（电路与系统专业论文）实时在线宽量程电能测量仪研制[电路与系统专业优秀论文].pdf

郑州大学硕十研究生论文 摘要 随着电力行业的高速发展，电能广泛应用的发展也异常迅速，电力资源也日益 短缺。在这样的大背景下，电力电能的有效、合理和透明地应用，也日益得到人们 的重视，现有的电能测量仪表不断地被新的、性能更可靠、功能更强大、携带更方 便、量程更宽广、精度更高的测量仪表所取代。取代的方向主要是集中在可靠性、 先进性、易用性、扩展性、和开放性这几个方面。基于这种情况，按照市场需求和 郑州泰克公司提出的技术指标，与郑州泰克公司合作开发了一种在能快速实时在线 测量有功功率电能、无功功率电能、视在功率电能、电流有效值、电压有效值、 电网频率、相位等数据的设备。为了达到快速的目的，采用宽量程的设计以适应在 线电流的大变化范围，适应各个行业的使用，实现实时数据抄收，也可通过表上的 按键进行设骨和查询。此外，通过所配置的u s b 口，进行快速的智能化校准和抄收 数据。还可以与其他的电能测量设备进行在线实时误差比较分析，求出误差百分比， 实时显示相关数据，并具有密码保护功能。 本文主要工作有：根据已有的文献报道和市场现有产品以及由泰克公司提出的 本应用的实际需求确定本设计的技术指标；针对指标做出合理的选型和设计；开发 出各电路模块和总体实现；最后根据调试和试用的情况对设计进行了优化和改进。 本设计采用通道智能切换的方法，实现了仪表的宽量程测量，采用高精度专用 d s p 电能计量芯片来保证电能测量仪精度方面的要求，采用高速、稳定的m c u 来 实现系统的通讯、显示、键盘管理和控制功能，采用u s b 口来和上位机进行校准和 抄表通讯，采用串口( r s 一2 3 2 ) 来进行数据外传，用看门狗来防止死帆以实现在线 仪表的可靠性。 本文对实时智能化宽量程电能测量仪表的优缺点进行了分析总结，本设计均达 到预期设计目标，并通过调试。 关键词：在线智能电能测量，宽量程，实时在线，a 1 广r 7 0 2 2 ，w 7 8 e 5 1 6 b 塑型查堂堡主塑壅圭堡茎 a b s t r a c t a l o n gw i t l lt h es u p e r _ s p e e dd e v e l o p m e n to ft h ee l e c t r i cp o w e ri n d l i s t r y e x t e n s i v e a n da p p l i e dd e v e l o p m e n ti ne l e c t r i cp o w e rh a sb e e na b n o 册a l i t yq u i c k l y ，e l e c t r i cp o w e r r e s o u r c e si sb e c o m i n gt o oi i l c r e a s i n 目ym i s s i n g u n d e rs u c hb i gb a c k 目d u n d ，p e o p l ea r e i n c r e a s i n 出yc o n s i d e re l e c 啪cp o w e ro fv a l i da n dr e a s o n a b l ew i t ht r 柚s p a r e m l y 叩p l i e dt o b ei m p 0 t t a n t ，t h ec u 订e n te l e c t r i cp o w e im e a s u r a b l ei n s 讯l e n ti sc o n s t a n t l yi m p r o v e m e m ， t h ef i l n c t i o nb e c o m e ss t r o n g e r ， m 甜ed e p e n d a b l e ，t h eu s a g eb e c o m e sm o f ec o n v e n i e n t ， t h em e a s u m e n td i s t a n c eb e c o m e sw j d e r ，t h eh i 曲e rp r e c i s ei n s t m m e n t sr e p l a c e dt h e i n s t r i l m e n ti ne x i s t e n c e t 1 l ed j r e c t i o no fr e p l a c i n gc o n c e n t r a t e dp r i m a r i l yi na s p e c t ss u c h a s ：t h eq u a l i t yo fd e p e n d a b l i t y a d v a n c e m e n t ，u s e a g e ，e x t e n d a n c e ，o p e n n i n g a c c o r d j n g t ot h i sk i n do fc i r c u m s t a n c e ，w ec o m b i n e dw i t ha c t u a lc i r c u m s t a n c c ，a n dd e v e l o p e dt h i s i t e mt h r o u g hc o o p e r a t i n gw i t hz h e n g z h o u t a i k ec o m p a n yi nz h e n g z h o u ， a i m i n g a t d e v e l o p j n gak i n do fi n s t t u m e n tt h a tc a nb em e a s u r ee k c t r i cp o w e ta n dp o w e r l e s s ，a n d v i s u a lp o w e r ，c u r r e n tv a l i dv a l u e ，v o l t a g ev a l i dv a l u e ，c h a r g e db a r b e dw i r en e tf r e q u e n c y ， p h a s ed a t ao n l i n et oe x a m i n el h r e ep h a s e st h f e el i n e s ，m r c ep h a s e sf o u rl i n e se l e t r i cn e t d a t a q u j c k l y 7 i b r e a j i z et h e p u r p o s e o f r a p i d ，d e s j g n e d t h e w i d e - r a n g e c u 兀弓n t m e a s u r e m e n tt oa p p l ya l la s p e c t a n dr e a l i z et h ec o p ya n dr e c e j v eo fw i r e do rc o r d l e s sd a t a ， a l s oc a n p a s st h ek e yo nt h ef o n t lp r o c c e d st os e ta n di n q u i r e ，i na d d i t i o n ，i n s t a l la nu s b i n t e f f a c e ，w h i c hc a np a s s b sl h em a c h i n ep r o c e d u r e ，p r o c e e d j n gl h ef a s tj n t e l l i g e n c ea d j u s l a n dr e c e j v ed a t a t h i sd e s i g nc a na l s oc o m p a r et h ee r r o r sw i t ht h e 出a ao fo t h e re l e c t t i c p o w e ro n 。l i n et i m i n g l ya n da n a l y s e ，g c ta ne r r o rm a r g i np e r c e n t a g c m a n i f e s tt h er e l a t e d d a a ，c o m b j n el oh a v ep a s s w o r dp r o t e c t i o nf u n c t j o n t h i sp a p e ri st os t u d i e sp r i m a “l yt h ew o r kt h a tc o n t e n t sd oh a v e ：u n d e r g o n et h ed a t a o fp a s te v e r yk i n do fe l e c t r j cp o w e rg a u g e ，d e s i g n e dt h et e c h e n 0 1 0 9 yp a r a m e t e rb a s e do n a i k ec o 甲o r a t c sr e q h i r e m e n ta n dp r a c “c ec i r c u m v e n t c h e c k e dt h ej n s i r u m e n tf o ri n d e x ， d e v e l o p e da nc i r c u i tm o d u l ea n dt o t a ld e s i g n i n g ，i m p r o v e dt h ed e s i g n i n gt h r o u g ht h e t e s t ，a tl a s tc a u s e dt h ep r o d u c t s t h ed e s i g n i n ga d o p tt h em e t h o dt h a tp a s s a g ei n t e l i i g e n tc u to v e lr e a l i z et h eb r e a d t h u 邦州大学硕士研究生论文 m e a s u r e st h eh i g ha c c u m c yi nd i s t a n c em e a s u r e ，t h ea d o p t i o ni sa 1 1w o r t hw i t ht h et i r e d m em e t h o dt h a ta d dt oe l e c t f i cp c l w c rt h a ti e a l i z c st h et e q u e s tm e a s u r e st l l ea c c u i a c yo f i n s t m m e n t ，a d o p t i o nu s b ad e p e n d a b l ef o r t ow i t hp l a c co f h o n o rm a c h j n ep r o c e e d i n g s c h 0 0 1a l l o w i n gw i t i lc o p y i n gf 0 加c o m m u n i c a t i o n ，a d o p t i o nac o m j n gp r o c e e d i n gs t r i n g o u t s i d el h ed a t a ，c a nt r a n s f e f i n g4 8 5g o s s i p sn o wd a t as o l i dh o u rf a rs p r e a d i n 昌u s i n gt h e w 矾c h d o gp r e v e m st h ed e a dm a c h i n ei e a l i z i n go n l i n eg a u g c t h ep a p e ra i l a l y s i s e dt h em e r i ta n ds h o n c o m i n go fr e a l t i m ei n t e l l i g e n tw i d e r a n g e p o w e rm e a s u t e m e n ti n s t r i l m e n t t h ed e s i 印h a v er e a l i z c da n dp a s s e dt oa d j u s ti ot 珥 k e y w o r d s ： t 1 1 eo n l i n ei n t e l l i g e n tp o w e rm e a s u r e m e n t ，w j d e - r a n g e ，肖j 1 7 0 2 2 ，w 7 8 e 5 1 6 b i 】i 郑重声明 学位论文作者( 签名) 旅酗串 狒s 玛苷 郑州大学硕上研究生论文 1 1 引言 第一章绪论 随着微电子技术、计算机技术和通讯技术的飞速发展，各种圆盘式电力电能测 量仪表逐渐落后于时代，人们对电能的测量已开始不再满足于简单的电能测量，对 电能的质量、利用率、电压有效值、电流有效值、电压涌动量、电网频率这些专业 数据也开始关注，随着电器的发展和上下班用电高峰和低谷的客观存在，全电子、 宽量程，多功用、便携式的高精度电能测量仪表的需求已提到日程。本在线宽量程 电能测量仪表就是在这种环境下开发的。 以前的交流电能的测量，普遍采用感应式机械电能表，这种电能表往往只能篱 单模糊的测量电能被利用的功率，对电压，电流的脉动则反应迟钝。随着电子技术 的发展，逐渐研制了电子式数字化电度表，也称静态电度表f 3 8 】。这个时候的仪表智 链化程度还不高，但相比而言，对同等缴的表计，电子式电度表在电流线性、电压、 频率测量上都要比机械式的好得多，而且其体积也比较小，但由于其可靠性和价格 两方面因素使得其不能得到普遍的推广。随着电子技术和计算机技术的发展，数字 式宅子电度表开始了应用，随着新器件的应用及实际运行经验的积累，其可靠性价 格及使用寿命逐步得到用户的认可。和传统的感应式机械电能表相比，电子式电能表 具有可测量多种实时参数、计算多种累计量，直接输出脉冲，智能化、网络化和可以 进行多种功能组合等优势。所以，国内外电能计量表丈都向着可靠性、易用性、多 功能、智能化和可扩展的方向发展【1 6 i ，而且几乎都采用专门的数字信号处理器和c p u 微处理芯片对电表进行开发和生产【3 4 i 。这些专用芯片的共同特点是：集成度高、精 度高、接口简单，为设计高性能的电子式电能表提供了很好的解决方案。采用这些专 用芯片来开发电子式电能表，不仅能够测量电压有效值、电流有效值、功率因数还 可以测量有功功率、无功功率、视在功率、实现有功无功能量测量，而且有的还提 供测量电网频率、相位、反向有功指示等功能。这种能测量电网各个参数的仪表不 但能做为测量电能的累加值的仪表，这些测量数据还可以作为评估电能质量的有效 数据，为电能的科学管理提供了有效保证，而且电子式电能表的突出优点是智能化 体积小、重量轻、使用方便、维护量小、灵敏度高、精度高、便于二校验、安装，过 郑州大学硕士研究生论文 载能力强，有数字输出接口，这为实现自动化和网络化抄表提供了可能。 基于上述背景，本文介绍了这种由新一代专用电能测量芯片和单片处理器为核 心所开发的电能计量系统。本系统具有量程宽，精度高，易于携带等优点，并具有 u s b 口，方便与计算机的智能接口，并具有有功、无功校表输出，便携、易用，智 能化，便于数据管理。该装置具有如下特点： 商可靠，低成本，易携带； 测量信息全，操作简单，使用方便： 有u s b 口，系统软件开放式设计，可以与计算机接口； 通过用户操作权限管理，保护系统数据安全： 有校表脉冲输出，方便校表操作； 使用方便，节省安装和维护费用； 硬件设计的可扩充性，为以后升级做了铺鹅。 全电子，信息化，智能化设计。 1 2 系统设计概述 1 2 1 系统硬件设计 仪表的前端信号采集采用多量程的电流互感器( 电流钳) 进行在线实时数据同 步采集，计量芯片采用了专门的d s p 三相电能计量芯片，该芯片用单+ 5 v 供电，智 能化程度比较高，支持l c e 6 8 7 1 0 3 6 ，g b 厂r1 7 2 1 5 1 9 9 8 ，有功测量满足o 5 s 0 2 s ，芯片 内部集成了六路二阶s i g m a d e l t a a d c 、参考电压电路以及所有功率、能量、有效值、 功率因子以及频率测量的数字信号处理等电路，能够测量各相以及合相的有功功率、 无功功率、视在功率、有功能量以及无功能量，同时还能测量各相电流、电压有效 值、功率因子、相角、频率等参数，充分满足三柏复费率多功能电能表的需求。m c u 采用华邦w 7 8 e 5 1 6 b 八位单片机，该单片机性能稳定，功能强大，工作频率可达 4 0 m h z ，同8 0 c 5 1 完全兼容。实时时钟采用美国d a l l a s 的d s l 2 c 8 8 7 智能芯片， 该芯片具有自动闰月功能，带有近1 0 0 年内的日历。u s b 芯片采用c h 3 7 5 ，该芯片 是比较智能的u s b 协议转换芯片，支持u s b l 1 和u s b 2 0 。显示部分采用3 2 0 x 2 4 0 点阵图形液晶显示模块s e d l 3 3 5 。 郑州大学硕士研究生论文 1 2 2 系统软件设计 系统单片机软件设计采用高级语言c 语言设计，这样系统软件的后续升级 潜力比较大，软件的结构采用模块化设计，在这个系统日趋复杂的环境下，这个选 择是必然也是以后发展的趋势，用c 语言有不可比拟的优势： 大幅度加快开发进度，特别是本系统，程序开发量大，更具优势。 软件的结构化编程 省去了阻前的分配单片机资源的过程 方便以后的单片机更新换代的原代码的移植 可充分利用单片机的已有的数据结构，例如数组，结构体等。 系统软件程序主要包括： 菜单程序的设计 数据处理程序设计 a d c 通信部分程序设计 显示驱动程序的设计 u s b 驱动程序的设计 串行通汛程序的设计 郑州大学硕士研究生论文 第二章系统硬件设计 2 1 硬件设计技术指标 根据市场调研和泰克公司提出的需求，确定本设计要完成的技术指标如下 1 、功能 在线测量电流量程宽 全中文菜单显示，智能化处理 全数字技术，四象限有无功测量 自带液晶显示及误差计算 谐波分析、失真度计算 三相电能、电压、电流、功率测量及功率、功率因数、误差计算等 标准r s 2 3 2 通讯和u s b 口，可配计算机上位机软件，实现更多功能 2 、指标 精度等级：0 2 级： 相位测量：0 3 5 9 9 9 。，误差：0 0 5 。 频率测量：4 5 6 5 h z ，误差：0 0 1 h z 电压量程：3 x 2 2 0 v 、3 3 8 0 v 电流量程：0 1 0 a 、1 0 1 0 0 a 、1 0 0 2 0 0 a 、2 0 0 5 0 0 a 四档，量程 自动切换 工作环境：温度：2 5 1 1 5 ( 精度保证) ，湿度：7 0 1 5 ( 无凝 露) 供电电源：a c 2 2 0 v 1 0 功耗：= 1 0 w 4 郑州大学硕士研究生论文 2 2 系统硬件设计方案 2 2 1 同类电能测量装置的指标比较 目前三相电能计量方案中，采用专用集成电路的方案所占的比重越来越大，逐 渐成为主要的发展趋势p ，现在市场上出现的方案主要有以下几类： 1 、三片c s 5 4 6 0 + 双m c u 2 、单片声j w 7 5 4 + m c u 3 、单片s a 9 9 0 4 + m c u 对上述的三个三相电能测量仪表设计方案进行简单比较如下： 三片c s 5 4 6 0 + 双m c u 方案，采用的是双单片机结构，一个用于计量，另一个 用作多功能管理程序。c s 5 4 6 0 是c i m l sl o g i c 公司产品，是带有能量计算引擎的 c m o s 单芯片功率测量装置f 3 9 ，其中计量m c u 需要根据电流、电压有效值完成视在 功率的运算然后再根据求得的视在功率计算无功功率。c s 5 4 6 0 电流、电压有效值 的更新时间是1 秒钟1 3 ，即每秒钟计算一次视在功率蛆及无功功率，这就导致该方 案出来的无功功率在实时性方面很难得到保证。 s a 9 9 0 4 芯片是s a m e s 公司推出的双向三乡电表集成电路芯片，单片 s a 9 9 0 4 + m c u 方案中由于s a 9 9 0 4 提供的参数很少，仅仅包含有各相的有功、无功、 电压有效值以及频率参数，这些参数远不足以满足多功能电能表的要求。因为其没 有直接提供合相的功率参数，m c u 必须将各相参数读回后进行累加处理，导致m c u 通过s p i 读取数据的时间间隔要尽可能的短( 1 0 0 m s 左右1 ，以保证实时性的要求，这 样对单片机的要求比较高，比较难于实现。这同样也存在一个问题就是功率的实时 性难于得到保汪。 a d 7 7 5 4 是a j l a l o gd e v i c e s 公司的电能计量芯片，单片a d 7 7 5 4 + m c u 方案的 一个主要缺陷在于不能提供分相参数。有功功率以及视在功率都是以合相的方式 提供。采用两种方式测量无功功率：一种是仅仅测量基频的无功功率，另一种是测 量包含基频和多次谐波的无功功率，显然第一种测量方法并不能准确测量无功功率， 因为电力网 二各次谐波总是存在的。第二种测量方法能够得到比较准确的无功，但 是需要外部m c u 的配合，由于根据视在功率以及有功功率来计算无功功率，m c u 郑州大学硕士研究生论文 的运算量比较大，这样对单片机的要求也较高。考虑到对单片机的限制，同样会遇 到对于高次谐波无功测量精度的问题。 2 2 2 本系统设计方案的特点 本设计采用a 哪0 2 2 + m c u 的方案，对比以上方案，该方案主要有以下优势： 单片机无需进行任何复杂运算，所有测量参数都由栅0 2 2 直接提供，提供四 象限功率测量参数；无功功率可准确测量到2 1 次以上谐波；由于所有参数都是内部 d s p 直接进行运算的结果，所以能够保证足够的精度。a 1 1 7 0 2 2 基本提洪了多功能 复费率电能表所需的所有参数，外部m c u 无需进行任何辅助运算，只需要完成多 功能电表需要的管理和通讯协议程序即可。同时，甜t 7 0 2 2 具有内部专用d s p 信号 处理电路，且所选m c u 也具有较高的时钟频率，使数据的处理和通信所花费的时 间较短，从而在保证一定精度的情况下，为宽量程电路提供了切换时间，因此采用 a r r 7 0 2 2 方案容易实现在线实时宽量程测量，并能够保持一定精度。 2 3 核心器件的选择 本课题根据泰克公司提供的技术要求，对市场现有产品进行充分的调查，确定 了装置的技术指标。根据这些指标进行了装置的系统设计，经过若干方案的论证， 最后确定系统的技术实现方案，即由a d c 、m c u 、液晶显示、数据存储及控制电路 和通讯电路等组成，在系统设讨定型后，对核心器件的选用进行了论证和选型。a d c 芯片要保证系统的精度和各相之间的相位差，经过对市场中主要芯片的考察，选用 同步采样的带d s p 功能的电能计量芯片a ：r r 7 0 2 2 作为a d c 芯片；系统中数据处理 芯片要求能够完成一些数据运算和控制并对处理速度有要求，经过考察选用华邦8 位单片芯片w 7 8 e 5 1 6 b 作为系统的主处理芯片；针对显示器件要使得人机交流方便 界面友好，选用3 2 0 ) ( 2 4 0 点阵的s e d l 3 3 5 彩色图形液晶显示模块作为显示器件。这 样构建了个具有实时数据处理功能的系统，而且也可提升系统对大量数据的处理 速度，同时采用彩色图形液晶作为显示器件，人机交流比较方便。在系统中选择价 格相对低廉的芯片使得总体成本降低，系统性价比大大提高。 本课题设汁a d c 芯片与w 7 8 e 5 1 6 b 的接口、w 7 8 e 5 1 6 b i 液晶显示模块的接 口、w 7 8 e 5 1 6 b 与键盘的接口、w 7 8 e 5 1 6 b 与上位机通信、数据存储和对电机控制 郑州大学硕士研究生论文 等硬件电路。并在系统抗干扰性上作了精心设计。 2 3 1w 7 8 e 5 1 硒单片机概述 根据本课题的技术要求，本装置需要m c u 具备以下功能： 需要对一些数据作运算并判断，并控制数据的传输。 控制液晶实时显示各项参数并便于用户操作。 将各项参数保存。 当前考虑性价比可采用单片机或d s p 来实现其功能，现阶段d s p 具有速度快， 精度高，实时处理能力强，能够实现复杂算法等优点。但由于本课题所涉及复杂算 法均由内嵌有d s p 的专用计量芯片独立完成，m c u 不需要复杂的数据运算处理， 况且目前新型单片机具有控制功能较强、指令较简单、价格较便宜，速度同样较快， 容易实现规模生产等优势，又出于成本的考虑，故采用华邦公司最新产品时钟频率 达4 0 m h z 的w 7 8 e 5 1 6 b 单片机。 w 7 8 e 5 1 6 8 1 1 5 】是具有带i s p ( 1 n s y s t e mp r o g m m m i n g ) 功能的f l a s he p r o m 的 低功耗8 位微控制器：可以通过s p i ( 同步串行接口) 或其它的串行接口接收上位机 传来的数据并写入程序存储器中。 w 7 8 e 5 1 6 b 采用通用的5 1 内核，因此它的指令集同标准8 0 5 2 指令集完全兼容。 w 7 8 e 5 1 6 b 包含6 4 k 字节的主r o m 、4 k 字节的辅助r o m ，5 1 2 字节片内r a m ；4 个8 位双向、可位寻址的i o 口：一个附加的4 位i o 口p 4 ；3 个1 6 位定时计数器及一个串 行口。这些外围设备都由有8 个中断源和2 级中断优先级的中断系统支持。为了方便 用户进行编程和验证，w 7 8 e 5 1 6 b 内含的r o m 允许电编程和电读写。一旦代码确定 后，用户就可以对代码进行保护。 w 7 8 e 5 1 6 b 有2 种节电模式，空闲模式和掉电模式，2 种模式均呵由软件来控制 选择。空闭模式下，处理器时钟被关闭，但外设仍继续工作。在掉电模式下晶体振 荡器停止工作，以将功耗降至最低。乡卜部时钟可以在任何时问及状态下被关闭，而 不影响处理器运行。 w 7 8 e 5 1 6 b 特性如下： 全静态设订1 的c m o s8 位微处理器最高达4 0 m h z 6 4 k 字节并带i s p 功能的f l a s he p r o m ，用来存储应用程序 郑州大学硕士研究生论文 4 k 字节的辅助r o m ，用来存储装载程序( l d r o m ) 5 1 2 字节片内暂存r a m 6 4 k b 程序存储器地址空间和6 4 k b 数据存储器地址空问 4 个8 位双向u o 口 一个4 位多功能可编程口 3 个1 6 位定时计数器 一个全双工串行口( u a r t ) 8 个中断源，2 级中断优先级 内建电源管理 代码保护机制 w 7 8 e 5 1 6 b 内部结构图( 如图2 1 ) ： 图2 1w 7 8 e 5 1 6 b 内部结构图 w 7 8 e 5 1 6 b 的体系结构不同于通用的c 5 1 单片机，它包括一个外围有多个寄存器 的核心控制器，4 个通用加口，一个4 位呵编程特殊功能i o 口，5 1 2 字节的r a m ，3 个定时器计数器， 。个串行口，一个内部7 4 3 7 3 锁存器和7 4 2 4 4 缓冲器。处理器支持 1 11 条不同的操作码，并可访问6 4 k 的程序地址空间和6 4 k 的外部数据存储空间。 一、r a m 特点 郑州大学硕上研究生论文 w 7 8 e 5 1 6 b 有5 1 2 字节的片内m m ，它被分成了2 个区，一个2 5 6 字节的暂存r a m 区，和一个2 5 6 字节的辅助r a m 区。这些ra m 通过不同的方式寻址。 地址为0 0 h 7 f h 的r a m 这些r a m 可以用与8 0 5 l 相同的直接或间接寻址方式来 寻址。在选定的r a m 区内，寻址指针是r 0 和r 1 。 地址为8 0 h f f h 的r a m 只能以与8 0 5 1 相同的间接寻址方式来寻址，在选定的 r a m 区内，寻址指针是r o 和r 1 。 地址范围为o o h n 埘的a u x r a m 的寻址方式与用m o v x 指令访问外部数据 存储器的寻址方式相同。在选定的r a m 区内，寻址指针是r o 、r l 和d p t r 。对于地 址高于唧的外部数据存贮器的访问，寻址方式与8 0 5 1 下的m o v x 指令相同。在复 位以后，a u x r a m 是被关闭的。把c h p c o n 寄存器中的b i t 4 置位，可以使能对 a u x r a m 的访问。在使能a u x r a m 后指令“m o v x r i ”将始终访问片内 a u x r a m 。当执行的指令来自于内部程序存储器时，对a u x r a m 的访问不会影响 p 0 ，p 2 口以及w r 、r d 。 二、定时器o ，l ，2 定时器o ，1 ，2 中郡包含2 个8 位数据寄存器。分别是定时器0 下的t i j 0 、t h 0 ， 定时器1 下的t l l 、t h l ，定时器2 下的t l 2 、t h 2 。t c o n 和t m o d 对定时器o ，1 进 行控制。t 2 c o n 寄存器对定时器2 进行控制。r c a p 2 h ，r c a p 2 l 是定时器2 的重装 捕捉寄存器。定时器0 和l 的操作与w 7 8 c 5 1 相同。定时器2 为一1 6 位定时，计数器，通 过1 2 c o n 设定和控制。与定时器o 和l 相同，定时器2 可以根据t 2 c o n 的c 傩位，设 定作为外部计数器或内部定时器，定时器2 有三个操作模式：捕捉，自动重装和波特 率发生器。捕捉或重装模式的时钟速度与定时器o 和1 相同。 三、时钟 w 7 8 e 5 1 6 b 既可以使用一个晶体振荡器，也可以使用一个外部时钟。在使用之 前，时钟频率由内部二分频。这使得w 7 8 e 5 1 6 b 对时钟占空比变化相对不敏感。 四、晶体振荡器 w 7 8 e 5 1 6 b 包含一个内置的晶体振荡器。为使振荡器工作，必须在x t a l l 和 x t a l 2 管脚之间连接一个石英晶体。另外，必须分别在这两个管脚和地之间连一个 郑州大学硕士研究生论文 负载电容。同时，当频率高于2 4 m i z 时，需要在册a l l 和x t a l 2 管脚间接一电阻 以防止d c 偏压。 五、电源管理 空闲模式：通过将p c o n 寄存器的i d l 位置位，系统进入空闲模式。在空闲模式 下，连接到处理器的内部时钟被关闭。外设和中断逻辑继续工作。当有中断或复位 发生时，处理器退出空闲模式。 掉电模式：通过将p c o n 寄存器的p d 位置位，处理器进入掉电模式。在这种模 式下，包括振荡器在内的所有时钟被关闭。退出掉电模式的是硬件复位或外部中断 触发信号。 六、复位 外部r e s e t 信号在s 5 p 2 期间被采样。为使复位有效，在振荡器运行时，复位信 号至少要保持两个机器周期的高电平。当w 7 8 e 5 1 6 b 应用一个外部r c 网络时，复位 线上的内部触发电路用来防止尖峰脉冲。复位逻辑电路也带有个专用的消除尖峰 脉冲的电路，同样可以消除复位线上的尖峰脉冲。在复位期问，端口地址被初始化 为f f h ，堆栈指针为0 7 h ，p c o n ( p c o n 4 除外) 为o o h ，除s b u f 之外的所有s f r 寄 存器为0 0 h ，s b u f 不被复位。 七、口4 i o 口4 的地址为d 8 h ，是一个4 位多功能可编程l ，o 口。每个管脚都可以通过软 件来单独设置。i o 口4 有4 种工作方式。 模式0 ： p 4 0 p 4 3 是与p 1 口功能相同的双向i 0 口。如果外部中断2 l n t 3 i n t 使 能，p 4 2 、p 4 3 复用为i n t 2 册汀3 输入口。 模式l ：p 4 o p 4 3 是在指定地址单元处与r d 信号同步的读信号。这些信号可用 做外部设备的片选信号。 模式2 ： p 4 o p 4 3 是在指定地址单元处与w r 信号同步的读信号。这些信号可 用做外部设备的片选信号。 模式3 ： p 4 o - p 4 3 是在指定地址单元处与r d 或w r 信号同步的读、写信号。这 些信号可用做外部设备的片选信号。 郑州大学硕上研究生论空 当p 4 口设置为片选信号时，片选信号地址根据s f rp 4 x a h ，p 4 x a lp 4 c o n a 和 p 4 c 0 n b 的内容安排。寄存器p 4 x a h 和p 4 x a i _ 怠含1 6 位基本地址。寄存器p 4 c o n a 和p 4 c d n b 为p 4 口工作模式的控制位。 2 3 2 筒 t 7 0 2 2 芯片概述 在周期性电参量的测量中，如采集电机的各项参数，对电机电流、电压等要保 证电压与电流之问的相位差、各相之间的相位差，还要求有相当的精度。a d c 是模 数转换电路的核心器件，模数转换电路的精度也主要取决于a d c 的分辨率，该环节 在电气测量系统中占有重要地位。根据f f l l 算法的要求，采样点应均匀分布在一个 信号周期内，即应当实现严格的同步采样，否则会引起信号的频谱泄漏，带来很大 的测量误差。进行同步采样是准确测量实时信号的关键。所谓同步采样就是将信号 的一个周期( 或多个周期) 进行均匀离散，在每一离散点处取其信号的瞬时值。在 此之前，一般采用多个采样保持器加上多路转换开关和高速高分辨率的模拟数字转 换器来构成一个同步采样模块。现阶段出现了很多同步采样的应用于电力系统的 a d c 模块可供选用( 如t i 公司的a d 7 8 6 4 、a d 公司的a d 7 3 3 6 0 等) ，它们具有较 高的精确度( 如a d 7 8 6 4 为1 2 位a d c 、a d 7 3 3 6 0 为1 6 位a d c ) ，较高的转换速 度，但其芯片价格较贵而且不带d s p 功能；同时也可选用多功能电能计量芯片( 如 a d e 7 7 5 8 、椰0 2 2 等) ，它也采用同步采样也具有较高的精确度，而且将大部分参 数计算出，可直接读取。为减少后面m c u 的工作量，使之免于大量计算基本参数， 而专心于后期数据处理，选用国产的价格较便宜的多功能电能计量芯片a = r r 7 0 2 2 。 a r r 7 0 2 2 【8 】是珠海炬力集成电路设计有限公司生产的一款高精度三相电能计量 芯片，该芯片对有功、无功功率的测量精度分别达到0 2 s 和o 5 s ，所能测量的电参数 包括有功、无功、视在功率、双向有功和四角限无功电能；电压和电流有效值；相 位、频率等。a t r 7 0 2 2 具有计量参数齐全、校表功率完善等优点，简化了软件设计， 缩短了软件开发周期。特别是a 1 1 v 7 0 2 2 可支持全数字校表，即软件校表。软件校表 可提高校表精度、简化硬件设计、降低设计成本，为三楣多功能计量装置提供了功 能更加齐全、设计更加简单的应用方案。 a r r 7 0 2 2 是q f p 4 4 封装的4 4 脚芯片，主要包括三大部分电路：a d c 部分、数字信 号处理部分、通信及其它。其内部结构框图如图2 2 。 郑州大学硕士研究生论文 图2 2f 盯7 0 2 2 内部结构框图 该芯片的a d c 部分集成了6 路二阶a d 转换器，采用过采样技术，6 个通道 可同步采样，采用双端差分信号输入方式分另f l 针对三相电压、三楣电流检测，各路 的采样是1 6 位模数转换，经过片内运算电路的处理，得到2 4 位的参数输出。同步采 样对于计算功率和功率因数等的同时需要计算某瞬时电压、电流值尤其重要，可以 保证测量的准确性。 数字信号处理部分：对a d c 转换后的数据先经过数字滤波器滤波，然后分别计 算各相的有效值、有功功率、相位、功率因数、电能和台相的有功功率、频率、功 率因数等电力参数。同时还提供电阻网络校正和软件校正两种方式作误差校正用。 软件校正是通过相关的校表寄存器对增益、相位进行补偿，从而保证三相电压、三 相电流的增益、相位精度要求。校表寄存器的参数是由用户提供的。其内部单相采 样及数据处理如图2 3 。 一r 睡哑一电甓益r - 一t 一一一 量 岖驾剑黼h 砸哥一= 一厂厂一面萤掣 一一： 向葫瓣【0 一墼颦 i 桃住柳平丌耳 广卜r 一+ 电驾、蟹煎声翘窆卜f 辫t 靠援 l 一q 亟塑避野j 电麓“；一l 一螺 图2 1 3姗0 2 2 数据处理原理图 郑州大学硕士研究生论文 在有功功率计量中由于a d c 采用过采样技术，可充分保证测量速度和精度，可 包含高达2 1 次的谐波信息。 通信部分：a m 0 2 2 提供一个串行外设接口( s p i ) ，方便与外部m c u 之间进 行数据传递。所有计量参数都可以通过s p i 接口读出。 另外，姗0 2 2 内部提供电压监测电路，用以监测工作电压。 a 1 阿0 2 2 首先通过6 通道1 6 位的a d c 模数转换电路来对输入电流和电压 信号进行采样，转换后的数字量再经过2 4 位d s p 数字信号处理以完成全部三相电 能参数的运算，同时将结果保存在相应的寄存器中并通过s p i 口与m c u 进行数据 交换，d s p 模块同时还生成有功无功电能脉冲输出c f l c f 2 ，可用于现场校表。 册0 2 2 在设计中已考虑到校表的方便性，采用全数字校表，只需适当修改校表寄 存器即可实现校表功能。删0 2 2 提供有标准的s p i 接口，可与带s p i 口的m c u 直接连接，也可用适当的i o 口线仿真s p i 总线，其仿真读写程序很容易实现。 彻0 2 2 的一个数据传输总线从向s p l 接口的d l n 端送入8 位命令字开始的，当命 令中包括一个写入命令时，在其后的2 4 个s c l k 周期内，串r j 将持续从d i n 端读 入2 4 位串行数据。当发出一个读取命令时，串口将根据发出的命令来进行寻址，然 后在其后的2 4 个连续的s c l k 周期从d o u t 引脚上串行输出寄存器内容。数据的 传输总是m s b 在前，l s b 在后。读寄存器时，s c l k 为高，数据在d o u t 引脚上 有效。而在写寄存器时，数据则在s c l k 的下降沿从d i n 引脚读入。胛r 7 0 2 2 的读 写时序如图2 4 。 c s - 厂 ! 10 0 1 1 1 1 0 1 1 10 1 1 呷1 1 1 1 1 1 10 1 1 1 1 1 i 坠坷殛匪团 塑圃亚圈强田丑硒卿 图2 4a 丌7 0 2 2 的读写时序 a m 0 2 2 的寄存器分为纠量参数和校表参数两部分。器件中的计量参数寄存器 多达8 2 个，它们的地址在0 1 h 6 f h 中不连续分布，未使用部分可留给以后扩展。 计量参量的计算全部由硬件完成，用户只需进行单位换算就可得到测量值。 郑州九学硕上研究生论文 校表参数寄存器包括相位补偿设置、功率增益、相位校正、电压电流校正、比 羞补偿设置、启动电流、高频脉冲输出设置、断相阀值电压设置和合相能量累加模 式等3 6 个寄存器，它们的地址不连续地分布在0 1 h 2 a h ，也考虑了以后的扩展。 应当说明的是，两个寄存器的地址有重叠部分，但它们的物理位置是分开的，可以 通过读写命令来区分。 校表是电能表设计中非常重要的环节，a m 0 2 2 上电复位后，校表寄存器的初 始数据为默认值，此时读出的计量参数值和实际参数值不符，因而需要对校表寄存 器进行设置，以将测量值减小到误差范围之内。校表可按高频输出参数设置、比差 补偿区域设置、角差补偿区域设置、功率增益校正、相位校正、启动电流设置、功 率增益校正、参量累加模式设置、电压校正、电流校正的先后顺序进行。现以电压 增益的校准为例简要说明a 1 t 7 0 2 2 的校表方法。 电压增益校正u g a i n a 、u g a i n b 、u g a i n c ：在a 下r 7 0 2 2 初始化时，u g a i n 为0 ， 标准表上读出的电压有效值为u r ，通过s p i 口读出的测量电压有效值寄存器的值为 d a t a u 。此时，如实际电压有效值u r ，测量电压有效值为u r n l s = d a t a u 21 0 2 ”，由 于：u g a i n = ( u 以j 娜s ) - 1 ，因此，如果( u g a i n = o ) ，则u g a i n = i n t f u g a i n 22 3 ，否则 u g a d ( o ，则u g a i n = i n t 【2 “+ u g a i n 22 3 】，式中，i n t 表示取结果的整数部分。 2 4 实时时钟电路 给系统提供实时时钟采用了d s l 2 c 8 8 7 1 1 4 】芯片。d s l 2 c 8 8 7 是美国达拉斯半导 体公司最新推出的时钟芯片，采用c m o s 技术制成，把时钟芯片所需的晶振和外部 锂电池相关电路集于芯片内部同时它与目前i b ma r 计算机常用的时钟芯片 m c l 4 6 8 1 8 b