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电子式多功能电能表设计论文
电子式多功能电能表设计论文 本文阐述了电子式多功能电能表的设计方法、硬件设计的技术关键和软件 设计流程。并以NEC的uPD78F0338单片机为例,实现了一款具有四种费率、六条 负荷曲线和两套费率结构的三相四线电子式多功能电能表 电子式多功能电能表主要针对国内市场三相用电的工业用户。随着电力行 业改革深入,工业三相用电对多功能电能表的需求大量增加。目前国内多功能表 种类少、价格较高、功能不完善,往往仅是针对某些地区的特定要求开发,缺乏通 用性,某些产品未能完全达到国标的要求。本文介绍的电子式多功能电能表正是 为了适应这种市场需求而设计的。这是一款智能型高科技电能计量产品,该表可以同时计量正/反向有功电能、 正/反向无功电能、四象限无功电能,还具有多费率控制,负荷曲线记录,各相失压、 过压、频率超限记录,数据LCD显示等多种功能。主站可以通过RS-485总线或手 持红外抄表器对该电表进行查表、设表、抄表等操作。
软件代码全部采用C/C++语言编写,编码效率高,可维护性好,便于实现模块 化设计,可根据用户的需求方便地对功能模块进行裁剪。而且代码经过优化,其生 成的目标代码大小和执行效率已与汇编代码相差无几。该产品的技术指标全面符 合GB/T17215-1998《1级和2级静止式交流有功电度表》、DL/T614-1997《多功 能电能表》和DL/T645―1997《多功能电能表通信规约》的要求。
多功能电能表的总体结构和硬件设计 多功能表总体结构 电子式多功能电能表硬件的核心MCU主控制器,它负责按键输入扫描、工 作状态检测,计量数据的读入、计算和存储、电表参数的现场配置以及与外界的 通信控制等。其主要功能单元包括MCU主控制器单元、电量计量模块、红外和 RS―485通信模块、校表模块、EEPROM存储阵列等;其他辅助模块主要有:时钟 日历电路、工作异常报警电路、按键输入电路、复位和看门狗电路、开关电源模 块和后备电池电路、大屏幕液晶显示模块和LED显示模块。多功能表总体结构框 图如图1所示。
高性能主控制器单元主控制器采用NEC公司8位单片机中的高档产品uPD78P0338。该款单片机 为120脚QFP封装,单片集成有60KBFlash、一个异步通信串行口、40x4段LCD驱 动器、高达10MHz的总线时钟和10路10位精度的ADC,并可通过简单的接口进行 在系统编程,极大地方便在线调试和软件升级。并且支持高级语言,较好地满足了 多功能表任务繁多、数据量庞大、算法较复杂的功能要求。
串口复用通信单元 通信电路模块主要包括TSOPl838红外接收头、红外发射二极管、载波电 路、MAX487专用485收发电路、驱动/开关二极管和其他元件。
本电能表为便于用户抄表,设计有红外本地抄表和RS-485集中抄表两种串 行抄表方式,因为uPD78F0338仅有一个串口,故通信电路设计时采用串口复用技 术。由9012、9014和若干电阻等器件组成互补开关,由MCU的一个I/O口来控制红 外和RS-485通信方式的切换,如图2所示。
高精度电量计量模块 计量模块由高精度专用电能计量芯片SA9904,电流互感器和其他外围电路 元件组成。SA9904是Sames公司生产的一款三相双向功率/电能计量芯片,可以计 量有功/无功功率、电压、频率、相序异常等,可以单独计量每一相的用电信息, 符合IEC521/1036标准,可达到1级交流电能表的精度要求,各数据寄存器具有24位 精度,可通过三线SPI接口与CPU交换数据。从而可以较好地适应多功能表需要计 量多种电量数据的要求。SA9904引脚及其外围电路图如图3所示。
其中,CLK、DO、DI构成与MCU控制器的接口,用于传输控制命令和测得 的电量数据,IIps、IIPt、IIPr用来对电流取样,IVPl、IVP2、IVP3用来对电压取样。
时钟日历模块 时钟电路采用EPSON生产的RTC-4553实时时钟芯片。内部集成了 32.768kHz的石英晶体振荡器,简化外围电路,并可以根据需要进行自由设置以得 到较高的频率;同时集成有时钟和日历计数器,可选择24或12小时显示模式,时钟 可通过软件方式进行间隔30秒的调整,并提供0.1Hz或1024Hz的定时脉冲输出,以 便于在电能表的外部对时钟精度进行定期检查。RTC-4553引脚及其外围电路图 如图4所示。其中,SCK、Sin、Sout与主处理器接口,用于发送控制指令或者传输日期时 间数据,本系统日历时钟模块采用电池作后备电源,以确保在停电状态下,日期时 间的准确无误。
多功能电能表的软件设计 数据结构设计 多功能电能表涉及的数据类型种类繁多。按字节分包括单字节、双字节、 三字节、四字节和六字节等,按表征的意义分有时间、时刻、电压、电流、有功 功率、无功功率、有功电能、无功电能、次数、功率因数、门限、状态字、系数、 表号等。复杂的数据类型对数据结构的设计提出了较高的要求,本实现方案通过 采用多种数据寻址方式和多种类型存储器较好地解决了这一问题。
数据结构设计要点 系统的数据存放方式有:内部ROM、RAM和外挂EEPROM。
内部ROM用来存放大量的常数表格,RAM用于存放临时变量和堆栈,本方 案需要2.5KB左右的RAM,串行EEPROM则存储各种用户电量数据和设表参数,通 过12C总线与CPU交换数据,电能表按设计需求的最大要求大约需要250KB的 EEPROM,本方案采用8片256位EEPROM通过级联来实现。
数据寻址方式 EEPROM数据访问采用两种方式;直接地址访问,通过数据的EEPROM地 址直接读写数据;数据ID寻址,通过数据的编码读写数据。
通信口复用功能设计 红外通信和RS-485共用一个串行口(RxD/TxD)通信,由于串行口通信开始 都有一低电平位(0),因此将红外接收端(与485接收端用一三极管隔开)引到一中断 引脚INTP1,通过其引发的中断可判断串行口数据是否来自红外。发送时按时应方 式发送,使其不互相干扰。由于红外通信和遥控接收用同一接收管,因此在判断红 外来源的中断中启动定时器INTTM4检测红外接收端,如果检测到脉冲宽度为9ms 或0.56ms,则判断为红外遥控,并根据定时检测遥控编码;否则判断为红外产生的 串行口接收中断,并将定时检测关闭。红外38.4kHz调制信号由CPU内部分频输出(P05/PCL)。
f=fx/27=4.9152/128=38.4kHz。
因红外发送字节之间可选有15～20ms的延时,而485通信则不需要延时。数 据发送在发送中断中进行,红外通信在发送操作后立即关闭发送中断允许,待延时 时间到后再允许发送中断。
多功能表程序流程图 多功能表主程序流程主要包括初始化、数据校验、负荷曲线修补和事务处 理等,其流程图如图5所示。
日常事务处理流程集中体现了多功能表的大部分主要功能,包括费率处理、 计量数据采集及处理、自动抄表、电能脉冲输出、校表模块和掉电检测及处理模 块等,其流程图如图6所示。
