù)電壓值(默以為083Dh，等效主電壓311 V)。有功功率由瞬時(shí)功率經(jīng)過低通濾波器獲得，低通濾波器的截止頻率為18.6 Hz。假設(shè)設(shè)計(jì)成傳統(tǒng)的單相電流計(jì)算，那么只接電流通道1取相電流，通道2不銜接。片上DSP對(duì)ADC輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)展濾波處置,為MCU提供適宜的數(shù)據(jù)和協(xié)議。再由電表消費(fèi)廠商對(duì)MCU自在編程實(shí)現(xiàn)電表要求的一切功能，包括有功功率、無功功率、視在功率、主電壓有效值、主電流有效值和功率因數(shù)等。計(jì)量廠商可根據(jù)要求設(shè)計(jì)產(chǎn)品，保證了靈敏性。DSP內(nèi)部有儀表數(shù)據(jù)存放器(MDR)和設(shè)置存放器(SREG)。MDR中存儲(chǔ)最新的數(shù)據(jù)供MCU處置，共有5個(gè)，如表2

10、所示。SREG對(duì)電表的相關(guān)參數(shù)進(jìn)展設(shè)置和指示，共13個(gè)，如表3所示。內(nèi)部參考電壓為整個(gè)電路提供溫度穩(wěn)定性,確保AS8228的丈量精度。內(nèi)置的電源監(jiān)視器(PSM)確保當(dāng)電源電壓上升和下降時(shí)，系統(tǒng)能獨(dú)立產(chǎn)生復(fù)位。3.2 微控制單元MCU微控制單元MCU與規(guī)范的8051微控制器兼容，內(nèi)含一個(gè)微處置器核、程序存儲(chǔ)器(P_RAM)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(X_RAM)、內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(I_RAM)、方根計(jì)算單元、計(jì)數(shù)器Timer0和通用異步收發(fā)器UART2。其內(nèi)部構(gòu)造如圖2所示。微控制單元MCU有如下特點(diǎn)：采用了Von Neumann構(gòu)造。程序和數(shù)據(jù)單元地址部分共享：比規(guī)范的8051更優(yōu)化的時(shí)鐘周期。部分指令可以在

11、單個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成：8051規(guī)范的16位計(jì)數(shù)器Timer0和RS232串口UART1：特殊功能存放器：通用異步收發(fā)器UART2，方根模塊SQRT：完全兼容8051指令系統(tǒng)：7個(gè)內(nèi)部中斷源：每條指令占用6個(gè)時(shí)鐘周期(規(guī)范的8051那么為12個(gè)時(shí)鐘周期)。3.3 液晶顯示驅(qū)動(dòng)(LCDD)LCDD幾乎可以直接驅(qū)動(dòng)244段任何類型的液晶(LCD)。LCD的數(shù)據(jù)存放器有兩組，用于輪番接納和存儲(chǔ)將要送去顯示的信息。LCDD的控制模塊選擇某一組存放器，將信息譯碼，并適時(shí)地送到相應(yīng)的段顯示，使編程簡(jiǎn)單化。調(diào)理LCD對(duì)比度的電壓值為均分在2.5 V3.0 V的8個(gè)值中的一個(gè),經(jīng)過存放器selvlcd2：0選取。

12、LCD的段和公共端的驅(qū)動(dòng)電壓有4個(gè)，分別選定電壓值的0、1/3、2/3和l。3.4 串行外設(shè)接口(SPI)串行外設(shè)接口是一個(gè)同步、位串聯(lián)的4線接口，全雙工傳輸數(shù)據(jù)，用于直接與外部E2PROM通訊。通訊時(shí)，SPI與E2PROM有嚴(yán)厲的主從關(guān)系，系統(tǒng)啟動(dòng)后，引導(dǎo)裝入程序控制SPI自動(dòng)讀取E2PROM中的內(nèi)容,然后才可對(duì)MCU編程。其主要特點(diǎn)如下：規(guī)范的4線同步串口(SI，SO，SC，s_N);只運(yùn)轉(zhuǎn)在主方式下;8位的字長(zhǎng);SC空閑時(shí)為高電平;先發(fā)送最高位;4個(gè)可供選擇的時(shí)鐘配置;SPI時(shí)鐘分辨率可在mcu_clk/2mcu_clk/65536之間選擇：3個(gè)可屏蔽中斷：傳輸完成，溢出和傳輸碰撞。當(dāng)S

13、 N=0時(shí),數(shù)據(jù)在SC的下降沿輸出，上升沿輸入。其時(shí)序如圖3所示。SPI由4個(gè)存放器對(duì)其進(jìn)展管理，分別為控制存放器(SSPCON)、時(shí)鐘配置存放器(SSPCLKDIV)、形狀存放器(SSPSTAT)和數(shù)據(jù)存放器(SSPBUF)，地址空間范圍為：9400h9403h。3.5 系統(tǒng)控制模塊(SCT)SCT在處置不同的運(yùn)轉(zhuǎn)方式(正常方式、測(cè)試方式)，時(shí)鐘產(chǎn)生和復(fù)位控制等方面起作用。內(nèi)部異步收發(fā)模塊UART1提供AS8228與外部通訊的接口，包括寫入程序和數(shù)據(jù)。E2PROM中的程序就是直接經(jīng)過UART1端口RXT寫入的，也可經(jīng)過UART2和MCU寫入,但此時(shí)需求一個(gè)公用的NCU程序處置此數(shù)據(jù)流和指定公

14、用的I/O口作為,AS8228與外部通訊的接口。當(dāng)然，要從E2PROM中讀取數(shù)據(jù)，也可以經(jīng)過UART端口。傳輸協(xié)議為：3.6 系統(tǒng)計(jì)時(shí)和實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊系統(tǒng)計(jì)時(shí)和實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊內(nèi)部包含低功率晶體振蕩器(LP_OSC)，低功率分配器(LP_DIV)和實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊(RTC)。當(dāng)外部電源VDD供電中斷時(shí)，由AS8228的VDD_BAT引腳外接3.3 V后備電池供電。低功率振蕩器外接3.0 MHz4.0 MHz的晶體振蕩器，提供系統(tǒng)時(shí)鐘。振蕩器可任務(wù)在兩種方式：正常方式和低功率方式。低功率方式時(shí)電路其他部分不任務(wù)。低功率分配器先將振蕩器提供的主時(shí)鐘除以固定值5作為可編程分配器輸人，經(jīng)過設(shè)置相關(guān)的存放器對(duì)輸入

15、時(shí)鐘進(jìn)展分割，給實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊提供1 Hz的信號(hào)。時(shí)鐘模塊與MCU之間經(jīng)過公用的接口存放器相連。4 AS8228運(yùn)用電路設(shè)計(jì) 圖4是AS8228在電能計(jì)量中的典型運(yùn)用電路。3.3 V的任務(wù)電源是經(jīng)過電壓調(diào)理電路直接從線路上獲得。通道1的電流是用一個(gè)分流電阻獲取，分流電阻的大小與PGA的選取和主電流大小均有關(guān)。假設(shè)PGA=20,主電流的有效值Irms=60 A，那么分流電阻Rsh=30 mV/(21/260 A)=354。通道2的電流是電流傳感器獲取，電流傳感器的次級(jí)繞阻輸出負(fù)載阻抗大小與額定條件下其二次側(cè)電流有效值和,PGA的選取有關(guān)。假設(shè)電流傳感器的型號(hào)為60 A/24 mA,PGA=4，那么

16、輸出負(fù)載阻抗， 選擇4.3 。 假設(shè)電壓通道接入的電壓有效值為230 V，那么由電壓分阻網(wǎng)絡(luò)可得： 12個(gè)輸入/輸出端可以指定為輸入或輸出。它經(jīng)過相關(guān)的存放器編程設(shè)置數(shù)據(jù)傳輸方向、上拉或下拉電阻以及驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度(4 mA或8 mA)。存放器總共5類，分別為：配置存放器、輸入存放器、輸出存放器、脈沖計(jì)數(shù)存放器和形狀存放器,地址空間范圍為9500h951Fh。本設(shè)計(jì)恣意選擇三個(gè)端口分別用于校表、能量方向指示、電流通道1或通道2選擇。與SPI接口銜接的E2PROM必需滿足AS8228對(duì)外部存儲(chǔ)器的最低要求：典型的SPI引腳：EEP_SI、EEP_SO、EEP_SC、EEP_S_N;為了滿足當(dāng)mcu_cl

17、k最大為4 MHz時(shí)，程序被正確的引導(dǎo)裝入,串行輸入時(shí)鐘1 MHz。形狀存放器如下所示：BP0，BP1用于指定維護(hù)數(shù)據(jù)塊的大小，如表4所示。從表中可以看出，所指定維護(hù)數(shù)據(jù)塊的大小依賴于詳細(xì)E2PROM的大小。b0位必需是WIP，指示能否正在對(duì)E2PROM進(jìn)展寫操作：引導(dǎo)裝入程序經(jīng)過配置至少要有4條指令(WREN、RDSR、READ和WRITE)下載用戶程序，系統(tǒng)控制單元經(jīng)過兩條指令(READ_和WRITE_P)上載用戶程序和數(shù)據(jù)到E2PROM;E2PROM運(yùn)轉(zhuǎn)有兩種方式：CPOL=O,CPHA=0和CPOL=1，CPHA=1(引薦)。在CPOL=1，CPHA=1方式下，數(shù)據(jù)在SC的下降沿輸出，上升沿輸入;空閑時(shí)，SC為高電平;數(shù)據(jù)循環(huán)存放，即當(dāng)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的地址到達(dá)存儲(chǔ)器的最大地址時(shí)。地址指針指向0000h;程序的長(zhǎng)度放在地址內(nèi)容的最高兩位，數(shù)據(jù)讀寫時(shí)先取指令、地址，再傳輸數(shù)據(jù)長(zhǎng)