（交通信息工程及控制专业论文）数字式多功能复费率电度表研制.pdf

南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 随着我国经济的发展，电力资源正逐渐成为人民生产、生活不可缺少的一部分。 而传统的电量计量工具有的功能单一，有的安全性、可靠性差，精度有限等，已经 不符合现代电量科学管理的要求。本课题设计的数字式多功能复费率电度表，主要 用于家庭或工厂的电能消耗测量。它不仅能进行电能计量、还具有费率管理、通讯 等功能，同时具有计量精度高、电磁兼容性能好、过载能力强，功耗低等特点，安 装时无需校表即可使用。而且稳定性很好，寿命长，测量精度基本不受温度影响。 该电能表以m i c r o c h i p 公司的单片机p i c l 6 c 6 7 和a n a l o gd e v i c e s 公司生产的 a d e 7 7 5 5 为核心，整个电表没有机械部件，是纯电子的电量测量仪器，可靠性极高。 设计参数严格按照g b , r r l 5 2 8 4 - 1 9 9 4 、d l t 6 1 4 1 9 9 7 及江苏省电力公司数字式多 功能复费率电度表技术规范的标准执行，部分参数大大优于以上标准的要求。 关键字：复费率电度表，p i c 单片机，i 总线，遥控 数字式多功能复费率电度表 a b s t r a c t 、i t l lt h ed e v e l o p m e n to f 0 1 2 1 c o u n t r y , t h ed e m a n df o rt h ee l e c t r i c i t yi sg r e a t e ra n d g r e a t e rb e t w e e na i it r a d e sa n dp r o f e s s i o n s u n b a l a n c e dp h e n o m e n o no fd i f f e r e n tt i m e p o w e rc o n s u m p t i o ni ss e r i o u sd a yb yd a yt o o i no r d e rt oa l l e v i a t et h es h a r pe l e c t r i c i m b a l a n c eb e t w e e ns u p p l ya n dd e m a n do fo u rc o l l l t r y ，r e g u l a t et h el o a dc u r v e ，i m p r o v e t h eu n b a l a n c e dp h e n o m e n o ni np o w e rc o n s u m p t i o n ，”s h a r p e np e a kf i l lo u tv a l l e y ”，t o i m p r o v ep o w e rc o n s u m i n ge f f i c i e n c y , t or a t i o n a l l yu t i l i z ee l e c t r i ce n e r g yo f t h ew h o l e c o u n t r y b e c a u s e t h et r a d i t i o n a l m e a s u r i n g i n s t r u m e n tj u s th a s o n l y o n ef u n c t i o n ： m e t e r i n g w h a t sm o r e ，i th a sl i t t l et od o 、i t l ls e c u r i t ya n dd e p e n d a b i l i t y ，t h ep r e c i s i o n d o e sn o tm a t c h p e o p l e sn e e d s s o t h et a s ko f m yw o r ki st od e s i g nad i g i t a ls i n g l e - p h r a s e e l e c t r i cp o w e rm e a s u r ei n s t r u m e n tw i t hs u b s e c t i o nf e er a t e i ti sn o to n l yu s e df o r m e t e r i n g ，b u ta l s o c a nb cp r o g r a m m e df o r s p e c i a lu s e ，s u c h a s c h a n g i n gf e er a t e ， c o m m u n i c a t i o n a n di th a sm a n y s t r o n gp o i n t s ：t h ep m c i s i o n i sv e r ye x a c t i t u d e ，t h ee m c h a sab e t t e rp e r f o r m a n c e h la d d i t i o n ，l o wp o w e r , l o n gl i f e ，e a s yf i xa r ea l li t sm e r i t t h e c p ui sp i c l 6 c 6 7 ，w h i c hi sm a n u f a c t u r e db ym i c r o c h i p t h ek e yp a r ti sa d e 7 7 5 5 ，i ti s ap o w e re n e r g ym e t e r i n gi cw i t hp u l s eo u t p u t t h e r ei sn om e c h a n i c a lp a r t ，s ot h e d e p e n d a b i l i t y i s e x t r e m e l yg o o d t 1 1 i sd e s i g nk e e p s t og b t 1 5 2 8 4 1 9 9 4a n d d i ，r 6 1 4 1 9 9 7 k e y w o r d s ：m u l t i r a t ew a t t _ h o u rm e t e r ；p i cs c m ；1 2 cb u s ；r e m o t ec o n t r o l 1 1 南京航空航天大学硕士学位论文 1 1 电力计量仪表综述 第一章绪论 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，国内部分省市的电力部门已开始逐步推出了多 费率电能表，对用户的用电量分时计费。1 9 9 5 年4 月，由国家计委、国家经贸委和 电力工业部联合在上海召开的全国计划用电工作会议上决定，用3 4 年时间，在 全国各大电网内，有计划、分步骤全面推行峰谷分时电价制度。总目标是各网转移 高峰电力1 0 1 5 ，全国实现转移高峰电力1 0 0 0 2 0 0 0 万千瓦，推行的范围不仅 是工业、商业用户，而且对非工业、农业用电也要逐步实行。在有条件的地区，即 已经实行一户一表的居民用电区，也将有计划的开发低谷用电，实行峰谷电价，以 提高电能利用率，提高居民的用电质量。今年，上海、湖北、广东、四川等省市供 电局先后宣布将大力推广复费率电度表，对电力用户采用不同时段和不同计费标 准鼓励谷时段的电力消费。 1 9 8 0 年，河南地区首先提出了按峰、谷时间分段计量电能，以经济手段促进合 理、均衡、科学用电的建议，继而开始进行了试点，通过几年实践，初步摸索了一 些有参考价值的经验。随后，山西省利用简易设备先后在一部分用电单位进行了联 合试点。1 9 8 2 1 9 8 5 年，全国许多省市和地区也相继实行了电能分时计量及与此相 适应的新的收费制度，并取得了非常大的成效。一些大的电网局也把它作为技术改 进的重要内容和开展科学用电的重要措施之一。至此，我国已跨进了用多种电价作 为辅助管理手段和控制用电负荷的国家行列。 早期生产的第一代石英钟控分时电能表。这种电能表通过导线连接石英钟各种 不同时段来分别驱动峰、谷电磁计数器，分别显示出峰、谷电量及总电量，按总电 量扣除峰、谷电量即为平常时段电量。由于这种分时计费电能表的可靠性较差，计 时分段精度太低( 最小分割为5 m i n ) ，易受干扰，时段调整也比较麻烦，使用功能单一 不能适应分时计费中的一些特殊要求，目前已基本淘汰停用。 第二代机电一体化结构的分时电能表。这种电能表采用1 0 级感应系电能表机 芯为基础，采用红外光电变换器，脉冲输出和中央处理器( c p u ) ，单片机电路，使用 附带的键盘编程或者红外无线键盘来进行各种需求量、时钟、时段、双休目的设定， 可保护本月最大需求量、上月最大需求量和本月峰、平、谷最大需求量显示及存储。 带有脉冲输出及r s 2 3 2 串行通信口，便于数据远程传送与监控。仪表性能比较精密 数字式多功能复费率电度表 可靠，功能可满足我国现阶段分时计费需求，生产工艺比较成熟，价格具有竞争力， 是目前国内应用最为广泛的一代产品。但是美中不足的是各生产厂家均为自行开发 专用单片机，存在产品兼容性差，维修困难的缺点。这一系列产品常见的有d f 6 8 、 d f 9 3 、d t f 3 3 、d f 8 6 、d s f 2 0 、d i f 一2 、d f 3 2 、d t f 8 6 4 m r - 2 、d s d 6 6 等。 第三代全电子结构的分时电能表。第三代全电子式分时电能表已进入非常成熟 的阶段。它是一种静止式无任何机械运动部件的固态电能表，由电压互感器、电流 互感器、高精度高速a d 变换器、电能计量专用集成电路、实时时钟、数据存储器、 大屏幕液晶驱动及显示器、数据通信接口、开关电源等模块构成，精度通常在1 0 级至o 5 级，可靠性好，易于实时记录，大部分型号均带有预付费功能可供选用。 采用带有预付费功能时，电量有电钥匙、i c 卡等输入，剩余电量不足时，可根据用 户负荷性质选择输出音响及告警，显示电量不足，启动表内继电器跳闸等功能。具 有失压断流记录、r s 2 3 2 、r s - 4 2 2 、r s 4 8 5 等标准通信接口，可远程定时抄录计 量数据、本月及上月最大需求量、峰、平、谷最大需求量、脉冲输出，监控通过密 码设定，方可读出与修改数据等，时段设定通常有8 个。目前常用的这一系列产品 有d s s d 3 3 1 、d 6 6 、d t s d 3 4 1 等。 总之，我国的分时电能表在不断引进和采用国外先进技术与工艺，随着科学技 术的迅速发展，数字式多功能复费率电度表将以更加成熟的技术和先进的特色工艺 呈现在你的面前。 1 2 本课题的意义 为了改善用电不均衡的僵局，适应市场对数字式多功能复费率电度表的要求， 本课题开发的数字式多功能复费率数字电度表是以m i c r o c h i p ( 电力公司指定的 电度表的c p u 生产商) 公司生产的p i c l 6 c 6 7 为核心控制芯片，以专用的电能计量 芯片a d e 7 7 5 5 为计量芯片的全电子式多功能复费率数字电度表，它采用了优选和 自行设计的大规模专用集成电路，应用先进的表面安装( s m t ) 技术，电路简单， 结构合理，可双向计量电能，独特的保密措施保证用户使用电表的高安全性，外壳 采用了高强度工程阻燃塑料底壳和全封闭结构，造型新颖，美观适用，具有较高的 绝缘强度和耐腐蚀性，金属材料耗用低，具有防窃电等功能。该电能表与以往的电 表相比具有接口简单、结构紧凑、可靠性高、稳定性好等特点。它主要用于家庭或 工厂的电能消耗的测量。它不仅能进行电能计量，还具有费率、时段设置、远程通 讯和电表管理等功能，并且具有计量精度高、电磁兼容性能好、过载能力强、功耗 低、防窃电等特点。由于它配有r s 4 8 5 电力线载波远程抄表通讯口，可以实现点名 呼叫、时钟校对、查询用户电量、停电情况查询、零点抄表、时段和费率设置等遥 控功能。 南京航空航天大学硕士学位论文 本课题设计的数字式多功能复费率电度表有1 2 c 总线模块、红外抄表通讯模块、 r s 4 8 5 通讯模块、电量累计模块、掉电检测模块和显示模块等几大模块组成。其中 i z c 总线模块由e 2 p r o m 芯片a t 2 4 c 0 4 和实时日历时钟芯片p c f 8 5 6 3 t 两部分组成。 其中e 2 p r o m 芯片a t 2 4 c 0 4 用来存储每个月的峰、平、谷、总电量以及电表一些 重要参数信息，比如电表的地址编号、时段信息、费率信息等等。而p c f 8 5 6 3 t 则 为整个电表提供了精确的时间标准，保证电量累计严格按照峰、平、谷时间累计。 红外抄表采用集成电路，红外发射器件采用塑封的t s a l 6 2 0 0 ，红外接收器件则采 用h s 0 0 3 8 芯片，为满足用户上门抄表的心理，供上门抄表和校表用。r s 4 8 5 通讯 模块用来实现远程抄表和远程控制。电量累计模块采用专用的电量累计芯片 a d e 7 7 5 5 ，把模拟量电流、电压转换成数字量脉冲，利用单片机的中断功能实现电 量累计。掉电检测模块采用i m p s l 3 1 芯片，当电网掉电时，该模块首先觉察到，然 后通知单片机的中断端，快速保存数据，以便来电时继续工作。保存数据需要的电 能，由电容放电提供。该电度表以单片机p i c l 6 c 6 7 和a n a l o gd e v i c e s 公司的 a d e 7 7 5 5 为核心。整个电表没有任何机械部件，是纯电子的电量测量仪器，具有安 全、可靠、便捷、成本低的特点。不仅功能齐全，工作可靠，而且使用方法灵活。 设计参数严格按照g b t 1 5 2 8 4 1 9 9 4 、d l t 6 1 4 1 9 9 7 及江苏省电力公司数字式多 功能复费率电能表技术规范的标准执行，部分参数大大优于以上标准的要求。 1 3 数字式多功能复费率电度表的技术要求 对于一个面向市场需求的设计，功能、性能、精度和规范的定义是必须的而且 也是非常重要的。它来自于各个方面的约束，如市场需求、国家强制性标准、政府 电力部门指导性意见以及人民的生活水平等。具体要求如下： 数字式多功能复费率电度表具有红外通讯口和远程电力线载波通讯口，可 以实现校表、抄表和远程管理、费率和时段设置等功能。电力线载波采用r s 4 8 5 通 信标准。通信波特率：1 2 0 0 b p s ，半双工通讯方式，严格按照江苏单相多费率电能 表通信规约执行。红外通信的通信距离大于等于4 m ，通信角度大予等于1 7 。 电表应有脉冲输出接线端子，r s 4 8 5 接口接线端子，及其他测量端子，相 应位置符合国家有关标准，用于校表和采集电量。 电度表应准确无误的分时计量用户的电量，并具有正、反向有功电能计量 功能。反向有功电能除了按正向电能累计外，还要记录反向运行总时间、电量及最 后一次反向运转的起始时间，并存储其数据。电量按总、峰、平、谷分别累计并存 储。电量的累计不能在e 2 p r o m 中进行。 电表内内置日历时钟，必须采用硬件时钟电路。以便为时段划分和分时计费 提供精确的时间标准。以保证时钟误差在每月之内小于3 0 s 。内置时钟应具有日历、 数字式多功能复费率电度表 计时和闰年自动切换功能。用绿色环保锂电池作为时钟备用电源，断电后至少可连 续供内置时钟正常工作3 年，在产品寿命周期( 1 0 年) 内，保证无须更换。可编程 设置峰、平、谷三种费率，1 2 个时段。时段最小间隔为3 0 m i n 。时段可跨越零点。 每个时段的起始及终止的实际时间和预置时间误差应不超过5 s 。 电置信息采用整数位5 位、小数位1 位的显示方式。电表显示的内容包括 主显示代码和辅助显示代码或者汉字两个方面：主显示代码指示数值，辅助显示代 码和汉字指示显示项内容及数值单位。辅助显示代码由江苏省电力公司统一规定。 循环显示的内容可选项包括：运行时段( 峰，平，谷) ；日期；时间；当前总电量； 当前峰电量：当前平电量；当前谷电量：电表的局编号；电表自检。其中当前总电 量、当前平电量、当前谷电量总是参加循环显示，其余的可通过编程选择显示。循 环显示所需的电量信息，循环显示的周期可以灵活设置，循环显示的周期范围一般 为：2 3 0 s ，默认值为1 0 s 。 电表应具有自检显示功能，当电表出现故障时以故障码显示。 在数字式多功能复费率电度表的设计过程中，从硬件的设计和软件的编写都严 格按照以上要求。 4 南京航空航天大学硕士学位论文 2 1 设计目标 第二章系统总体方案设计 首先本数字式多功能复费率数字电度表以m i c r o c h i p 公司生产的p i c 系 列单片机为核心控制芯片，这款单片机执行速度快、抗干扰性好。是作为电表系统 c p u 的首选。 数字式多功能复费率电度表应具有红外通讯口和远程电力线载波通讯口，以 满足用户上门抄表的心理要求和校表、抄表和远程管理、费率和时段设置等功能。 电力线载波采用r s 4 8 5 通信标准。通讯波特率为：1 2 0 0 b p s ，半双工通讯方式，严 格按照江苏省数字式多功能复费率电能表通信规约执行。红外通信的通信距离小于 等于4 m ，通信角度小于等于1 7 。为提高电表的精度和稳定性，给电表提供一 个良好的工作环境，r s 4 8 5 通信接口必须和电表内部电路实行电气隔离，防止电网 的干扰。要求通讯的误码率为小于1 0 。 电量信息采用电力系统专用的l e d 集成模块显示，电能值整数5 位、小数l 位，并伴有汉字显示，提示显示的内容。在正常工作条件下，l e d 寿命大于1 0 年。 而且当电表工作时，采用超亮、长寿命l e d 指示灯作频繁的闪烁指示。电表显示 的内容包括主显示代码和辅助显示代码( 或者汉字) 两个方面：主显示代码显示数 据，辅助显示代码和汉字指示显示的内容及数据单位。辅助显示代码由江苏省电力 公司统一规定。汉字显示的内容可选项包括：( 时段) 峰，平，谷；通信( 成功) ； ( 电能) 反向；日期；时间；上月；上上月；( 电量属性) 总，峰，平，谷。汉字 可以合用：显示“峰，平，谷，”时，表示运行的时段；显示“峰，平，谷，电量” 时。表示电量。循环显示的内容可选项包括：运行时段( 峰，平，谷) ：日期i 时 间：当前总电量；当前的峰电量：当前的平电量；当前的谷电量；电表的局编号； 电表自检。其中当前总电量、当前平电量、当前的谷电量总是参加循环显示，其余 的可通过编程自由选择显示。循环显示所需的电量信息，循环显示的周期可以灵活 设置，循环显示的周期范围：2 3 0 s ，默认值为1 0 s 。电表应具有自检显示功能， 当电表出现故障时以故障码显示。 电度表可以准确无误的分时计量用户的电量，并具有正、反向有功电能计量 功能。反向有功电能除了按照正向电能累计外，还要记录反向运行总时间、电量及 最后一次反向运转的起始时间，并存储其数据。电量按总、峰、平、谷分别累计并 存储。为了保证非易失性存储器的寿命，电量的累计不能在e 2 p r o m 中进行。 电表内应内置日历时钟，以便为时段划分和分时计费提供精确的时间标准。 数字式多功能复费率电度表 因此必须采用硬件时钟电路，以保证时钟误差在每月之内小于3 0 s 。而且内置的时 钟芯片应具有日历、计时和闰年自动切换功能。用绿色环保锂电池作为时钟的备用 电源，断电后至少可连续供内置时钟芯片正常工作3 年，在产品寿命周期( 1 0 年) 内，保证无须更换。 通过r s 4 8 5 电力线载波通信口可以对电表进行编程。为了保护电表内数据的 可靠性和安全性，对表编程必须用硬件加软件的保护方法，硬件就是编程开关。软 件就是密码。当编程开关打在“编程允许时”，可对电表进行各种编程。当编程开 关打在“编程禁止时”，不允许对电表进行编程操作。编程内容包括以下7 项内容： 时间日期设置、费率时段设置、电表地址( 局编号) 设最、显示方式及内容设置、 电量冻结转存日设置、电量底数设置，编程密码。上述7 项内容既可以单独进行设 置，亦可以通过“综合编程”功能菜单进行一次性设置。其中电表地址( 局编号) 设置不受编程开关的限制。对电度表编程后，可以通过手持式终端和电表管理主站 计算机来核对编程的结果。 手持式终端：通过“读时间日期”、“读电表时段”、“读电表参数”、“上一次编 程时间”等菜单操作项，回抄并显示所有设置数据，以便工作人员进行检查。主站 计算机：在通过电表管理主站计算机设置完电表参数后，可通过“参数检查”菜单 操作项，读取显示所有设置数据，并由计算机自动实现参数检查功能，提示检查的 结果。手持式终端分“抄表终端”和“维护终端”两种，只有“维护终端”才能实 现电表编程功能，而且必须输入6 位正确密码并打开编程开关方能编程。 通过手持抄表器可以抄读电表的编号、当前的日期与时间、当前的总电量、 当前的平电量、当前的谷电量。手持抄表器应设置一个抄表键，抄表人员在主站计 算机上下载表号及对时后，到现场只需对准所抄电能表，按一个键即能实现抄表功 能，抄表的同时对电能表自动对时。通过手持抄表器的“读历史数据”功能菜单， 即可抄读前1 2 个月的电能表冻结历史数据。手持抄表器可抄读不少于1 0 0 0 只电能 表的数据。通过r s 4 8 5 通信口，由自动抄表系统根据电表地址实现远方自动抄表。 2 2 系统总体设计方案 该数字式多功能复费率电度表系统，有1 2 c 总线模块、通讯模块、电量累计模 块、掉电检测模块、显示模块和电源模块等几大模块组成。它的总体原理框图如图 2 一l 所示。其中i 2 c 总线模块又包括日历时钟芯片p c f 8 5 6 3 t 和非易失性存储器 a t 2 4 c 0 4 。p c f 8 5 6 3 t 时钟电路为时段的划分提供一个精确的时间标准，同时它还 可以给出准确的时间，供显示之用。这两个芯片通过i z c 总线与p i c 单片机进行通 讯。通讯模块又包括红外抄表模块和r s 4 8 5 电力线载波远程抄表模块。红外抄表模 块有红外发射管t s a l 6 2 0 0 和红外接收管h s 0 0 3 8 组成，供上门抄表、校时等之用。 r s 4 8 5 电力线载波通讯接口，可以完成远程抄表，电表管理、时段设置等遥控功能。 南京航空航天大学硕士学位论文 电量累计模块是该系统的关键部分，它以电量累计芯片a d e 7 7 5 5 为核心，将模拟 的电流，电压信号转换为数字脉冲输出。掉电检测模块采用i m p 8 1 3 l 作为掉电检 测芯片，实时检测电网是否掉电，如果掉电就以中断方式通知单片机。显示模块采 用专用的l e d 集成显示器，轮流显示峰、平、谷、总电量和其它的一些信息。电 源模块则由变压器与电网相连，同时通过稳压芯片获取三路电压，分别为1 2 c 总线 模块、通讯模块、电量累计模块供电，以减少模块之间的相互干扰，增强电表系统 的稳定性和精度。在电度表的整个设计过程中，始终把可靠性、稳定性、精度等放 在第一位。因为电能表不同于其他的电子产品，它要求不间断地工作好几年甚至几 十年，并且电网中的环境很差，可能有很大的浪涌、电磁干扰等。因此，需要采取 一些特殊的抗干扰措施来保证可靠、稳定的运行：如光电隔离、掉电保护、电源分 组、大面积铺地、看门狗等。 2 3 系统总体框图 图2 1 系统总体原理框图 整个电表大体的硬件结构原理如图2 一l 所示：以p i c l 6 c 6 7 为核心的控制单元 数字式多功能复费率电度表 完成所有信息的处理，包括正常情况下对整个电表的管理、电量累积，以及抄表、 校验时的通信等。以a d e 7 7 5 5 为核心的电量测量电路，负责对用户电路中的电压、 电流信号进行采样，计算出瞬时功率并将其转换为数字脉冲输出，c p u 根据来自 a d e 7 7 5 5 的数字脉冲通过中断引脚进行电量的累积。系统中有一个实时时钟，用于 为分时段计费提供准确的时间标准。非易失性存储器用于存储费率信息、每月的电 量累积值、电表地址和其他工作参数。通信接口包括红外线接口和r s 4 8 5 串行接口， 用于实现红外线抄表和远程管理。显示模块为专用的l e d 模块。除此以外，系统 留有一些测试端口，供生产测试和校表之用。 p i c 系列单片机由于大部分指令都是单周期指令，因此数据处理的速度非常快， 抗干扰性也是单片机中的首选，而且，p i c l 6 c x x 单片机在一个芯片内部集成了多 个功能模块并具备优秀微处理器特性和c 0 m s 工艺特点，可以简化外围电路、提高 产品可靠性、降低成本。还有，数字式多功能复费率电度表的工作环境非常恶劣， 经常有浪涌等干扰出现，而且电度表要求体积小、功能强、电磁兼容性好以及可靠 性高等特点。另外，由于它的低功耗，宽工作电压，工作温度和小巧封装。从以上 看来，p i c 单片机作为数字式多功能复费率电度表的c p u 是再合适不过了。综合前 面讲述的各项要求，拟定了该电表的设计方案。该电表为全电子式的结构，从最开 始的电量测量到最终的显示，完全没有机械的部件，几乎没有磨损，提高了可靠性 和使用寿命。 南京航空航天大学硕士学位论文 第三章系统特色硬件设计介绍 3 1 p i c 系列单片机简介 本课题设计的数字式多功能复费率电度表的核心控制芯片选择的是由美国 m i c r o c h i p 公司推出的p i c 系列单片机，那是因为它有其它单片机无法比拟的优点。 它的c p u 首先采用了鼬s c ( 8 i 简指令集) 结构的嵌入式微控制器，其运行速度快、 工作电压低、低功耗、较大的输入输出直接驱动能力，它的f o 口的拉灌电流可以 达到2 5 m a ，可以直接驱动l e d 和低价位o t p 技术等都体现出单片机产业的新趋 势。p i c 系列8 位单片机具有指令少( 仅有三十几条指令) 、执行速度快等优点，其 主要原因是p i c 系列单片机采用了h a r v a r d 双总线结构。该系列单片机引入了原用 于小型计算机的双总线和两级指令流水结构。现在p i c 系列单片机在世界单片机市 场的份额排名中已逐年上升，尤其在8 位单片机市场，据称已从1 9 9 0 年的第2 0 位 上升到目前世界的第1 位。p i c 单片机从覆盖市场出发，已有多种型号的产品问世， 所以在全球到处都可以看到p i c 单片机，从电脑的外设、家电控制、电讯通信、智 能仪器、汽车电子到金融电子各个领域都有广泛应用。它以独特的优点受到广大用 户的青睐，现今的p i c 单片机已经成为世界上最有影响力的嵌入式微控制器之一。 3 1 1 p i c 系列单片机的特点和优势 p i c 单片机具有指令少( 仅有三十几条) 、运行速度快等优点的主要原因是它采 用了原来用于小型计算机的哈佛结构和两级指令流水线结构。 哈佛结构h a r v a r d p i c 系列单片机采用了双总线结构，即所谓的哈佛结构。这种结构有两种相互 独立的总线，即程序总线和数据总线。这两种总线可以采用不同的字长，如p i c 系 列单片机是8 位机，所以它的数据总线当然是8 位，但低档、中档和高档的p i c 系 列8 位单片机分别有1 2 位、1 4 位和1 6 位的指令总线。这样，取指令时就经过指令 总线，取数据时就经过数据总线，互不冲突。而且两种动作可以同时执行，大大节 省了时间。p i c 系列单片机仅有三十几条指令，而且大部分都是单周期指令。如果 指令的位数比较多，那么每条指令包含的信息量就大，相比位数较少的指令，这种 指令的功能就更强。一条1 2 位、1 4 位或1 6 位的指令可能会具有2 条8 位指令的功 能。因此p i c 系列单片机的指令与c i s c ( 复杂指令集) 结构的单片机指令相比， 前者的指令总数要少得多。 两级指令流水线结构 9 数字式多功能复费率电度表 由于p i c 系列单片机采用了指令空间和数据空间分开的哈佛结构，而且用了两 种位数不同的总线，因此取指令和取数据可同时交叠进行。如图3 一l 所示，在p i c 系列微控制器中取指令和执行指令就采用了两级指令流水线结构。当第一条指令被 取出后，随即就进入了指令执行阶段，这时可能需要从某寄存器取数据而送至另一 寄存器，或从一个端口向寄存器传送数据等，由于数据不会流经程序总线，而只是 在数据总线中来回流动。因此，在这段时间内，程序总线处于空闲状态，可以同时 取出第二条指令。当第一条指令执行完毕，就可立即执行第二条指令，节省了取指 令的时间，同时取出第3 条指令，如此等等。这样，除了第一条指令的取出之外， 其余各条指令的执行和下一条指令的取出是同时进行的。这样在每个时钟周期内可 以获得最高效率。在大多数微控制器中，取指令和指令执行都是顺序依次进行的， 但在p i c 系列单片机的指令流水线结构中，取指令和执行指令在时间上是相互重叠 的，所以p i c 系列单片机可实现单周期指令。只有涉及到改变程序计数器p c 值的 程序分支指令，例如g o t o 、c a l l 等，才需要两个周期。 周期0 周期1 周期2 周期3 周期4 图3 1 指令流水线结构示意图 除此之外，p i c 系列单片机的结构特点还体现在寄存器组上，如寄存器i o 口、 定时器和程序寄存器等都采用了r a m 结构形式，而且都只需要一个指令周期就可 以完成访问和操作。而其它的单片机常需要两个或两个以上的指令周期才能改变寄 存器的内容。综上所述，这就是p i c 系列单片机能做到指令总数少，且大都为单周 期指令的重要原因。 p i c 系列单片机在市场上逐渐受到用户的青睐，而且在世界单片机市场，尤其 是8 位单片机市场中的份额排名逐年上升，主要原因是它独特的优点在于： p i c 系列单片机不搞单纯的功能堆积，而是从实际市场需求出发，重视产品 的性价比，靠发展不同型号来满足不同层次的市场需求。就实际情况而言，不同的 应用场合对单片机的功能和资源的需求也不一样。 精简指令集结构使p i c 系列单片机的执行效率大大提高。p i c 系列8 位 c m o s 单片机具有独特的r i s c 结构，数据总线和指令总线相互独立的哈佛总线 ( h a r v a r d ) 结构，使指令具有单字长的特性，且允许指令码的位数可多于8 位，这 o 南京航空航天大学硕士学位论文 与传统的采用c i s c 结构的8 位单片机相比，可以达到2 ：1 的代码压缩，速度也相 应提高了4 5 倍。 产品上市零等待( z e r ot i m et om a r k e t ) 。即采用p i c 系列低价o t p 型芯片 作为核心控制芯片的产品，可在其应用程序开发完成写入单片机后立刻使该产品上 市，无需等待，大大缩短了开发周期。 p i c 系列单片机有优越的开发环境。o t p 型单片机开发系统的实时性是一 个非常重要的指标，像普通的5 l 系列单片机的开发系统大都采用高档型号仿真器 多仿真低档型号的单片机，其实时性不尽理想。而p i c 系列单片机在推出一款新型 号单片机的同时推出相应的仿真芯片，所有的开发系统由专用的仿真芯片支持，实 时性非常好。不会出现仿真结果与实际运行结果不同的情况。 p i c 系列单片机的引脚具有防瞬态能力。通过限流电阻可以直接接至2 2 0 v 交流电源，可直接与继电器控制电路相连，无需光电耦合器隔离，给应用带来极大的 方便，同时提高了抗干扰性。 p i c 系列单片机还具有彻底的保密性。p i c 系列单片机以保密熔丝来保护代 码，用户在烧入代码后熔断熔丝，别人再也无法读出，除非恢复熔丝。目前，p i c 单片机采用熔丝深埋工艺，恢复熔丝的可能性极小。 自带看门狗定时器，可以用来提高程序运行的可靠性。 睡眠和低功耗模式。虽然p i c 在这方面已不能与新型的t i - - m s p 4 3 0 相比， 但在大多数应用场合还是能满足需要的。 3 1 2p i c l 6 c 6 7 单片枧 p i c l 6 c 6 7 是高性能r i s c 结构的c p u ，内含8 k x1 4 位宽的e p r o m ，以及3 6 8 个字节的r a m 。它有3 3 个可编程的i o 口，且每个i o 口都有较大的拉灌电流， 可达2 5 m a ，较多的i o 口是非常有益于本项目的。由于i o 口有较大的驱动能力 和较多的数量，可以直接驱动l e d 显示器，这样就可以省去l e d 驱动电路和解码 电路。它具有多级硬件中断，“个外部中断源和8 级硬件堆栈。具有直接、间接和 相对三种寻址方式。芯片自带的同步串行通信接e 2s p i i 2 c ，可用于和外部时钟、 e 2 p r o m 通讯。它的另一个同步通讯口u s a r t 可用于单片机与r s 4 8 5 和红外通讯。 只有3 5 条易学易用而高效的r i s c 指令，可以缩短开发时间和周期，提高编码效率。 在同档次的微控制器芯片中具有最高执行速度，指令周期最快可达2 0 0 n s 。 p i c l 6 c 6 7 内置三个定时器计数器：t m r 0 、t m r i 和w d t 。每个定时器都可 以产生中断。t m r 0 是一个8 位的简单增量溢出计数器，时钟源可以是内部系统时 钟( o s c 4 ) ，也可以是外部时钟。当对内部系统时钟的标准脉冲序列进行计数时即 为定时器。当对外部脉冲进行计数时就作为计数器使用。当作为计数器使用时，可 以选择用脉冲的上升沿或者下降沿来增量。为了扩大定时或计数的范围，配合t m r 0 数字式多功能复费率电度表 使用还有一个可编程预定标器，实际上就是一个可编程分频器，可以用于t m r 0 ， 也可以用于w d t 。t m r l 是一个1 6 位的定时器计数器，有两个8 位可读写的寄 存器t m r l h 和t m r l l 组成。同样t m r l 也有定时和计数两种工作方式。当t m r i 作为计数器使用时，可以选择与芯片同步工作或异步工作。在异步工作方式下， t m r l 可以在c p u 休眠状态下工作。这个特性对于要节省功耗，同时还要求有实时 时钟的那些场合是十分有用的。w d t 是一个8 位定时器，需要是可以和8 位的预 分频器组合使用，来延长定时时间。 此外，芯片内置上电复位电路( p o r ) ，上电定时器和振荡定时器以保证工作电 压稳定和振荡稳定，断电复位锁定功能以保证电源电压变化恢复正常后，芯片恢复 工作。内置程序保密位，可防止程序代码的非法拷贝。内置自振式r c 振荡看门狗 定时器，在外部时钟要求不是太精 确对体积有严格限制的场合，用内 部r c 振荡器可以节省成本和空 间。有省电的休眠( s l e e p ) 工作 方式。四种可选振荡方式( r c 、x t 、 h s 、l p ) ，支持高达2 0 m h z 的时 钟频率，且因为该处理器是采用高 速低功耗的c m o s 工艺全静态设 计，在不工作时可以降低时钟频 率，符合节能的要求。低功耗设计 5 v 工作时( 4 m h z ) 电流小于2 m a ， 在睡眠方式时工作电流小于1ua 的。 h c 【：# w ”口1 r o _ 一r 】2 r a l + 口3 r 2 h r 】4 r a 3 一a 5 r a 4 t o c k i 口6 m 蠕口7 r 8 蔗匹+ 口8 r e l 脓_ - r 】0 r e 2 巧- 口t o v c o + 口1 v s s + 口1 2 o s c i c l k i n - 口f 3 o s c , ? j c l k o u t 一口t 4 r c 0 ，r i o s o t i c k i + 口1 s r c l t i o s i c c p 2 + 口1 6 r c 2 c c p l 。r 1 7 r c 3 s c k j s c l - r 】1 8 r d 0 i p s p 0 + e 1 9 r d l p s p l - + 口2 0 一r b 6 + r b 5 + r 8 4 r b 3 - + r b 2 - r b l h lr 自o “t - - 一v 0 0 + r d 6 p s p 6 _ 峥r d 5 ，p s p 5 + r d 4 p s p 4 + r c 训f t d t + r c 6 h x c k - + r c 5 培d o _ h r c 4 s d i i $ o a 一r d 3 1 p s p 3 _ - r d 2 p s p 2 图3 2d i p 封装的p i c l 6 c 6 7 引脚图 在电表的设计中，可以发挥p i c l 6 c 6 7 的很多优势，以提高电表的性能和可靠性。 由于p i c l 6 c 6 7 是单字节、单周期指令的处理器，可以减少取指令的次数，指令执 行的速度快，避免了运行过程中的干扰，提高了运行过程中的稳定性。该处理器的 i o 口都具有较大的拉灌电流，连接l e d 不用三极管放大，简化了设计，降低了功 耗和制造成本。 3 1 3p i c l 6 c 6 7 引脚简介 p i c 系列单片机有四种不同的封装形式：p d i p 封装、p l c c 封装、s o i c 封装 和m q f p 封装。不同的封装形式对应引脚的功能也不一样，p d i p 封装的p i c l 6 c 6 7 有4 0 个引脚，它的引脚及其功能如表3 一l 所示： 臻”鸨笃弘嚣牡孙竹艚龃灯拈孔豁技孙 南京航空航天大学硕士学位论文 表3 1p i c l 6 c 6 7 的引脚及其功能 引脚名 引脚号( d i p )缓冲器类型 i o p 功能 总清除( 复位) 输入编程电 m c l r v p p1s ti ，p 压输入 这是一个可位控的双向v o r a 0 32 5t t li o 口 可作为1 t 0 外部时钟输入 r a 4 厂r o c k i6s t 输出是开集电极电路 可作为同步串行口的从芯 r a 5 ，s s 7丌ll ，o 片 选择输入端 可作为并行从动端口的读 r e o ，r d8s t ，1 7 t 1 i ，o控 制线 作并行从动端口的写控制 r e l w r9s t t t l i ，o 线 r e 2 ，c s1 0s t 厂r t li o作并行从动端口的片选线 v d d l l ，3 2p电源正极 v s s 1 2 ，3 lp接地 o s c i c l k i n1 3 s t c m o si振荡器输入外部时钟输入 o s c 2 ，c l k o u t1 4o振荡器输出 可作t m r l 振荡输出t m r l r c 0 t 1 0 s o ，r i c k i1 5s t i ，o 时钟输入 可作t m r i 振荡输入， 甫捉 r c l 厂r l o s i 1 6s ti ，o器2 输入，比较器2 输出 p w m 2 输出 可作捕捉器l 输入，比较器l r c 2 ，c c p l1 7s t 输出p w m l 输出 可作s p i ，1 2 c 的同步串行时 r c 3 ，s c k s c l 】8s ti ，o 钟输入，输出 可作s p i 通讯数据输入线 r c 4 s d i s d a 2 3s t ，1 2 c 数据f o r c 5 s d o2 4 s t可作s p i 数据输出线 可作异步发送s c i 同步时 r c 6 厂r x c k2 5 s t 钟 可作异步接收i s c i 同步数 r c 7 很x ，d t 2 6s ti ，o 据线 可作双向f o 端口亦可作并 r d 0 7 p s p 0 7 1 9s t 厂r r i i o 行从动端口 r b 0 ，【n t3 3 r r “s t i o 作为外部中断信号输入 r b i 73 4 4 0 t t li o 口 数字式多功能复费率电度表 3 2 电能计量芯片a d e 7 7 5 5 电能计量电路是数字式多功能复费率电度表设计的关键部分，因为电量计量的 准确与否直接牵涉到电表的精度和稳定性，它与电表的性能息息相关，因此对它的 选择应该非常谨慎。经过精心挑选，最终选择了美国a n a l o gd e v i c e 公司推出的 a d e 7 7 5 5 。a d e 7 7 5 5 是种用于功率测量和电能计算的高准确度的专用集成电路芯 片，它可与不同量程传感器直接相连，从而达到简化接口设计并提高功率铡量的精 确度和稳定性的目的。由于它的输出为脉冲信号，所以c p u 通过中断引脚可以方 便准确的进行电量的累计。它只在a d c 和基准源中使用模拟电路，所有其它信号 ( 如相乘和滤波) 都是用数字电路，即使a d e 7 7 5 5 在恶劣的环境条件下仍能保持 极高的准确度和长期的稳定性。这为设计一种低成本、高精度、多功能的数字式多 功能复费率电度表方案提供了保证。a d e 7 7 5 5 的主要特点如下： 精度很高，在5 0 0 ：1 的动态范围内的误差小于l 。 满足i e c 6 8 7 1 0 3 6 标准的要求。 通过频率输出端提供的功率信号可以直接与计算机接口。 电流输入通道的放大器增益可编程。 芯片采用c m o s 工艺，单+ 5 v 供电，功 耗极低。 具有在片电源监控功能。 具有正负电能指示功能，防窃电。 a d e 7 7 5 5 的引脚f 1 和f 2 以较低频率形式输 出有功功率平均僮，能直接驱动机电式记数器或 与微控制器( m c u ) 接口。引脚c f 以较高频率 输出有功功率的瞬时值，用于校验或与m c u 接 口。内部的相位匹配电路使电压和电流通道的相 位始终是匹配的。v 1 p 、v 1 n 是模拟输入通道l ， 用于电流信号的输入通道，最大差分输入信号为