（系统工程专业论文）基于71M6513的三相多功能电能表设计.pdf

硕十学位论文 摘要 目前，市场上挂网运行的多功能电能表多采取“专用计量芯片+ m c u 的双核 结构解决方案。这种结构下的电能表功能较为齐全、性能比较优越。但双核模式必 然带有核与核之间的匹配以及数据传输可靠性等多方面的问题，并且由于采取通用 的m c u ，系统整体芯片数量较多，电能表的成本很难从根本上降下来。本文研究的 目的在于进一步降低电能表的生产成本、提高系统运行的可靠性。 基于7 1 m 6 5 1 3 的可靠工作性能，本文采取一种单芯片s o c ( s y s t e mo nc h i p ) 的电能表解决方案，基于该方案设计的三相多功能电能表性能优越、工作可靠、功 能多样，拥有多参数计量、实时时钟和复费率、事件记录、负荷记录、按键显示、 电能脉冲输出、光电和r s 4 8 5 通信等功能，并且成本低廉，具有广阔的市场应用 前景。 全文共分为7 部分：第l 章为绪论，简要介绍电能计量仪表的发展历程，分析 当前多功能电能表的研究现状及其发展趋势，探讨基于高性能单芯片s o c 的电子式 多功能电能表的研究意义，并指出本论文的工作设计重心；第2 章详细介绍多功能 电能表的主芯片7 l m 6 5 1 3 的结构、特点、工作原理以及芯片在电能表设计应用中的 优缺点，探讨基于该芯片的三相多功能电能表的功能设计和系统硬件结构设计；第 3 章详细探讨电能表的计量单元部分的设计；第4 章介绍基于7 1 m 6 5 1 3 的多功能电 能表的软件开发环境和运行平台，探讨系统软件的模块化设计原则，着重阐述系统 的管理软件设计；第5 章进行电能表的误差分析和修正以及系统的可靠性设计；第 6 章主要探讨电能表的计量检验方法，给出电能表平衡负载下有功基本误差的样表 检验数据，并介绍该电能表的运行情况；结论部分总结全文的工作，并指出后续工 作方向。 实际测试和运行表明，作者设计的基于7 1 m 6 5 1 3 的三相多功能电能表工作可 靠，计量与管理功能均满足国际国内有关标准的要求。 关键词：电能表；多功能；7 1 m 6 5 1 3 ；i e c 6 2 0 5 6 2 l ；模块化设计：比差；角差 a b s t r a c t a tp r e s e n t ，t s p e c i a lm e a s u r ec h i p + m c u “d u a l - c o r es t 】m c t u r es 0 l u t i o n l st a k e n 时m o s t o ft h em u l t i m n c t i o ne n e r g ym e t e r i th a sc o m p l e t e6 m c t i o n s a 1 1 ds u p e r i o rp e r f o 衄a n c e s b u t t h em e t e rh a sm a n yp r o b l e m sa sm em a t c h i n go ft w oc o r e sa n dt h er e l i a b i l i t y o fd a t a t r a n s m i s s i o na i l ds oo n b yu s i n gt h ec o m m o nm c u ，t h eo v e r a l ls y s t e mh a sal a r g e rn 咖1 b e r o fc h i p s ，a n dt h ec o s to fm e t e rc a nn o tb er a d i c a l l yr e d u c e d t h ep u r p o s eo t 。t h i sp a p e r i st 0 内n h e rr e d u c et h ec o s ta n di m p r o v et h er e l i a b i l i t yo fs y s t e m t h i sp a p e ra d o p t e das i n 9 1 ec h i ps o c ( s y s t e m o nc h i p ) e n e r g ym e t e rs o l u t l o n lh et n r e e p h a s em u l t i 劬c t i o nm e t e r b a s e do nt l l i ss o l u t i o n h a sm a n ya d v 肌t a g e ss u c h a ss u p e n o rm p e f f o 衄a n c e ，r e l i a b l ei nw 0 r k i n g ，v e r s a t i l e i n 劬c t i o n i th a sm a n y 如n c t l o n ss u c ea s m u i t i p a r a m e t e rm e a s u r e m e n t ，r e a l t i m ec l o c ka n dm u l t i r a t e ，e v e mr e c o r d s ，l o a d r e c o r d s ， e l e c t r i cp u l s eo u t p u t ，o p t o e l e c t r o n i ca n dr s 一4 8 5c o 删【t l u i l i c a t i o n sa n ds 0o n b e c a u s e 0 tm e c h a r a c t e r i s t i c sa b o v ea i l dt h el o wc o s t ，i th a sa b r o a dm a k e tp r o s p e c t t h i st h e s i sc o n s i s t so f7c h a p t e r s t h e6 r s tc h 印t e r i n t r o d u c e dt h ed e v e l o p m e n tc o u r s eo t e n e r g ym e t e r a i l a l y s e dt h ec u r r e n tr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t 仃e n d0 f m u l t i - 如n c t l o nm e t e r ， d i s c u s s e dt l l e r e s e a r c hm e a n i n g o fe l e c t r o n i cm u l t i f m l c t i o n m e t e rb a s e do n a l l i g h p e 雨n 1 1 觚c es i n g l e c h i ps o c ，p o i n t e do u tt h e m a i nt a s k s0 fm i sp a p e r t h es e c o n d c h a p t e ri n t r o d u c e di nd e t a i lm es 帆c m r e a 1 1 dc h a r a c t e r i s t i c s 嬲w e l l 嬲、o r k l n gp n n c l p l e0 士 71m 6 513 ，e x p o u i l d e dt h ec h i p sa d v a n t a g e s 锄dd i s a d v a n t a g e si nt l l e 印p 1 1 c a t l o n ，d l s c u s s e d m ed e s i g no ft l l e 劬c t i o na n dh 矾w a r es t m c t u r eo f 她ep h a s em u l t i 劬c t l o nm e t e r l h e t h i r dc h a p t e rd e s 商b e dt h ed e s i g no fm e a s u r e m e n t u n i t 7 n l ef o u 曲c h a p t e ri n t r o d u c e dt h e s o 脚a r ed e v e l o p m e n te n v i r o 衄e n ta n do p e r a t i n gp l a t f o n i l ， d i s c u s s e dt l l ep n n c l p l e so 士 m o d u l a rs o r 、v a r ed e s i g l l ，f o c u s e do nt h ed e s i g i lo fs y s t e mm a n a g e m e n ts o r w a r e 。ih et l n h c h a p t e rd i s c u s s e dt h ee r r o ra n a l y s i sa n dc o r r e c t i o n ，a sw e l la st h er e l i a b i l i t ) rd e s i g n t h es i x m c h a d t e rf o c u s e do nt h em e a s u r e m e n tm e t h o do ft h em e t e rt e s t i n g ，g a v et l l e t e s td a t au n d e r a c t i v eb a l a n c el o a d ，i n t r o d u c e dt h eo p e r a t i o no ft h em e t e r f i n a l l y ，t h ew o r k i n g o ft h i st l l e s l s w a ss u m m a r i z e d a n dt h ei m p r o v e m e n tm e t h o d s w e r ep r o p o s e d - t h ep r o d u c t i o np r a c t i c e ss h o w st h a tt h i sm e t e r b a s e d o n71m 6 513w o r k sr e l i a b i l i t y ， m e e t sr e 】e v a n ts t a n d a r d sa th o m ea n da b r o a d k e y w o r d s ：e n e r 斟m e t e r ；m u l t i f u n c t i o n ； r a t i oe r r o r ；a n g l ee r r o r 7 i m 6 5 1 3 ：i e c 6 2 0 5 6 2 1 ；m o d u l a rd e s i g n ； 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者虢知、拍 日期獬年年月万日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“、”) 作者签名： 参i 屠够 刷唯轹浦形 日期：- o 宕年年月龋 日期：抄哆年月歹日 硕十学位论文 第1 章绪论 本章主要介绍电能表的发展历程，分析当前多功能电能表的研究现状及其发展 趋势，探讨基于高性能单芯片s o c 的电子式多功能电能表的研究意义，指出本论文 的工作设计重心。 1 1电能表的发展历程 自从1 8 8 0 年爱迪生利用电解原理研制出直流电能表以来，电能表至今已经走 过了一百多年的岁月。交流电能表的发展经历过如下几种类型： 1 1 1 感应式机械电能表 最早出现的交流电能表是根据旋转磁场理论制作的感应式电能表，经过一百多 年的不断改进和完善，感应式电能表的制造技术和理论己相当成熟。它是利用金属 铝转盘中感应的电流与通有交流电流的固定线圈的磁场相互作用，产生驱动力矩驱 动铝盘旋转，累计消耗的电能。感应式电能表具有制造简单、价格低廉等特点，因 此，至今在包括我国在内的许多发展中国家甚至是一些发达国家里，感应式电能表 仍作为一种计量工频电能的仪表被广泛使用。但是由于其计量由机械部件组成，计 量精度难以再进一步提高，计量功耗高，并且随着时间的推移，机械磨檫等各方面 因素会导致计量误差进一步增加。另外感应式电能表只能完成当前有功电能的计量 功能，功能单一。感应式电能表的这些无法克服的缺点使得其不能适应目前对电能 表高精度、高稳定度、多功能的要求。随着高性能全电子式电能表的推广应用，感 应式电能表将会逐步走入夕阳行业心一1 。 1 1 2 机电一体式电能表 随着微电子技术和计算机技术的发展，人们在感应式电能表基础上开发出了机 电一体式电能表，这种电能表是利用感应式电能表的电磁系统作为工作元件，使用 光电传感器对测量机构旋转元件的旋转次数进行计数，完成电能脉冲的采集，经微 处理器处理后，完成对电能数据的存储、显示以及控制等功能。由于加入了微处理 器，因此能够进行分时电价、需量电价等处理，并且能够加入通信单元，解决感应 式电能表必须人工抄表的限制。机电一体式电能表在国外已经形成成熟产品，并且 在2 0 世纪7 0 年代初开始在国外一些工业国家得到大面积的应用。相比于感应式电 能表，机电一体式结构在计量后端扩展出了很多功能，有着明显的优势。但是由于 其测量部分依旧采用感应式电能表的测量机构，因此它同样具有感应式电能表的准 基于7 l m 6 5 1 3 的三相多功能也能表设计 确度低、长期稳定性不好、测量参数单一等缺点。并且在计量过程中容易出现丢脉 冲的现象，导致机械计量部分同电子计量部分计量不一致，从而引起纠纷心 4 1 。 1 1 3 全电子式电能表 为了从根本上提高电能表的性能，2 0 世纪7 0 年代人们开始研究采用纯电子电 路来进行交流电能的计量，以取代机械测量机构。并于2 0 世纪7 0 年代后期发展起 来了全电子式电能表。但由于受当时的电子技术水平的制约，全电子电能表仅用于 标准表。随着电子技术的迅猛发展，电子器件的性能在2 0 世纪8 0 年代有了质的飞 跃，且价格大幅度下降，全电子式电能表在此基础上得到了长足的进步h 1 。 全电子式电能表用具有乘法功能的模拟乘法器电路或数字乘法器电路测量电 功率，输出对应的脉冲或数字，运用计算机技术实现各种运算与数据处理以及扩展 功能。由于基于数字乘法器的电子式电能表运用了d s p 等技术，在精度、线性度、 稳定度、抗干扰能力方面都优于模拟乘法器电路，因此具有更好的发展前景口1 。与 感应式电能表相比，全电子式电能表具有很大优势，其有如下一些特点陌 8 1 ： ( 1 ) 测量精度高。电子式电能表是采用电子乘法器实现对电功率的测量，使 其能够在较宽的电压、电流范围内实现1 o 级及以上高精度的电能测量。并且在整 个负荷范围内误差曲线比较平直，系统稳定度较高，每年的校验数据变化较小。 ( 2 ) 系统功耗低。以2 2 0 v 单相电能表为例，电子式电能表一般不超过1 0 m a 的电流，感应式电能表则有7 0 1 0 0 m a 。 ( 3 ) 多参数测量。一只电子式电能表可同时实现有功、无功及最大需量测量， 用一块表实现了有功、无功、需量三块感应电能表的测量功能。 ( 4 ) 抄表方便，可实现远程自动抄表。电子式电能表以液晶屏进行各种电表 参数的显示，抄表人员抄表时一目了然，也可以通过红外抄表器或掌上电脑抄表。 并且多数电子式电能表配有脉冲输出端子及数据通信接口，很容易实现电量数据的 采集与传送，以实现远程自动抄表。 ( 5 ) 易于实现功能扩展。电子式电能表采用单片机处理与控制技术，可方便 地实现正反向有功、感容性无功、四象限无功的累计和多月电量的存储，并依据 内部时钟分时计量，从而实现复费率功能。同时，又具有最大需量计算功能，并很 方便地改变需量积分周期和滑差时间。另外，根据需求，表计可实现用户负荷曲线 记录、失压次数记录、失压累计时间记录、接线方式判别、编程时间及次数记录、 异常情况报警等功能。 1 2 多功能电能表研究现状及发展趋势 近年来随着电能消费的急剧增长，电能浪费现象也日益严重起来，各国电力部 分纷纷决定推行峰谷分时电价和避峰电价措施，鼓励用户合理移峰用电。同时为了 2 硕十学位论文 更好地规划电能生产，以及更公平更合理地收取电能费用，电力部门希望得到用户 的需量数据、负荷记录以及功率因数等数据，以及实现自动抄表等，这些都对多功 能电能表的研制提出了要求呻 1 1 | 。 目前多功能电能表主要采取如下两种设计方案：第一种是“a d 采样 + d s p + m c u ”方案，通过a d 进行数据采样，再由d s p 对采样得到的数据运用电能 计量算法进行运算，m c u 专门负责进行电能数据- 的后续管理n 2 3 。另一种是“专 用计量芯片+ m c u ”方案，由专用计量芯片进行电能采集和计算，m c u 进行电能数 据的管理。专用计量芯片实际上也就是a d 采样+ d s p 的集成，因此第二种方案实 际上是由第一种方案发展而来的n 4 19 1 。在专用电能计量芯片应用早期，由于其计量 精度以及性能的限制，并且设计起来不够灵活，电能专用计量芯片并没有得到较多 地应用。随着芯片i c 设计技术的发展，计量芯片不断地推陈出新，功能也日益强 大，不仅具有完善的模拟采样效验功能，而且还引入强大的数字信号处理技术，电 能专用计量芯片的性能得到了极大地提高。国际上各大i c 制造厂家纷纷推出他们 在电能表领域的专用电能计量芯片。如a d i 公司推出的a d 7 7 5 x 系列，c i 盯u sl o g i c 公司生产的c s 5 4 6 0 系列等。以这些计量芯片为核心架构起来的电子式电能表目前 已经在实践中通过了测试并且投入使用当中乜引。 目前大多数全电子式电能表生产厂家基本上都是采取这种“专用计量芯片 + m c u 的双核结构的多功能电能表解决方案。这种结构下的电能表功能较为齐全、 性能优越。但是双核模式必然带有核与核之间的匹配以及数据传输可靠性等多方面 的问题，并且由于采取通用的m c u ，系统整体芯片数量较多，电能表的成本降不下 来，给电子式电能表的大范围应用带来了阻碍。 随着超大规模数模混合集成电路制造工艺与集成电路设计水平的迅速提高， s o c 的整体解决方案正在快速渗透至从工业领域到民用产品，从精密仪器到消费电 子的各个领域。对整个系统中多个核心器件与周边电路的高度集成不仅仅带来产品 体积的缩小、外围元器件的减少以及能耗的降低，更重要的是由于单个硅片上元器 件的高度一致性大大改善了整个产品的性能与可靠性。越来越多的模拟器件在s o c 中被数字信号处理单元( d s p ) 所取代，整个产品对诸如温度、湿度、电磁环境以 及长时间工作漂移等达到极低的敏感程度，因而在性能及长期工作的稳定性上远远 超越了多个芯片组加周边模拟器件的传统设计方案乜。 近两年来，在电能计量芯片设计领域，很多大半导体公司也相应地推出了集成 度更高的电能计量芯片，典型的有t d k 公司推出的7 1 m 6 5 1 x 系列，a d i 公司的 a d 7 1 x 系列。这类芯片把计量单元和m c u 进一步集成，结合其他的功能模块，逐 渐形成了以s o c 为基础的电能表芯片电量处理体系，能够极大地简化多功能电能表 的软硬件设计。基于单芯片s o c 的电能表设计方案虽然到目前为止由于工艺上的一 些原因，还存在各种各样的缺陷，并没有大批量地替代传统的设计方案。但是其系 3 基于7 l m 6 5 1 3 的三相多功能屯能表设计 统高度集成、功能丰富、性能优越、成本低廉，是电能表计的未来发展方向乜2 一劓。 1 3 本课题的选题背景和意义 电能是最重要的能源，它的应用在生产技术上曾引起划时代的变革。在现代社 会中电能己广泛应用到社会生产的各个领域和社会生活的各个方面。作为测量电能 的专用仪表电能表，在电能管理用仪器仪表中占有很大的比例，其性能直接影 响电能管理的效率和科学化水平，它的准确与否直接关系到国家与用户的经济利 益。 电能表从大范围地应用开始至今，经历了感应式机械电能表、机电一体式电能 表、全电子式电能表的发展过程。较早出现且至今仍在我国和许多国家普遍采用的 感应系电能表，制造简单且价格便宜，但测量准确度较低，且功能单一，不适应工 业现代化和供用电管理现代化飞速发展的需求。机电一体式电能表在一定程度上增 加了电能表的功能，但是还是摆脱不了其机械部件的限制，无法从根本上解决问题。 于是，全电子式电能表应运而生h 1 4 1 。 随着国际社会、经济水平的发展，电力供应越来越紧张，相应地对多功能电能 表的需求也正在快速增长。但是基于电能表的成本以及可靠性等方面的考虑，电子 式电能表并没有得到广泛地应用。近年来，随着微电子技术的高速发展，电子式电 能表的精度和寿命都得到提高、功能多种多样，且成本在不断降低，电能表产品中 的电子式电能表比重正在快速加大，国内外对低成本高可靠性电子式电能表有着非 常广阔的市场需求。 因此开发基于高性能的单芯片s o c 的多功能电能表是相当必要的，其系统高度 集成，能够进一步降低生产成本，提高电能表的工作可靠性。它的推广使用能够极 大地促进全电子式电能表的普及应用。基于以上原因，本文设计了一款基于 7 l m 6 5 1 3 的单芯片结构三相多功能电能表。 本项目直接来源于杭州海兴电器有限公司出口表计部对东南亚、南美、北欧等 地区出口生产订单，由湖南大学智能仪器研究所和杭州海兴电器有限公司共同研 制。 1 4 本文研究的主要内容 本文介绍了电能表的发展历程，探讨了当前多功能电能表的研究现状、发展趋 势以及单芯片s o c 电能表解决方案的研究意义，介绍了电能计量芯片7 1 m 6 5 1 3 的 工作原理及芯片特点，设计实现了基于7 1 m 6 5 1 3 的三相多功能电能表，介绍了该电 能表的系统构成以及电能表的计量单元部分设计，由于作者在项目中主要负责程序 编写部分，故本文着重介绍了电能表的管理软件设计，分析了电能表的误差来源和 4 硕士学位论文 各种抗干扰技术，介绍了电能表的检验以及运行情况。 全文共分为6 章，各章具体的研究内容为： 第1 章：主要介绍电能表的发展历程，分析各种类型电能表的优缺点，探讨了 目前电子式多功能电能表的研究现状以及发展趋势，阐述基于高性能s o c 的单芯片 结构多功能电能表的研究意义，指出本文的工作重点。 第2 章：主要介绍电能计量芯片7 1 m 6 5 1 3 的结构、特点、工作原理以及优缺点， 论述基于7 l m 6 5 1 3 的三相多功能电能表的系统设计，包括系统功能设计和硬件结构 设计。 第3 章：介绍各种电能参数的计量原理，分析7 1 m 6 5 1 3 的电能计量实现机制， 阐述电能表计量采样前端的接口设计，探讨测量数据的后续处理以及计量数据的可 靠性设计。 第4 章：介绍系统开发环境和运行平台，探讨程序的模块化设计方法，采用模 块化设计方法进行电能表管理软件的设计，主要阐述其中的主程序设计、时钟费率 模块设计、按键显示模块设计、需量模块设计、数据结算模块设计、通信模块设计、 电网事件记录模块设计以及负荷记录模块设计。 第5 章：介绍基于7 1 m 6 5 1 3 的多功能电能表的误差来源，探讨电能表的校准方 法以及温度补偿方法；分析电能表系统的干扰来源，并从硬件抗干扰设计和软件抗 干扰设计两个方面探讨电能表的可靠性设计技术。 第6 章：主要探讨电能表计量检验方法并给出电能表在三相平衡负载下的有功 电能基本误差测试结果，介绍电能表的运行情况。 幕于7 1 m 6 5 1 3 的三相多功能f 【l 能表设计 第2 章基于7 1m 6 513 的多功能电能表系统设计 本章详细介绍多功能电能表的主芯片7 1 m 6 5 1 3 的结构、特点、工作原理以及芯 片在电能表设计应用中的优缺点，探讨基于该芯片的三相多功能电能表的功能设计 和系统硬件结构设计。 2 1 电能计量芯片7 1 m 6 5 1 3 7 1 m 6 5 1 3 是t d k 公司2 0 0 5 年推出的专用于三相多功能电能表解决方案的s o c 。 芯片的体系架构和嵌入式资源配置完全适应高可靠性多功能电能表的设计需求。 7 1 m 6 5 1 3 集成电能计量单元和管理单元于一体，工作可靠，性能优越，外围功能模 块丰富，可以极大地简化电能表的软硬件设计，减少系统芯片数量，达到降低成本， 提高工作可靠性的目的。在2 0 0 0 ：1 的动态范围内芯片的有功电能计量误差s 0 5 ， 无功电能计量误差冬1 o ，各项技术指标符合i e c 6 2 0 5 3 a n s i c l 2 2 0 标准的要求心钔。 2 1 17 1 m 6 5 1 3 芯片结构及特点 芯片内部结构框图如图2 1 所示。 计量 采样 模拟 前端 温度传感器 在线仿真口 c e d a t a i 洲 ( 1 k b ) c e f 3 2 位计算 引擎1 c e p r a m ( 4 k b ) 1 0 i 乙m ( 2 5 6 b ) m p u x r a m ( 2 k b ) f l 弱h ( 6 4 k b ) 图2 17 l m 6 5 1 3 内部结构框图 芯片内部可分成主要的3 个模块单元：计量采样模拟前端模块、电能计量模块、 管理单元模块。 6 一 勺 一 u 5 ) 土 咿订亥 盟 皇蚕核 鲽黝 h上啪 一狗焦s 笔 驯 硕士学位论文 计量采样模拟前端核心为一个单通道2 1 位的d e l t a s i g m aa d c 转换器，6 路模 拟信号输入，还有一路内部的温度传感器输入，内置电压基准，支持自动数字温度 修正。电能计量模块核心为一个3 2 位的计算引擎c e ( c o m p u t a t i o ne n g i n e ) ，c e 由 独立的数字信号处理电路( d s p ) 组成，上电后自动载入程序对a d c 采样得到的电 网实时数据进行计算处理，不需要控制器的干预。管理单元模块核心为一个8 0 5 1 内核的微控制器( m p u ) ，用做对c e 计算得到的数据进行电能参数的后续管理。 c e 能够计量出来的电能参数包括：分相及总有功电能、分相及总无功电能、 分相电压、分相电流、电网频率、三相电压之问的夹角等。 管理单元模块集成了丰富的外围功能模块：2 路异步串行通信口、9 6 1 6 8 段 液晶段码驱动、硬件看门狗、2 2 个可编程i o 口、1 个实时时钟单元，1 个内置的温 度传感器。正是因为集成了以上如此丰富的资源，所以使用一片7 1 m 6 5 1 3 外加一些 简单的外围功能电路，即可以设计得到功能相当丰富的多功能电能表，极大地降低 了电能表的生产成本。 7 1 m 6 5 1 3 拥有如下一些特点乜劓： ( 1 ) 内置高精度采样和计量电路，在2 0 0 0 ：l 的动态范围内有功电能计量误差 s o 5 ，无功计量误差s 1 0 ； ( 2 ) 符合i e c 6 2 0 5 3 和a n s i c l 2 2 0 标准对电能表的性能要求； ( 3 ) 系统工作电压为3 3 v ； ( 4 ) 6 路模拟信号输入； ( 5 ) 拥有内部温度传感器，温度测量精确到0 1 ： ( 6 ) 内置带隙a d c 采样参考电压，其温漂特性优于5 0 p p r i l ，支持数字温度 修正； ( 7 ) 仅需外接一个3 2 7 6 8 h z 晶振，芯片内采用锁相环以及倍频技术，提供稳 定的3 2 7 6 8 h z 频率用做多路开关工作、5 m h z 频率用做a d c 、c e 和m p u 工作晶振。 其中m p u 的工作时钟可通过寄存器的配置进行降频处理； ( 8 ) m p u 为8 0 5 1 内核，绝大部分指令在一个时钟周期内完成； ( 9 ) 支持实时电网状态检测； ( 1 0 ) 集成时钟电路( r t c ) ，支持实时时钟，闰年自动切换； ( 1 1 ) 有时钟电池输入引脚，3 3 v 时备份功耗小于7 2 w ： ( 1 2 ) 支持4 0 7 0 h z 的宽频率范围电能测量： ( 1 3 ) 支持最大7 0 的角差修正； ( 1 4 ) 集成了一个l c d 驱动电路，最大可驱动4 4 2 段，典型工作下为3 v 电 平模式，可以通过寄存器的配置启动升压电路工作，支持5 v 电平模式； ( 1 5 ) 内置6 4 k b 的f l a s h 存储器用做系统管理程序的编写，同时用做保存c e 计量程序代码； 7 基于7 1 m 6 5 1 3 的三相多功能电能表设计 ( 1 6 ) 内置2 k b 的x r a m 存储器用做m p u 数据存储； ( 1 7 ) 内置4 k b 的c ep r a m 用做c e 计量程序存储，降低系统运行时的功耗； ( 18 ) 内置l k b 的c ed r a m 用做c e 数据缓存； ( 1 9 ) 内置硬件看门狗电路，看门狗可通过硬件关闭，以便在线调试： ( 2 0 ) 拥有2 2 个可配置的i o 口； ( 2 1 ) 拥有两路异步通信接口，其中一路特别为光学通信口量身订做，可方便 地连接成光学通信电路，又可做普通异步通信口使用： ( 2 2 ) 内部集成有功无功脉冲生成电路； ( 2 3 ) 拥有在线仿真口，支持在线调试和仿真； ( 2 4 ) 仿真口可关闭，阻止程序被读出； ( 2 5 ) 支持f l a s h 程序加密。 2 1 27 l m 6 5 1 3 芯片工作原理 7 1 m 6 5 1 3 需要同时进行计量和管理操作，因此数据在计量和管理之间的协调至 关重要。芯片采用类似于双核模式下的数据处理逻辑。其工作时内部的数据流程如 图2 2 所示。 脉冲输出 图2 2 芯片工作数据流程 首先通过计量模拟前端模块对电网的取样信号进行实时采样，并把采样得到的 数据存放到c ed r a m 中实时采样数据的存放位置。c e 读取得到的采样实时数据， 运行电能计量算法程序对数据进行处理，并进行电能累积，经过一段时间的电能累 积周期之后( 一般设置为l s ) ，向m p u 发生一个i r q 中断请求，告知m p u 当前周期 电能累积已完成，同时把累积得到的电能数据保存到c ed r a m 中电能数据相应位 置，更新覆盖上一个电能累积周期计量的电能数据，并重新开始下一个累积周期的 电能计量。m p u 在收到c e 发过来的i r q 中断信号之后，读出c ed r a m 内的累积 电能数据，并进行电能数据的后续处理。这样芯片的三个核心单元对c ed r a m 中 的数据操作互相不会发生冲突，能够有条不紊地进行电能计量和管理。 芯片内集成有5 段存储空间，各空间的说明如表2 1 所示。 3 硕卜学位论文 其中i or a m 用做配置芯片的工作方式；c ed r a m 用做计量数据缓存，同时 还保存有芯片的误差校正系数。由于为易失性存储器，所以每次上电都需要重新配 置一次芯片工作方式以及误差校正系数。c ep r a m 用作c e 工作的程序存储器，同 样是易失性存储器，因此需要在每次上电时复制一遍程序代码。c e 工作的程序代 码由t d k 公司开发，一般都固化存放在f l a s h 中。这样处理相比于采用非易失性存 储器，降低了系统工作时的功耗。 表2 1 7 1m 6 5 1 3 内部存储空间说明 基于以上考虑，m p u 需要在每次上电时对c e 进行一次初始化操作。在典型应 用中，系统一般按照如下的流程进行上电复位处理： ( 1 ) 系统上电，m p u 初始化系统内部各硬件，禁止c e 工作： ( 2 ) m p u 把c e 工作程序代码从f l a s h 中复制到c ep r a m ； ( 3 ) m p u 把c e 工作的校表参数从外部非易失存储器写入c ed r a m ： ( 4 ) 通过i or a m 配置好c e 的工作方式，并启动c e 工作； ( 5 ) c e 启动，从c ep r a m 中读取程序代码，开始工作。 2 1 37 1 m 6 5 1 3 芯片优缺点分析 7 l m 6 5 l3 是业内推出的第一款三相专用电能计量s o c ，芯片经过了深思熟虑的 考虑和设计以及严格的测试。使用7 1 m 6 5 1 3 进行电能表的开发和设计同双核模式电 能表设计方案比较，具有如下一些明显的优势： ( 1 ) 由于高度集成，芯片对温度、湿度以及电磁干扰的敏感度大幅度降低， 系统的性能和可靠性一定程度上得到了提高。 ( 2 ) 管理单元功能模块丰富，在应用该芯片进行电能表设计时可以省掉很多 外围的功能芯片( 如硬件看门狗、实时时钟芯片、l c d 液晶驱动芯片、掉电检测芯 片等) ，系统成本能够进一步得到降低。 但由于设计工艺等各方面原因，芯片仍存在一些不可避免的缺陷： ( 1 ) 芯片功耗较高，很难满足电能表掉电下的低功耗要求。在正常工作模式 下，m p u 工作频率为5 m h z ，电源供应电压为3 3 v 时，7 1 m 6 5 1 3 的典型工作电流 为9 m a 。芯片设计时进行了低功耗模式的考虑，m p u 可以通过如表2 2 中的几种操 9 基于7 i m 6 5 1 3 的三棉多功能咆能表设计 作来降低芯片功耗口引。 虽然芯片可以通过关闭一些功能在一定程度上降低系统功耗，但是还不能做到 真正的低功耗( 芯片在关闭众多功能并降低m p u 的工作频率之后仍然有4 5 m a 的工作电流) ，从而使得电能表不方便实现掉电显示和停电抄表功能，一定程度上 限制了电能表的应用范围。 表2 27 1 m 6 5 1 3 低功耗处理 低功耗处理 典型降低的芯片工作电流( m a ) 关闭c e ，禁止系统计量 关闭a d c 采样 降低m p u 工作频率 关闭仿真口 关闭l c d 升压电路 0 1 6 1 8 o 4 m h z o 1 0 9 ( 2 ) 系统资源不足。7 1 m 6 5 1 3 拥有6 4 k b 的f l a s h ，2 k b 的x r a m ，2 2 个复用 i o 口，m p u 工作主频最大为5 m h z 。在本电能表完成各种功能设计之后，系统的时 间和空间以及硬件资源基本上处于满负荷状况，电能表很难再进一步扩展功能。 2 2 电能表功能设计 多功能电能表白问世以来，就得到了用户的广泛好评。当前多功能电能表已经 形成了多费率、多参数计量等已经比较成熟的功能，同时涌现出了事件记录、负荷 曲线记录等一些新的功能需求，并且还在不断发展当中n 仉一5 27 1 。本文结合当前市 场上的一些常见功能需求以及7 1 m 6 5 1 3 芯片本身所具有的特点和资源，设计了电能 表的主要功能如下： ( 1 ) 计量功能 电能表能够完成多参数计量，包括如下一些参数： a ) 累计有功电能( 正向、反向) ； b ) 累计无功电能( 正向、反向、一象限、二象限、三象限、四象限) ； c ) 电压( 三相平均、u a 、u b 、u c ) ； d ) 电流( 三相平均、i a 、i b 、i c ) ； e ) 三相电压夹角( a n g e l a b 、a n g e l a c ) ； f ) 瞬时功率因数( 总、a 相、b 相、c 相) ； g ) 瞬时有功功率( 总、a 相、b 相、c 相) ； h ) 瞬时无功功率( 总、a 相、b 相、c 相) ； i ) 瞬时视在功率( 总、a 相、b 相、c 相) ： i ) 电网频率； i o 硕十学位论文 k ) 当前有功需量( 正向、反向) ： 1 ) 当前无功需量( 正向、反向) ； m ) 当前有功最大需量及发生时间( 正向、反向) ： n ) 当前无功最大需量及发生时间( 正向、反向) 。 ( 2 ) 时间费率功能 支持实时时钟，闰年自动切换，时钟误差o 5 s d 。时钟在电池供电下能够工作 l o 年以上。时钟电池可在电网断电下进行更换，支持多费率功能，费率表可通过通 信进行配置。 a ) 每年最多可配置1 2 个年时区； b ) 每个年时区周类型表可选； c ) 最多可配置1 2 个周类型表； d ) 每个周类型表从周一到周日对应的日时段表可设； e ) 最多可配置8 个日时段表； f ) 每天最多可配置1 6 个时段； g ) 最多可配置2 0 0 个公共假日，每个公共假日对应的日时段表可设； h ) 最多支持4 费率。 ( 3 ) 事件记录功能 能够记录电网中出现的各种故障，主要包括如下一些事件： a ) 失压； b ) 断相； c ) 过压； d ) 电能反向： e ) 电压逆相序。 同时还要记录电能表的各种工作状态以及数据安全事件： a ) 电能表上电事件； b ) 电能表掉电事件； c ) 硬件故障事件； d ) 数据效验出错事件； e ) 电能表各种编程和抄表事件： f ) 电能表异常复位事件。 ( 4 ) 负荷记录功能 能够进行电网各种负荷参数的记录，记录方式可通信配置。 ( 5 ) 按键显示功能 能够显示各种电能参数，进行报警以及各种错误提示，支持按键查询显示。 ( 6 ) 通信功能 基于7 l m 6 5 1 3 的三相多功能电能表设计 支持两种通信方式： a ) 光电通信； b ) r s 4 8 5 通信。 通信遵循d l m s c o s e m 的本地数据传输i e c 6 2 0 5 6 二2 l 标准。 ( 7 ) 脉冲输出功能 两路脉冲灯和光耦输出用做有功和无功电能脉冲输出，其中有功电能脉冲输出 口可通过设置配置成秒脉冲输出用作时钟修正。 2 3 电能表硬件结构设计 7 l m 6 5 1 3 集成电能计量和管理于一体，工作可靠，性能优越，成本低廉，功能 模块丰富。本电能表设计以该芯片作为多功能电能表的核心。电能表的硬件结构框 图如图2 3 所示。 nc ba 电流 i a 。 1 a n u ，i l 电通 叶1 1 l 口 取样 i b 。 r 电路 l c 、 u a n l ，l4 8 5 通信 电压 v a 。 ， i o i 陆仙蛤山 取样 v b 。 ，l ，v 卜t t 叶刖山 ，r 电路 v c 。 ，r 7 1 m 6 5 1 3 、 i l l x ) t t = 口j - 电 7 l1 j u l ， 源 f r a m l 1 i 时1f r l 彳i 且 i d a t a f 】a s h j 。lc c n n n ij 、 7 i 。1 “。j 图2 3电能表硬件结构框图 基于7 1 m 6 5 1 3 的三相多功能电能表的硬件电路包括：计量前端取样电路单元、 电源电路单元、存储单元、显示单元、键盘处理单元、通信单元、脉冲输出单元、 时钟电池单元等几个部分。 计量前端取样电路负责把电网电压电流信号等比例整定到7 l m 6 5 1 3 电压、电流 计量通道所允许的输入电压值范围之内。电源单元采用开关电源，引出两路，分别 用做系统电源和r s 4 8 5 通信电源，两路电源之间相互电气隔离。存储单元采用非 易失性铁电存储器f m 2 4 c l 0 4 和e e p r o m 存储器a t 2 4 c 6 4 以及d a t a f l a s h 存储器 a t 4 5 d b 0 4 l d 。其中铁电存储器用做存放当前电量数据，e e p r o m 存储器存放系统 的配置参数以及历史数据，d a t a f l a s h 存储器用做存放负荷曲线数据。实时时钟使用 7 1 m 6 5 1 3 内部集成的时钟单元，该单元理论上在3 6 v 电池供电时电流不超过 1 2 硕。l 学位论文 3 0 0 n a ，外接时钟电池选用5 0 m a h 的3 6 v 锂电池可满足系统时钟掉电下工作1 0 年 以上的要求。为了能够在7 1 m 6 5 13 资源范围之内尽可能多的反映出各种信息，电能 表采用定制的3 3 v 电平的4 3 4 段码液晶进行显示，由芯片内部的l c d 驱动电路 直接驱动，不需外接液晶驱动芯片，电能表l c d 液晶屏界面说明见附录b l 。系统 拥有光电、r s 4 8 5 两种通信方式，通信接口和协议符合i e c 6 2 0 5 6 2 1 标准。其中光 电通信使用芯片特别设计的光学通信口，输出口o p tt x 最大可驱动2 0 m a 的电流， 可以直接驱动l e d ，相比于使用通用的异步串口，设计时可以省掉一个三极管控制 电路。键盘单元中共有4 个按键，其中一个按键用做按键显示查询，一个按键用做 系统编程硬件保护，另外两个按键做成表内短接点的形式，分别用做校表使能s w l 和工厂编程使能s w 2 。有功无功脉冲输出使用7 l m 6 5 1 3 内部集成的脉冲生成电路 的输出驱动引脚同时控制脉冲灯和光耦输出，脉冲灯用做电能表校准，光耦输出作 为电能表的辅助输出。详细的硬件原理图见附录b 2 。 幕于7 1 m 6 5 1 3 的三相多功能电能表设计 第3 章基于7 1m 6 513 的多功能电能表计量单元设计 本章主要探讨电能参数的一般计量原理，介绍7 1 m 6 5 1 3 的计量实现机制，根据 芯片前端的设计要求以及电能表的接口规格进行电能表的信号取