（电气工程专业论文）基于msp430fe427单相多功能电能表设计.pdf

t h ed e s i g no fs i n g l e - p h a s em u l t i - f u n c t i o n a l w a t t m e t e rb a s e do nm s p 4 3 0 f e 4 2 7 a b s t r a l c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r i c a lp o w e rs y s t e ma n df u r t h e rr a t i o n a lu s eo f e l e c t r i c a le n e r g y , t h ei n d u c t i o nw a t t m e t e rs h o w st h ed i s a d v a n t a g eo fl o wa c c u r a c y , l i m i t e df u n c t i o n sa n dn a l t o wf r e q u e n c yb a n d i no r d e rt om e e tt h ei n c r e a s i n gd e m a n d f r o mt h ei n d u s t r yf i e l d ，an e wa u t o m a t i ce l e c t r o n i cw a t t m e t e ri ss t r i c t l yi nd e m a n d c o n s i d e r i n gt h el i m i t a t i o no fc u r r e n tw a t t m e t e ri nc h i n a , t h i st h e s i sp r e s e n t san e w t y p eo fm u l t i f u n c t i o n a lw a t t m e t e rb a s e do nt h et e c h n o l o g yo fm s p 4 3 0p r o c e s s o r , w h i c hi sm a n u f a c t u r e db yt i t h ee l e c t r o n i cw a t t m e t e rc a nr e g i s t e rt h ec o n s u m p t i o n o fe l e c t r i c a l e n e r g ye f f e c t i v e l y , a n dc o n s e q u e n t l yi n c r e a s et h ea c c u r a c ya n dt h e r e l i a b i l i t yo fe l e c t r i c a le n e r g ym e a s u r e m e n ta n dm a n a g e m e n t t h i sp a p e rd e s i g n st h e w h o l ef r a m e w o r ko fe j c c t r o n i cw a t t m e t e r m s p 4 3 0 f b 4 2 7 $ e w f sa st h ec o n t r o l c e n t e ro ft h ee l e c t r i c a le n e r g ym e a s u r e m e n ts y s t e m t h ew h o l es y s t e mc a l lb e d i v i d e di n t of o u r p a r t s ，i n c l u d i n gi n p u tu n i t ，m s p 4 3 0 f e 4 2 7p r o c e s s o ru n i t ， c o m m u n i c a t i o nu n i ta n dd i s p l a yu n i t t h es y s t e mc a l la c c o m p l i s ht h ed a t aa c q u i s i t i o n ， e l e c t r i c a le n e r g ym e a s u r e m e n t ，c o m m u n i c a t i o na n do u t p u td i s p l a y k e y w o r d s ：m u l t i - f u n c t i o n a lw a t t m e t e r , p r o c e s s o r , e l e c t r i c a le n e r g ym e a s u r e m e n t ，m s p 4 3 0 f e 4 2 7 插图清单 图2 1f e 4 2 7 单相电表功能框图5 图2 2f e 4 2 7 结构框图7 图2 3e s p 的功能结构8 图2 4e s p 4 3 0 与m s p 4 3 0c p l i 的关系框图9 图2 5e s p 工作模式l o 图2 6 电源接线图1 1 图2 ，7l c d 段码显示电路。1 2 图2 8m a x 4 8 5 的结构和引脚1 3 图2 9 m a x 4 8 5 在电表电路中的连接1 3 图2 ，1 0 计量电路原理图 图2 1 lp c f 8 5 6 3 接线图1 6 图2 1 2a t 2 4 c 1 0 2 4 和m s p 4 3 0 f e , 4 2 7 的界面图1 7 图3 1 电流不平衡时的防窃电测量1 9 图3 2 移除主电压防窃电测量2 l 图4 1 软件结构框图2 2 图4 2 主程序流程图2 3 图4 ，3e s p 中断服务程序流程图2 4 图4 4e s p 测量流程2 9 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他入已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含为获得 金目王塾太堂 或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 弗表示谢意 学位论文作者签名捌j 撬 签字日期：勿“年垌妒日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金篷王些太堂有关保留、使用学位论文的规定。有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阕和借阙本人授权盒 鲤至些塞堂可以将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、汇编学位论文 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名槲导师签名；嘲 签字日期：耐年，月彭日 蓑誉孺龇惭易 工作单位：乒加职步磊姊7 r 矍 通讯地址哆南午彳厢翰驴灯多 咿舌 签字日期忍伊年f z 月 牟日 电话：弼卅1 ，口，r ) | 7 。3 ) 邮编：衫z o ；， 致谢 本文是在我的导师陶维青副研究员的悉心指导下完成的。从课题的选题到 课题的研究以及最后论文的完成都贯穿了陶老师的无私指导和谆谆教诲。此论 文完成之际，谨向陶维青老师表示由衷的敬意和衷心的感谢。 陶老师是一个治学严谨、工作极其认真的人，具有非常高的理论水平和很 强的动手能力，并有丰富的经验尤其是陶老师在科研实践中所表现出来的深 邃的分析和洞察能力令我感到十分敬佩同时，陶老师也是一位关心学生、处 处为学生着想、非常负责任的老师陶老师渊博的知识、严谨的治学态度和兢 兢业业的敬业精神使我深得益处，并将成为我在今后的学习、工作中学习的楷 模。在此即将毕业之际。谨向陶老师致以最真诚的谢意! 同时，我还要向其它给予我指导和帮助的老师和同学致以我最真诚的谢意。 另外。我也要感谢我的家人和朋友，是他们的鼓励与支持，促使我更加努 力地学习，在此对他们深深的敬意! 作者：武永鑫 2 0 0 6 年l o 月 1 1 课题背景 第一章绪论 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。电能 表是当前电能计量和经济结算的主要工具，它的准确与否直接关系到国家与用 户的经济利益。随着电子技术、自动控制技术和计算机技术的迅猛发展，电能 计量装置也发生了巨大变革由于电力系统的不断扩大以及对电能合理利用的 探索，使市场上原来的感应系电能表暴露出准确度低、适用频率范围窄、功能 单一等缺点。为使电能计量仪器仪表适应工业现代化和电能管理现代化飞速发 展的需求，新型电子式电能表的研制也日益成为电力行业的迫切需求。 微电子技术和计算机技术的高速发展是电子式电能表迅速进步、日益成熟 的主要技术支撑。准确度高、可靠性高的元器件以及大规模集成电路等的采用， 使电子式电能表的使用寿命、准确度、稳定度等技术指标均显著改善。微机化 令电子式电能表功能的增添变得容易，并逐步使电能管理的自动化与智能化成 为现实。到上世纪八十年代，电子式电能表作为一种全新的测量仪表被推向市 场，到了九十年代，更是有了长足的发展。一方面高等级的标准电子表已经用 于检定装置。提高检定精度的同时也提高了自动化程度；另一方面安装式电子 表也已从单一的电能计量向多功能测量方向发展。 与此同时，随着我国经济的飞速发展，各行各业对电的需求越来越大，不 同时间用电量不均衡的现象也日益严重。为缓解我国日趋尖锐的电力供需矛盾， 调节负荷曲线，改善用电量不均衡的现象全面实行峰、平、谷分时电价制度。 “削峰填谷，提高全国的用电效率，合理利用电力资源，这就要求电力部门 对用户的用电量进行分时计费计量，以不同的费率收费，从经济上鼓励用户避 开高峰期用电。 除上所述。随着自动抄表技术和综合配电自动化技术的发展，还要求新型 电能表具有存储信息和交换数据的能力等。电子式电能表以数字方式处理采集 到的信息，由此能够带来诸多优点，并使得上述功能很容易在一块表上实现。 1 2 电能计量装置发展及研究现状 作为测量电能的专用仪表一电能表，已有1 0 0 多年的历史世界上最早 出现的电能表是爱迪生利用电解原理制成的直流电表电能表称电度表或千瓦 时表( 因为1 千瓦小时的电能被定义为一度电) 。电能表在电能管理的仪器仪 表中占有很大比例，它的性能直接影响着电能管理的效率和科学化水平。 1 0 0 多年来，随着电力系统及其相关产业的发展以及电能管理系统的不断完 善，电能表的结构和性能也经历了不断更新、优化的发展过程。交流电的出现 和被利用，对电能计量仪表的功能提出了新的要求。经过近百年的不断改进和 完善，感应系电能表的制作技术已经成熟，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，感应系电能表仍然作为主要的工频电能仪表被广 泛使用。 电能开发及利用的加快，对电能的管理和电能表性能提出了更高的要求。 现在普遍使用的感应式电能表由于受其原理和结构等因素的制约。要进一步提 高计测精度和扩展功能是有限度的。另方面，随着用电量的增长及能源供需 矛盾的加剧。世界各国日益重视电能管理，加强电力负荷监控，以实现计划用 电和合理配电，提高电网负荷率。功能单一的感应式电能表及其相关机械装置 已不适应现代电能管理的要求。 在7 0 年代国外发展起来电子式电能表，是一种更新换代产品，它与感应式 电能表相比，除具有测量准确度高、性能稳定、功耗低、体积小、重量轻等优 点外，还易于实现多功能计测，可现场校准和检索多种计测数据，便于数据采 集和处理及集中监控。在8 0 年代初期，用于计费的电子式电能表，由于尚未完 全解决现场使用环境下的抗干扰问题，曾一度影响了其实用化过程。到了8 0 年 代中期，随着现代化电子设计、制造新技术的采用，各种现场环境下的工作可 靠性问题得以解决，电子式电度表开始在一些发达国家推广应用。 电子式电能表，由于采用了现代先进的微机软、硬件设计和足够大的内存 容量，从而在功能的构成和扩充方面是十分方便的电子式电能表的基本功能 有十多种。加上辅助功能，据称某些型号的电能表功能多达上百种。它们分属 用电计量、监视、控制和管理等领域 根据生产成本、用户需求、市场定位等种种情况的不同，电能计量装置也 具有不同的特点。在前期调研来看，国内在新型电能计量装置研制和应用方面 已有很多报导，其中已有现场运行成功事例，但是他们采用的计量系统大多使 用专用的计量芯片，专门的外部接口电路，具有电路复杂、功能单一、价格昂 贵等缺点。而市场上迫切需要面向中小型用户的普通电能表，要求功能接口丰 富、价格低廉、准确度高等特点，便于实现电能计量和管理的自动化。具有测 控一体化和组网功能的电能计量装置技术上在国内还处于领先水平，有研究和 推广的价值f 1 1 1 3 数字式多功能电度表的技术要求 多功能电能表就是指除计量有功电能、无功电能外，还具有分时、测量需 量等两种以上功能，并能显示、储存和输出数据的电能表。参照i e c 标准和以前 2 国内的有关标准，结合电力生产和经营管理的特点，原电力工业部和机械工业 部分别在1 9 9 5 年，1 9 9 7 年批准、实施了两种“多功能电能表”标准，规定了测 量参比频率为5 0 h z ( 或6 0 h z ) 的单、三相交流电能的安装式多功能电能表的功能、 技术要求、试验方法、检测规则等。按照多功能电能表( d l t 6 1 4 1 9 9 7 ) 规定，它应具有下列基本功能0 1 ； 计量电能：计量多时段的单向、双向有功电能，单向、双向或四象限无功 电能，并储存其数据( 至少储存上个月或上个抄袭周期的数据) 。 测量最大需量：在指定的时间区间内( 一般为一个月) ，测量单向或双向最 大需量、分时段最大需量及其出现的日期和对间，并储存其数据：需量周期可 在5 、l o 、1 5 、3 0 、6 0 m i n 中选择，滑差( 窗) 式需量周期的滑差时间可在i 、2 、3 、 5 m i n 中选择；数据在指定的抄表日转存时，当月的最大需量值应自动复零，而 非指定抄表日抄袭时，数据不转存、最大需量也不复零；除自动复零外，还应 提供手动( 或抄表器) 复零 多费率计量：具有日历、计时和闰年自动切换等功能，2 4 d 时内至少具有 可任意编程的4 种费率和8 个时段。 记录事件：记录最大需量复零事件和编程事件等，失屯后所有数据至少应 能保存1 8 0 天 预置功能：用外接或内附的编程器可预置当前日期和时间，电能表编号和 用户号码，编程密码，脉冲常数( i m p k w h ) ，有功、无功电能表起始读数。 费率和时段。最大需量铡量方式和需量周期及滑差时间按月设定的用电结算 日，需要时应能预置电流、电压互感器的额定变比。 显示功能：显示测量的电能值、需量值、费率、预置数据和自检报警( 出错) 信息等。 输出和通信功能：有电量脉冲输出能力；按多功能电能表( j b t 7 6 5 6 - 9 5 ) 规定，它应具有通信接口电路，能通过接口接受通信命令进行数据传输，定值 调整、时段改变、遥控跳闸等。d l t 6 1 4 1 9 9 7 将此功能放入扩展功能中，要求 多功能电能表应能实现本地或远程数据信息的采集和交换，且通信规约应符合 有关标准规定。标准规定的其它扩展功能还有负荷监控功能，即预置各时段功 率定值，超过功率定值则报警或延时跳闸等；失压记录和失压计时功能；记录 日负荷曲线和记录并显示平均功率因子、分时段功率因子等功能 1 4 课题的技术难点 本系统要将数据采集、电能量计量、通信、显示和数据运算、存储以及防 窃电等集于一体，而且研制出的系统要作为产品进入市场，系统运行稳定、可 靠是产品的基本要求，性能价格比是产品生存的关键，在多功能、便于维护、 模块化结构等条件下，本课题具有以下难点： 3 1 低开发成本前提下，要实现系统的多功能、高性能要求，达到较好的性 能价格比。而且，要求系统能够在复杂环境下长期可靠运行。 2 系统将数据采集、电量计量、通信、显示和数据运算、存储等集于一体， 工作量大。 3 为了实现低成本的要求，必须充分利用c p u 集成外设功能，使外部电路 精简。同时，对c p u 的这些资源以及外部电路必须有效、有序的进行管理。 4 系统运行的环境比较复杂，为使系统稳定运行，如何有效的增强系统的 抗干扰能力。 1 5 本文的主要工作 本课题为单相多功能电能表设计研究，对硬件结构和测量原理进行了系统 的阐述，并做了的研究和具体设计及调试工作，本文主要完成了以下几方面的 工作 1 对多功能电能表的硬件结构进行了设计研究。 本课题确立了多功能电能计量系统的整体结构，它是整个系统的核心，它 的可靠性影响着整个系统性能和测量精度。因此本文详细介绍了多功能电能表 的硬件结构。 2 对电参量测量进行了计算 本文就多功能电能表电参量测量过程进行了分析，并给出其主要算法，提 出测量的软件流程。 3 对电表增加了防窃电解决方案 1 ) 电流不平衡时的防窃电测量：电流不平衡典型为零线接地或火线短接。 2 ) 电流反向时的防窃电测量：电流反向典型为火线的进出线连接对换。 3 ) 移除主电压时的防窃电测量：移除主电压典型为拆除电表的零线连接， 没有电压信号进入电表。 4 第二章系统硬件设计 2 1 多功能电表设计要求和设计原则 多功能电能表就是指除计量有功电能、无功电能外，还具有分时，测量需 量等两种以上功能，并能显示、储存和输出数据的电能表。因此，设计时必须 满足以上要求，同时增加一些新要求。本系统的设计要求：完成数据采集、电 能计量、通讯控制、输出显示和防窃电等功能。 本系统设计原则：本着经济性、实用性、可靠性和精确性的原则。针对这 个原则，本课题提出了电能表的防窃电解决方案( 见第三章) 。 2 2 硬件结构部分 如图2 1 为多功能电能表的硬件结构框图。它由防窃电回路单元、m s p 4 3 0 单片机单元、电源管理单元、显示单元、通讯单元和外围接口等几部分组成。 在后面的内容里面结合图2 2f e 4 2 7 结构框图将分别予以介绍。 图2 1f e 4 2 7 单相电表功能框图 5 2 1 1 单片机简介 m s p 4 3 0 f e 4 2 7 为m s p 4 3 0 系列的一个新的品种，它是美国德州仪器针对单相 电能表设计研制的。该芯片不但继承m s p 4 3 0 系列产品的具有超低功耗，集成 度高等优点而且还具有1 2 8 段l c d 驱动器，并带有3 个捕获比较寄存器的1 6 位定时器t i m e ra ，以及串行通信接口( u s a r t ) ，通过软件选择异步u a r t 或同 步s p i 通讯等功能。它采用r i s c 结构的1 6 位c p u 、6 个仿真输入通道公用的 1 4 位内建定时器、一个带用于单相电能计量应用( e s p 4 3 0 c e i ) 的模数转换器的嵌 入式信号处理模块、1 2 8 段驱动能力和1 4 个i o 引脚配置成微控制器。典型应 用于包括抗干扰仪表在内的各种不同的单相电能计量。 同时m s p 4 3 0 f e 4 2 7 还具有带可编程电平检测的电源电压管理和监控，以及 基本定时器支持实时时钟功能，从而简化的电表在电路上的设计。 该芯片的系列型号包括瑚； 一m s p 4 3 0 c e 4 2 5 ：1 6 k br o m ， 一m s p 4 3 0 c e 4 2 7 ：3 2 k br o m 。 一m s p 4 3 0 f e 4 2 3 ：8 k bf l a s hm e m o r y ， 一m s p 4 3 0 f e 4 2 5 ：1 6 k bf l a s hm e m o r y 。 一m s p 4 3 0 f e 4 2 7 ：3 2 k bf l a s hm e m o r y ， m s p 4 3 0 f e 4 2 7 的特性 一低电源电压范围：2 7 v - 3 6 v 超低功耗：活动模式( 仅m s p 4 3 0 ) ：4 0 0 u a l m h z ，3 o v _ 待机模式：1 1 u a - 关闭模式( r a i l 保持) ：0 1 u a 一5 种省电模式 - 从保持模式唤醒仅用6 微秒 锁频环f l l + 一1 6 位r i s c 体系，1 2 5 n s 指令周期 嵌入式信号处理用于单相电能计量( e s p 4 3 0 c e i ) 一带3 个捕获比较寄存器的1 6 位定时器t i m e r _ a 集成1 2 8 段l c d 驱动器 一串行通信接口( u s a r t ) ，通过软件选择异步u a r t 或同步s p i _ 基本定时器支持实时时钟 - 节电检测器 带可编程电平检测的电源电压管理监控 串行在线编程，无需外部编程电压 - 安全熔丝可编程代码保护 _ f l a s h 器件有自装载程序 6 m m m 川m a 削m r a r r a r r b b b 2 b 6 2 b 1 k 5 i k 5 1 2 5 1 x i nx o u t d v c cd 恼 v v r s t ，n m i c l 二丁： ! i 弦荡器时钟 ：l 幽型! ! ! ： i l m c l ii t m s t c k t d i j 1 1 j 1 j a c l k s m c l k t e s t 5 6 br m 1 2 br a m k 8 r a m p ip 2 上一4 - _ 一- _ ， i o 端口 1 6 个端口具 有f i 断艟力 u s a r t o 其右u a r t 艘s p i 功能 看n 翻 定盱嚣 纠 l e s p 4 3 0 c e l 睁 j 信号娃理便 l t d o i t d i1 1 5 1 1 6b i t i l 珏f r o n t e n d l l 一l 一 髓 转换 m d 8 g b i t 引liner_a31i p 粥o 糕h _ _ - 一_ - 一_ 一一- - - _ - - - - - - _ - - a l , - - i i i 一- - - 一一- - 2 2 2 c p u 简介 图2 2 f f a 2 7 结构框图 m s p 4 3 0c p u 具有一个1 6 位精简指令结构( r i s c ) ，对应用来说是高度透明 的。所有操作，除了程序流指令以外，都是作为寄存器操作，结合7 种源操作 数寻址方式和4 种目的操作数寻址方式来执行的曲】。 c p u 内部集成1 6 个寄存器，减小了指令执行时间，它可提供每秒执8 0 0 万 条指令( m i p ) 的性能，寄存器到寄存器操作执行时间被减少到处理器频率的一 个周期。4 个寄存器r 0 到r 3 被保留，专门用作程序计数器，堆栈计数器，状态 寄存器和常数发生器；其余的寄存器可用作通用寄存器。 外设利用一个数据地址和控制总线连接到c p u 。并能容易利用内存处理指令 操作 2 2 3 内置电能计量模块e s p e s p 为一个独立的具有m c u 特征的模块，称为e s p 4 3 0 - 处理器，该处理器 内核带硬件乘法器，4 k 字节r o m ，2 5 6 字节( r a m 保存校准参数和e s p 4 3 0 的 内部数值和堆栈) r a m ，3 2 字( 1 6 位) d p r a m 用于返回值该模块与m c u 的数 7 劬胁触1 n f fb“獬一陌 “一x i f l 咄蜘洲 托驱， 据交换是通过信息交换操作来完成的。这就要有一个信息交换的机制来控制这 种交换。m s p 4 3 0 c p u 和e s p 4 3 0 是通过一个邮箱中断机制相互通信。它们之间 用一个控制寄存器m b c t l ，两个输出邮件寄存器腿0 u t 0 、m b o u t i ，有两个输入 邮件寄存器m b i n o 、m b i n i 来进行信息的操作。用信息返回寄存器r e t x 来获取 e s p 的运行结果。用一些带有命令的参数来调整e s p 模块运行的状态和修正由 于硬件引起的某些运行偏差 e s p 模块( 如图2 3 ) 可以分为两个部分：带三个独立的带1m h z 取样速率 p g a 和内部电压参考的微分第二阶1 6 位( 一a ) 数字转换器( a d c ) 。三个前 置可编程增益放大器可以做到对电流和电压同时测量( 第一个测量电流、另一 个测量电压、第三个用于比较火线与零线电流) ，测量值相乘既是功率值，而将 一定时间内所用功率相加可得出以千瓦小时( k w h ，度) 来计的电量消耗”1 。 它提供两个差分输入的电流通道和一个差分输入的电压信道，为实现高精度、 防窃电的单相多功能电表提供了硬件基础( 有关防窃电内容见第三章) 。内置的 数字信号处理器负责把模拟前端采集的数据加工成相应的电表参数，如有功电 能，无功电能，电流、电压、频率、功率因子等。由于大量的、复杂的计算和 处理已由内置的数字信号处理器完成，因而设计一个单相多功能电表所需要做 的仅仅是对e s p 模块寄存器的读写操作。 图2 3 e s p 的功能结构 2 2 4 c p u 与e s p 的关系 经邮箱输入输出 、 c p u 续写 控制f ；! 块使能和设置 ( 届外蹦存诣器) 、【区丽a f 一 、一 i 叫控制寄存器 e s p 4 3 0 j , t 陡f i t i u i i 丑漉小t a 胝u a 嚣l a c 汁c e 竹s s 结果 萋每 厶 嵌入式处理器 ， 讨兰 图2 4e s p 4 3 0 与m s p 4 3 0c p u 的关系框图 从c p u 对e s p 操作方式分类，可以把e s p 相关的寄存器分为三类：c p u 可擦写的寄存器、c p u 可读，e s p 可写的寄存器和通过邮箱操作的寄存器嘲。如 图2 4e s p 4 3 0 与m s p 4 3 0c p u 的关系框图。 c p u 可擦写：这类寄存器属于外围内存，可分以下几类：e s p 控制寄存器、 模拟前端控制寄存器、邮箱相关寄存器。 c p u 可读，e s p 可写：这类寄存器是e s p 返回的是测量所得电表参数( 如 有功电能、无功电能、电流、电压、频率、功率因子等) 和电表状态，也就是 图2 4 中的结果返回寄存器。我们应实时把这些值读出来，作存储、显示等处 理，以实现高精度的单项多功能电表。 通过邮箱操作的寄存器：这类寄存器对应图2 4 中的基准参数寄存器，它 们对于c p u 是不可见的，c p u 只能通过邮箱寄存器m b i n o ，m b i n i ，m b o u t o ， m b o u t l 对他们进行读写操作，它们在e s p 模块内都有相应的地址( 这些地址 不属于c p u 的6 4 k 寻址范围) 。寄存器的用途是设置基准、补偿电路误差等。 9 2 2 5e s p 工作模式 图2 5 体现了对电能计量模块e s p 的操作流程，从复位开始，第一步要做 的是对e s p 模块一些寄存器的初始化设置。 对e s p 模块的初始化主要包括：模拟前端寄存器的初始化和参数寄存器的 初始化( 通过邮箱操作) 。模拟前端初始化包括：选择a d 采样时钟源、选择时 钟源分频系数、选择参考电压、选择前置增益放大器的放大倍数、选择过采样 率这些工作是为开始a d 采样做准备。参数寄存器的初始化是为了提供给e s p 计算基准和补偿系数，典型包括：配置e s p - r 作方式、设置电网基准频率( 如 5 0 h z ) 、设置线路相位偏差、设置两电流通道自适应因子、设置开始电流。 对e s p 初始化完成后，我们就可以使e s p 进入测量模式，开始电表参数 ( 如有功电能、无功电能、电流、电压、频率、功率因子等) 的测量。 图2 5 e s p 工作模式 2 3 电源部分 电源接线图如图2 6 所示，t p s 7 7 0 3 0 是t i 公司的一种稳压转换集成芯片， 其输入端的电压范围一0 3 v - 1 3 5 v ；输出端电压为稳定的3 3 v ；使能端e n 输入 电压范围一0 3 v - o 3 v ；i 。的最大电流为5 0 a 。 1 0 图2 6 电源接线图 图中r 2 8 是压敏电阻在输入端起限压保护作用，当输入端电压过高时，输 入电压经过r 2 8 分压由于反相二极管z 0 2 的存在，使得负向电压经过c 1 8 、 r 1 6 、z 0 2 构成回路，具有正向电压时，电流经过d 7 后进入t p s 7 7 0 3 0 进行稳压 ( 稳定值3 3 v ) 2 4 l c d 驱动 l c d 驱动器产生驱动液晶显示器的段信号和公共信号。l c d 控制器具有专 用数据存储器保持段驱动信息公共信号和段信号按照定义的模式产生。外围 模块支持静态，二偏置、三偏置和四偏置电压模式。 l c d 段码显示采用4 m u x 方式，7 位半，总计5 9 段，显示玻片采用0 4 8 ，其 s 0 s 1 3 、c o m o c o m 3 分别与4 2 7 的s o s 1 3 、c o m o c o m 3 相连，其全码显示 为l + 8 8 8 8 8 8 8 ”。图2 7 为l c d 段码显示电路。 由于m s p 4 3 0 f e 4 2 7 集成了l c d 显示驱动模块，故l c d 显示显得非常简单， 只需在软件中设置相应的控制寄存器，把显示代码送入相应的寄存器即可。 图2 7i j 2 d 段码显示电路 2 5 串行通讯 m s p 4 3 0 f e 4 2 7 芯片具有一个硬件通用同步异步接收发送( u s a r t ) r f 围模块， 用于串行数据通讯。u s a r t 支持同步s p i 和异步u a r t 串行通讯协议，采用双缓 冲的发送和接收通道。通信接口电路主要功能是接收上位机发送下来的命令字 及控制字，并将有效值、时间等数据信息传递给上位机。 m s p 4 3 0 f e 4 2 7 内部集成串行口，其串行口和其它标准串行接口芯片一样，输 入输出均为t t l 电平。这种以t t l 电平传输数据的方式，抗干扰性差，传输距离 短。为了提高串行通讯的可靠性，增大通讯距离，本表采用r s - 4 8 5 接口实现 m s p 4 3 0 f e 4 2 7 与上位机的申行通讯。r s 一4 8 5 是工业上使用最广泛的双向有补偿传 输线标准，它是为能够高速和长距离发送和接收的工业系统特别开发的其接口 标准主要是用于多站互联。其优点包括“1 ： r s 4 8 5 传输距离达到1 2 0 0 m ： r s 4 8 5 最高波特率可达到4 8 0 0 b p s ： r s 4 8 5 可与t t l 电平兼容： 差动方式传输的稳定性和抗噪声性能也明显优于共模传输方式： r s 4 8 5 传输方式最多可有2 5 5 个寻址地址，最多带3 2 个收发器。 m a x 4 8 5 通讯接口芯片是m a x i m 公司推出的一款标准的r s - 4 8 5 芯片“州”1 。采 用单一电源供电，电源电压为+ 5 v 工作，额定电流为3 0 0 u a ，采用半双工通讯方 式。它将t t l 电平转换为r s - 4 8 5 电平。其引脚和内部结构原理图如图2 8 所示。 从图中可以看出，m a x 4 8 5 芯片的结构和引脚都非常简单，内部含有一个驱动器 和接收器。r o 和d i 端分别为接收器的输出和驱动器的输入端，与单片机连接时 只需分别与单片机的r x d 和t x d 相连即可，r e 和d e 端分别为接收和发送的使能 端，当r e 为逻辑0 时，器件处于接收状态，当d e 为逻辑1 时，器件处于发送 1 2 状态，因为眦x 4 8 5 工作在半双工通讯方式，所以只需用单片机的个管脚控制 这两个引脚即可，a 端和b 端分别为接收和发送的差分信号输入输出端。当处 于发送状态时，如果a 引脚的电平高于b 时，代表发送的资料为l 。当a 的电平 低于b 端电平时，代表发送的资料为0 当处于接收状态时，如果a 引脚的电平 高于8 对。代表接收的数据为l ，当a 的电平低于b 端电平时。代表接收的数据 为o 。在与单片机连接时接线非常简单，只需要一根信号线控制m a x 4 8 5 的接收和 发送使能端即可同时将在a 和b 两端之间加匹配电阻，以提高传输过程中的 抗干扰能力。殷可选1 2 0 0 的电阻。在这个设计中，利用了m a x i m 公司的m a x 4 8 5 芯片完成t r l 串口电平信号和r s 4 8 5 信号的转换。m a x 4 8 5 包括一个驱动器和一 个接收器，由于它的驱动器的转换速率没有限制，所以它可以允许以2 5 m b p s 的速率传输。 r o r e d e d i v c c b a g n d 图2 8m a x 4 8 5 的结构和引脚 图2 9 为1 a x 4 8 5 在数字式多功能复费率电度表电路中的连接图。由于r s 4 8 5 串行通讯接口是对外开放的，它与电网直接相连，所以m a x 4 8 5 与内部电路的连 接都通过光耦进行隔离，电源也是独立的，以确保外部的信号对核心电路有最 少的干扰。即使r s 4 8 5 接口受到致命的静电破坏，最多只是损坏m a x 4 8 5 芯片， 电表核心电路不会受到影响。 图2 9m a x 4 8 5 在电表电路中的连接 2 6f e 4 2 7 计量电路 从图2 1 0 计量电路原理图可以看出，f e 4 2 7 的计量电路非常简洁。结合图 2 3e s p 的功能结构，计量电路可以分为三个部分，两个电流通道一个电压通 道。 两个两流通道和一个电压通道分别对应e s p 中三个独立的1 6 位a d 差 分输入。通常两个电流通道分别应用火线和零线电流的测量，实现防窃电功能。 两个电流通道选用电流互感器c t 或者分流器。电流通道i l ，( i l + ，i 卜) ， 从图中可以看到经c t 或者分流器后的差分电压从接口j 2 输入，经磁珠和l k 的保护电阻后接入f e 4 2 7 芯片的1 1 + 和i 卜两引脚。当选用分流器时，r 1 7 应 不安装，p l 不短接，当电流通道1 1 选用c t 时需要负载电阻1 t 1 7 ，同时短接 p 1 二级管d l ，d 2 ，d 3 ，d 4 是为了保证芯片引脚的绝对电压在允许范围，不至于 损坏芯片。这就是电流通道i l 的电路。 电流通道1 2 ( 1 2 + ，1 2 一) 的设计完全与电流通道i l 相同。电压通道v 1 。 ( v 1 + ，v l - ) 宣接由电阻r l ，r 2 ，r 3 和r i o 分压得到 这里请注意火线和零线要连接一个负载，以免短接。 1 4 图2 1 0 计量电路原理图 2 7 1 2 c 时钟芯片 2 7 1 时钟芯片 系统时钟要求一个非常精确的时钟，而且掉电后仍有时间标志，本系统 采用基于1 2 c 的时钟芯片p c f 8 5 6 3 ，其内部有备用电池，能满足掉电后电能自给。 为历史数据，统计数据存储提供时间记录和依据。 为电能量计算提供时闻依据。 在上位机提取时间是电能表中的一个重要数据，而要获得这个数据必须由 时钟芯片完成。“，如图2 1 l 其主要作用如下： 电参量时提供参照标准。 本系统选择了具有i c 总线接口、低功耗的多功能时钟日历芯片 p c f 8 5 6 3 “”i 总线的读写程序“”。 图2 1 1p c f 8 5 6 3 接线图 2 7 2 存储芯片 由于系统需要存储大量的电参数数据，m s p 4 3 0 f e 4 2 7 虽然内部有高达6 0 m b 的f l a s h ，但是在对f l a s h 进行读写操作时，有一些限制“帅”： f l a s h 操作时一般要关掉中断和看门狗定时器： f l a s h 操作需要一定的读写电压： f l a s h 操作需要较长的时间； 这就影响了系统的实时性。另外，在进行操作时要避免把程序和存储数据 放在f l a s h 中的同一段上，这增加了代码的长度和难度，因此采用片外的 e 2 p r o m 。 采用具有i 接口功能的e 2 p r o m ，有以下原因： 由于m s p 4 3 0 f e 4 2 7 的接口有限，为了减少占用m s p 4 3 0 f e 4 2 7 的i 0 ； 方便以后系统功能的扩展； 简化系统结构，提高系统的稳定性。 综上所术，在考虑到容量和代码效率的因素，选择了a t 2 4 c 1 0 2 4 “”，它的容 量是1 0 2 4 k b 如图2 1 2 ，与m s p 4 3 0 f e 4 2 7 的连接。因为i 总线的器件电气特 性采用的是歼漏极输出。需要通过两个上拉电阻使信号保持稳定，而且连接非 常简单，大大简化系统管脚连接。 1 6 d v c cc 8 4 a t 3 4 c 1 0 2 4 图2 1 2a t 2 4 c 1 0 2 4 和m s p 4 3 0 f e 4 2 7 的界面图 2 s 本章小结 本章主要讨论基于m s p 4 3 0 f e 4 2 7 多功能电能表的硬件系统设计，设计时主 要考虑可靠性、精确性及性价比三个方面的要求，分析了m s p 4 3 0 f e 4 2 7 技术参 数、原理、性能和电路设计原理。硬件系统的设计是系统设计的基础，根据本 课题多功能电能表的要求，确立了硬件系统的微机处理模块、电源模块、信号 处理模块、通讯处理模块、显示模块和i c 总线的外围模块。并针对每个模块进 行了分析。 1 7 第三章防窃电技术及其应用分析 当前，电子式电能表的防窃电技术在电能表行业中的地位越来越重要，不 同国家、地区的电能表市场都在不同程度上要求电能表的防窃电计量。 m s p 4 3 0 f e 4 2 7 芯片内部包含7 单相防窃电多功能电能表计量模块 e s p 4 3 0 c e i ，所以无需再扩展计量芯片，仅用单个m s p 4 3 0 f e 4 2 7 芯片就可以实现 单相防窃电多功能电能表。本文针对一些常见窃电现象，基于m s p 4 3 0 f e 4 2 7 芯 片，给出相应的防窃电技术。 常见窃电行为的类型嘲 窃电行为的种类很多，本文只概括为以下几种类型 1 增加额外的导线、旁路部分电流的窃电行为： 2 移动或移除电能表接线的窃电行为； 3 增加额外的器件，降低电压回路电压的窃电行为。 3 1 增加额外导线、旁路部分电流的窃电行为 增加额外的导线、旁路部分电流会导致火线和零线的电流不平衡，电流不 平衡典型为零线接地或火线短接，称之为欠流法窃电。窃电者旁路部分电流， 导致电表的测量值小于真实值。它通常是在电能表内部或外部用导线将电流线 圈短接，较常见的做法是用导线或并接电阻( 金属楔) 插入电能表的相线输入 端和输出端，起到分流作用。用导线短接，而导线电阻几乎等于零，绝大部分 电流将从短接导线通过，电能表的电流线圈几乎没有电流，致使电能表停转： 若并接小于电流线圈电阻值的电阻时，电流线圈跟并接电阻形成并联电路，根 据并联电路的分流原理，大部分电流将从并接电阻通过，电流线圈只有小电流 通过，致使电能表按一定比例慢转。从而达到窃电目的这种切电行为比较容 易实施。如果要求读表，窃电者可以在几秒内移除旁路电流的金属楔，所以很 难检测这种窃电方式。 要检测电流的不平衡就不可避免增加电表的成本，必须要额外增加一个电 流传感器，以实现零线的电流检测：由于隔离原因，可以在第一路的电流通道 上选用低成本的锰铜电阻，但是另一路就必须使用成本相对较高的电流互感器。 对于单相表，可以同时测量火线和零线的电流来检测电流是否不平衡。如图3 1 电流不平衡时的防窃电测量。 1 8 图3 1 电流不平衡时的防窃电测量 在图3 1 中，e s p 4 3 0 将同时计量经锰铜电阻取样的火线电流和经c t 取样的 零线电流。在正常情况下，漏电流是很小的，所以火线回路和零线回路的电流 基本一致，可以给电能计量模块e s p 4 3 0 预置一个两电流通道的窃电比例因子 r a t i o t a m p ，当电流通道1 的电流i i 1 2 * r a t i o t a m p 或电流通道2 的电流 1 2 i l * r a t i o t a m p 时，e s p 4 3 0 认为两个电流通道电流不平衡，表明有窃电行为 发生。 有一点需要注意。当负载很小时，可能会发生电流不平衡的错误检测，这 是应该避免的。应根据不同的应用给e s p 4 3 0 预置相应的电流不平衡检测开始电 流i 。，只有当负载电流大于i 。时，电流不平衡的检测才起作用。 窃电者可能会同时旁路两个电流通道进行窃电。要检测这种窃电行为，我 们应该使用更小的电流不平衡检测开始电流i 。，但是这个时候错误的防窃电检 测必须要更加重视，应该根据负载电流的大小，动态地改变窃电比例因子 r a t i o t a m p 。r a t i o t a m p 一般的标准为( 1 + l 8 ) ，大电流时可以用( 1 + 1 1 6 ) 或( 1 + 1 3 2 ) ，在小电流时可以用更大的窃电比例因子啪1 。 3 2 移动或移除电能表接线的窃电行为 移动或移除电能表接线会导致电流反向，这种方法称之为