三相多功能数显电测仪表硬件设计.doc

高精度三相多功能电测仪表是目前我国电能表行业研究的新课题，该类型电测仪表可以广泛应用于电能的高精度计量和工业自动化系统对电能的检测，如检测电流、电压、频率、有功功率、无功功率等。我国现在在工业上使用的电能表大多数采用外国进口产品，性价比低，部分技术指标未能满足实际需要。考虑到这种情况，开发设计新型的三相多功能电测仪表对降低生产成本，提高计量精度具有十分重要的意义。本论文研究了基于高精度电能芯片ADE7758和高性能单片机MSP430F149技术的三相多功能电测工业仪表， 该电能表经过校正后能达到很高的精度，能精确的测量出各项电能指标。关键字：电能表，ADE7758，MSP430F149，单片机，互感器，开关电源How to design a high-accuracy multi-function 3-phase power meter is a new subject in the relative fields in our country. This type of the instruments can be used for measuring electrical energy high accurately and monitoring electrical value in industrial automatic controlling system, such as current, voltage, frequency, active power, reactive power, etc. Nowadays, most power meters used in factories are imported form oversea, the cost performance of which is low, and some specifications cant meet the practical needs. Corresponding to this situation, it is very necessary and meaningful to design a new type of high-accuracy multi-function 3-phase power meter which can reduce the production costs and improve the measurement accuracy.In the paper, a high-accuracy multi-function 3-phase power meter based on high-precision power chip ADE7758 and high-performance MSP MCU MSP430F149 are studied. KEY WORDS: power meter, ADE7758, MSP430F149, single-chip, transformer, switching power supply目录第1章绪 论11.1课题的背景及意义11.2国内外发展状况2第2章电能计算的理论基础42.1三相交流电信号模型42.2电压、电流有效值的计算42.3功率的计算52.3.1有功功率的计算52.3.2视在功率的计算62.3.3无功功率的计算62.3.4功率因数的计算72.4电能的计算72.5频率的计算8第3章电路的总体设计93.1方案比较93.2电路总体框图12第4章系统硬件设计144.1电压、电流调理电路的设计144.1.1电流调理电路144.1.2电压调理电路164.2人机界面的设计174.3控制和计量的设计194.3.1主控芯片的选择194.3.2计量芯片的选择与设计234.3.3存储单元的选择274.4通信部分的设计284.5电源部分的设计294.5.1电源的分类294.5.2正激式变压器的设计314.5.3电磁兼容的设计324.5.4输出滤波的设计344.5.5反馈回路的设计354.5.6功率开关模块的设计374.6电能脉冲电路的设计38第5章总 结395.1总结39参考文献40致 谢41附 录42第1章绪 论1.1课题的背景及意义高精度三相电能表的国内研究和研制起步比较晚，以前主要依靠进口。90年代后，国内一些厂家对三相电能表的研究已经基本成熟，并形成了批量生产，在市场上已经出现了国产多功能电表逐步替代进口产品的局面。但是，国产三相电能表存在着诸如精度低、功能不完善、抗干扰能力差等致命缺陷和不足，极大地限制了国产三相电能表的应用和推广。因此，开发高精度的三相电能表，尤其是0.2级或更高级电能表，已经变成非常重要的研究课题，并具有巨大的商业价值。电能表的发展大致可以分三个阶段：第一阶段为感应表阶段，设计的核心理论是：瞬时功率，有功电能。感应表通过电磁转化理论，将电压信号与电流信号转换成相应比例的磁场。铝制的转盘在两个磁场的作用下转动，通过机械传动机构带动计度器，从而完成对电能的计量。感应表在这种理论下形成的制造技术已相当成熟，但因为其机械传动机构主题的限制，无法满足人们对电能表计量的高精度的要求，更无法实现多功能。90年代，国内出现了静止式电能表，它采用了数字处理技术和时分割乘法器，式电能计量的手段完全采用集成电路来完成。静止式电能表一经出现，便显示了巨大的生命力，计量精度由感应式表的2.0级提高到1.0级，电能表的体积明显缩小，重量也只有感应式的一半。这种静止式电能表随着电子元器件的价格下降、可靠性的提高，在价格与寿命方面均显示了较强的生命力，很快在我国得到较大推广。但由于这些表大多数用计量精度低的专用芯片，电能表精度仍停留在计量有功1.0级上，并且不能满足大用户需要的高精度的电压值、电流值、无功功率、和视在功率等参数的计量要求。第二阶段为数字测量仪表，这类仪表的基本原理是将模拟信号通过电子线路转变为数字信号，进行计算并显示出来。这类仪器同指针式仪器相比较精度有了很大的提高，能直观读取测量结果，而且可靠性高，易于使用。但电子线路比较复杂，不能自动适应测量环境的变化，而且仪器比较难校准。第三个阶段为智能仪器，所谓智能仪器，一般指含有微处理器的仪器，通过微处理器来控制数据的采集，并对数据进行处理。因此能够用软件的方法实现信息的采集、处理和存储，大大简化了仪器的整体结构。这类仪表不仅精度高，功能强大，而且能适应各种复杂的环境。2000年后，随着数字信号处理技术的成熟，各大公司相继研制出了基于DSP芯片的三相全电子电能表，这种电能表虽然精度有很大的提高，但是生产成本比较高。因此，设计一种多功能、实时性高、精度高和成本低的电能表是电工仪表行业研究员一直追求的目标。1.2国内外发展状况电力工业发展初期曾用电解化学原理电能表计量收费。1890年，发明了感应式电磁原理电能表，沿用至今已有100多年。随着电费制度的发展，提出分时计量、需量计量预付费等要求，特别是19世纪70年代以来各国酝酿发展电力市场又提出实时电价、负荷曲线计量、双工通讯、远方采集数据、记录负荷曲线和电能质量、控制负荷以及费率编程等要求，原来的感应式电能表虽经多方面的改进扩充，已很难满足电力市场日益发展的功能和要求。20世纪中叶，微电子和信息产业等新技术的发展，有力的支持了电能表的革新。先是高精度电子式标准表的出现满足了校验技术的要求。国外家用电子式电能表早已实用化。世纪之交，电力市场改革浪潮遍及全球，各国电力公司都认识到市场竞争的核心是电能表。特别是用户选择供应商和实时电价，要求电能表有灵活、可靠的双向通讯功能以及与不同的制造商所生产的电能表在电力市场技术支持系统中的兼容性，因而提出了标准化和兼容性问题。在欧洲许多著名电能表厂的倡导下成立了DIMS用户协会，DIMS已构成IEC有关表计规约标准的基础。国际上电子式电能表经过50多年的发展，开始都是基于模拟乘法器原理的，在历史上曾有过多种原理线路，后来演变成为时分割和霍尔效应两种乘法器。由于数字技术的迅猛发展，目前已有趋势全部更新为A/D转换计算机处理的方法，这样也更有利于实施负荷控制、记录电能质量、计量负荷曲线、发展电能表的通信功能以及确保精度高。我国20世纪70年代开始用电子式标准电能表。先是使用进口产品，后来到8090年代国内已能商业化生产5级电子式标准电能表，也已研制出更高准确度等级的标准电能表。随后，电子式电能表在国内的应用和制造发展都很快。1993年由国内厂商试制成功单相电子式电能表，1994年在华东试用2000只，第一年故障率小于1%。90年代中期，高精度电子式电能表发展迅速，逐渐为广大电力公用企业所接受。仅1998年电子式电能表的产销量比1997年增加400%。国家电网、省电网各级关口表大部分更新为电子式电能表，但是大多数为进口电能表，总数近万只，运行情况较好。近几年，许多大用户（大于100KW）也开始试用三相电子式多功能电能表，致使需求猛增。2000年国内三相电子式多功能电能表销售仅为12万台，2001年就上升到18万台。到2004年为止，三相电子式多功能电能表的年需求量已经超过了70万台，创造11%的电能表总产量。国产0.5级电子式电能表也开始在部分地区使用。但是，国内0.2级以上的电能表技术尚未成熟，一直处于试验阶段。现在重要部门、重要设施所使用的0.2级以上的电能表一直使用国外的成熟产品。因此，研制0.2级以上的高精度、多功能三相电能表对于我国电工仪表行业具有重要的意义。第2章电能计算的理论基础随着市场经济的不断发展，各种耗能性企业遍布全国。能源问题成为中国发展进步的重大问题。供电部门、各大生产企业日益重视电能的科学管理，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。这就要求电能表不仅能精确的计量用户电能的消耗，还应该能够记录显示电网运行质量的参数，这些参数包括有功功率、无功功率、总功率、有功电能、无功电能、视在电能、电压有效值、电流有效值、功率因数、工作频率等。2.1三相交流电信号模型对于理想的三相交流，A、B、C三相电压信号可以表示为下列函数：(2-1)(2-2)(2-3)2.2电压、电流有效值的计算信号的有效值也叫均方根（RMS），是表示信号发送功率的能力，不管什么样的波形，具有相同据方根的信号发送到阻性负载上的功率是相同的。在三相电路中，电压、电流的测量一般均为有效值的测量，根据电压有效值、电流有效值的定义：(2-4)(2-5)由于A/D转换器是对电信号离散采样的，假设对电压u(t)、i(t)分别进行N次采样，u(k)、i(k)相应为第k个采样点，总采样点数为N，则(2-6)(2-7)在三相电路中，A、B、C相的电压有效值分别为：(2-8)(2-9)(2-10)A、B、C相的电流有效值分别为：(2-11)(2-12)(2-23)2.3功率的计算功率是电流做功的速率，通常用字母P表示。在交流电路中(2-14)由于储能元件的存在，交流电路的功率分为有功功率、无功功率和视在功率。2.3.1有功功率的计算有功功率又叫平均功率，即瞬时功率在一个周期内的平均值。它是指电路中耗能元件所消耗的功率 张有顺，冯井岗，电能计量基础，北京：中国计量出版社，2002。在正弦交流电路中，设瞬间电压为u(t),瞬间电流为i(t),则瞬间功率P(t)=u(t)i(t)。P(t)是个随时间变化的函数，它在某个周期内的平均值应等于该函数对时间的积分后，除以时间间隔，所以平均功率应为：(2-15)当用计算机处理时，需要将连续量离散化，用和式代替积分。若以t的时间间隔对电压和电流进行采样，用N表示每个周期采样的次数（即T=Nt），则有功功率公式可以表示为：(2-16)式中，u(k)、i(k)分别代表电压、电流的第k次采样值，N为采样点总数，芯片就可按照公式2-16计算出有功功率。t取得越小，离散采样的波形就越接近实际值，则计算结果越准确。在三相交流电中，A、B、C三相的有功功率分别为：(2-17)(2-18)(2-19)在三相电路中，总功率等于每相功率之和。所以，三相电路的总功率可以表示为：(2-20)2.3.2视在功率的计算在具有复阻抗的交流电路中，电压有效值与电流有效值的乘积值称为视在功率，它反映的是额定功率的大小，即(2-21)三相交流电的总视在功率为各相视在功率之和：(2-22)2.3.3无功功率的计算无功功率是视在功率中不消耗电能的部分，它的产生与储能元件有关。在实际的电路中，一般采用先计算有功功率、视在功率，然后通过三者的关系式来计算无功功率。视在功率、无功功率、有功功率满足下面的关系式：(2-23)其中，Q表示无功功率。所以，无功功率的计算方法如下：(2-24)2.3.4功率因数的计算在交流电路中，电压与电流之间的相位差的余弦叫做功率因数,用符号表示，在数值上，功率因数是有功功率和视在功率的比值，即(2-25)由上式可以看出，功率因数最高值为1。功率因数的大小与电路的负荷性质有关，具有电感或电容性质的负载电路的功率因数都小于1。功率因数是电力系统的一个重要的技术数据，也是衡量电气设备效率的一个系数。功率因数低，说明电路用于交变磁场转换的无功功率越大，从而降低了设备的利用率，增加了线路供电损失。2.4电能的计算电能是消耗的能量的积累，是时变函数功率对时间的积累，到时刻T时的电能为：(2-26)将公式2-16代入上式得：(2-27)所以三相电流所消耗的总有功电能为：(2-28)三相总视在电能为：(2-29)三相总无功电能为：(2-30)2.5频率的计算频率的测量一般采用过零检测法，设电压信号每个过零点的时刻，由此可得到周期T满足：(2-31)由周期与频率之间的关系得到频率的计算公式：(2-32)8第3章电路的总体设计3.1方案比较感应式电能表作为一种传统的电能表，在电能计量工作中发挥了极大的作用。但随着电能营销对电能计量提出的要求不断地提高，传统的感应式电能表受自身结构的限制很难扩展。随着微电子技术和单片机技术的快速发展，全电子式电能表应运而生。电子式电能表的设计方案一共有四种：方案一：模拟乘法器型电子式电能表该电子式电能表的工作原理如下图所示：电压采样模拟乘法器电流采样分频计数单片机电压/频率转换器UI图 3- 1模拟乘法器电能表原理框图被测的电流和电压经电压和电流取样后送至模拟乘法器，完成电压和电流的瞬时相乘，输出一个与一段时间内的平均功率成正比的直流电压，然后经压频转换器转换成对应的脉冲频率信号，一路送入单片机，一路送至分频计数器输出提供检定用。模拟式乘法器里最常用的就是霍尔模拟乘法器传统的电子式电能表中霍尔模拟乘法器的工作原理如下图3-2和图3-3所示：霍尔元件是如图3-1所示的半导体薄片，当它处在磁感应强度为B的磁场中，如果在它相对端通一电流I，则在半导体另两端将会产生一个与电流和磁感应乘正比的电势UH。UH=KHIB，其中KH为霍尔元件灵敏度，UH为霍尔电动势。设霍尔元件厚度为d。则霍尔电动势UH=RHIB/d，RH为霍尔系数。由图3-2可以看出霍尔法测量原理，由被测电压u产生磁场，使磁感应强度为Bu；被测电流i通过霍尔元件，则霍尔电动势就能反映被测电压、电流的相乘积。霍尔乘法器是一个四象限乘法器，其相乘精度甚佳，可以在0.3%左右，工作频率在10KHZ以内。电压霍尔乘法器电流积分器 图 3- 2霍尔元件图 图 3- 3霍尔法测量原理图 该方案的优点是：电磁兼容性好、精度比一般模拟仪表要高频率响应快，启动电流小。该方案的缺点是：抗外磁干扰的能力差，而且其功能扩展性差，计量电能的信息也不足以满足快速发展的需求。方案二：高精度A/D型乘法器电子式电能表高精度A/D型乘法器电子式电能表的工作原理如下图所示：A/D脉冲输出显示微处理器（CPU）UI通信图 3- 4高速AD型电能表原理框图如上所示，电压电流信号经处理后送入高精度A/D，它对电压、电流、相位、频率进行精确采样，得到的数字信号送入微处理器进行一系列的运算处理。这种电能表可以很容易的实现其他功能，如四象限无功计量、失压报警等。其可扩展性也很强。在该设计中CPU除具有显示、键处理、时钟、通信等功能外，还肩负数据处理的任务。而目前电力用户对全电子式多功能电能表提出了越来越“苛刻”的要求，如瞬时功率的采集与通信、多费率电能计量的组合与计算等，CPU的能力已经发挥到了极限，有时CPU由于不堪重负而产生死机。该方案的优点是：精度高、启动电流小、电磁兼容性好、功能扩展性强。该方案的缺点是：CPU负荷重难以完成较为“苛刻”的任务、制造成本高、频率响应较慢。方案三：DSP型乘法器数字式电能表DSP型数字乘法器的工作原理如下图所示：DSPCPU显示脉冲输出通信UI图 3- 5DSP型乘法器电能表原理框图如上图所示电压电流信号经互感器之后，直接送入DSP，由于目前随着DSP技术的日益发展，较先进的DSP芯片内部已经集成了A/D转换器。经DSP运算后的各种信号，如有功功率、无功功率、视在功率、相位角、有功电能、无功电能、视在电能等数据给下一级的CPU进行处理。这样DSP承担了CPU数据处理的一部分功能，大大缓解了CPU的负担，如此使得电子式电能表的结构更加简单可靠。该方案的优点：CPU负荷轻、功能扩展性很强、抗外磁场干扰性强、电磁兼容性强、精度高。该方案的缺点：制造成本很高。方案四：电能测量芯片型电能表电能测量芯片性电能表的工作原理如图3-6所示：单片机显示模块键盘电能测量芯片电压电流调理电路电源模块UaUbUcIaIbIc电能脉冲输出通信图 3- 6电能芯片电能表原理框图如图3-6所示，电压和电流信号经过互感器调理，直接送入电能测量芯片，然后由单片机和电能测量芯片通信获得电能信号、包括有功功率、无功功率、电压有效值、电流有效值、频率等，单片机通过对这些数据的计算可以得到更多的电能信息，同时单片机负责显示和电能脉冲的输出以及与外部的通信。该方案的优点：设计简单可靠、精度高、频率响应快、扩展能力强、制造成本低。3.2电路总体框图通过以上方案的优缺点的比较，本设计中为了设计一块高性能、低成本的多功能电测仪表，所以选择了方案四。本设计的总体框图如下所示：单片机显示模块键盘ADE7758电压电流调理电路电源模块UaUbUcIaIbIc电能脉冲输出通信FM25640图 3- 7设计总体框图本系统采用ADE7758和TI的高性能MCU MSP430F149在此硬件平台上来搭建全电子式数显电测仪表，电源部分采用的是正激式变压器隔离的设计方案，显示部分采用的是LED使显示的性能更好。正如图 3- 7所示，本设计通过由开关电源模块来为整个系统提供电能，单片机采集键盘的按键信息，并通过对相应的按键进行键值编码，通过这些不同的码可以判断执行什么行为，并经过一系列的处理，转换成相应的命令。 单片机同时控制显示模块，来以友好的方式显示操作人员要读取的信息，以实现人机通信。本设计的通信是采用的RS-485通信标准，由于该标准有很好的抗共模干扰的能力和高速的传输速度以及很远的传输距离。同时还有两路电能脉冲输出分别为有功电能脉冲输出和无功电能脉冲输出。ADE7758通过电压和电流通道实时地采集经调理电路调理的电压电流信息并通过一系列的校准补偿来消除由于硬件带来的相位误差和幅值的衰减，同时单片机从ADE7758实时地获得计量所需要的电能信息并通过一系列的计算得到我们所要的到的电能信息，并且将一些我们希望长久保存的信息实时地保存到非易失性存储器当中，提高了数据的可靠性。第4章系统硬件设计按照功能的区分硬件电路主要分为四部分：第一部分完成信号的调理，主要是将三相电压电流经过一定的手段调理成ADE7758能够接受的信号。第二部分是人机界面，主要用于人、机的交互式通信。第三部分是控制和计量部分，这部分的主要功能是完成电能的计量（包括电压有效值、电流有效值、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数、频率等）、显示控制以及信息的存储工作。第四部分是电源部分，电源部分从工频电上获取能量将其转化成电能表上芯片所需要的电压或电流。4.1电压、电流调理电路的设计4.1.1电流调理电路电流调理通常也由两种方法：第一种采用电流分流；第二种采用的是电流互感器。电流分流器的原理如下图所示：IRs123u图 4- 1电流分流器原理图如图4-1所示的电流分流器的原理，分流电阻Rs，当大电流I流过时，会产生相应的成正比的微弱的电压u。该电压信号输入电能表的计量单元。电流互感器的原理如下图所示：I2I1N2N1A图 4- 2电流互感器原理图电流互感器的工作原理与普通变压器的工作原理基本相同 黄伟，付银秀，电能计量技术，北京：中国电力出版社，2004 ，其原理如图 4- 2所示，当一次绕组中有电流流过时，由一次绕组的磁势产生的磁通绝大部分通过铁芯而闭合，从而在二次绕组中感应出磁动势。如果二次绕组接有负载那么二次绕组中就有电流流过，二次绕组的磁势也产生磁通，其绝大部分也通过铁芯闭合，铁芯中的磁通是有一次、二次绕组磁通合成的，称为主磁通。根据磁动势的平衡原理可以得到(4-1)式中励磁磁动势。忽略铁芯的损耗，可认为，则(4-2)这个是理想电流互感器的一个重要关系，可进一步简化的到(4-3)其中K就是变比。比较这两中方案，前者具有较好的线性度和较小的温度系数。但是，没能使主回路和二次回路隔开。而电流互感器，能使主回路和二次回路隔开，实现互感器二次侧不带强电，同时还提高了电子式电能表的抗干扰能力。综合本设计的需求，为了提高抗干扰的能力，防止二次回路引入强电，再设计中采用了后一种方法。电流调理通道的电路图如图 4- 3所示：图 4- 3电流调理通道原理图图中的T1代表电流互感器，、的作用是将电流信号转换成符合ADE7758要求的电压信号， 、一方面增加后一级电路的输入阻抗，另一方面和、构成了信号滤波电路，用来滤除高频噪音，经调理后的信号直接供给ADE7758。在本设计中采用的是5A：2mA的穿线式电流互感器，由于在本设计中为了提高测量的精度，将ADE7758的最大输入值设置在。所以电阻R2的计算方法如下所示：(4-4)为了防止电流发生大的波动而引入到ADE7758引脚上大的电压峰值，致使芯片损坏。所以我们在选择电阻的时候留有一定得余量选择。4.1.2电压调理电路常用的电压调理主要有两种方法：第一种采用电压互感器；第二种采用分压的方法。电压互感器的原理如下图所示：N2N1U1U2图 4- 4电压互感器原理图其二次侧的电压与一次侧的电压的关系如下式：(4-5)电阻分压的原理如下图所示：+UvUt图 4- 5分压原理图其中Ut是主回路电压，Uv是二次回路电压。比较这两种处理电压的方案，前者可以使二次侧和主回路隔离，但是成本较高，且在PCB板上占用的面积较大；后者设计简单线性度好、成本低，但是不能实现主回路和二次回路的隔离。考虑到电路板的面积和成本问题，我们在调理电压时没有使用电压互感器，而是采用了分压的原理将工频电压减小到符合ADE7758要求的信号。其原理如图 4- 6所示：图 4- 6电压调理原理图在该图中RV1是压敏电阻，用来防止由于电路电压大幅度波动对电路造成的损坏，设该电路的输入电压是Vi输出电压是Vo，足有输入与输出之间的关系是：(4-6)其中，对于工频电压信号来说阻抗很大可以认为是开路，而对于频率很高的噪音来说阻抗很小，可以认为是短路，因此可以达到滤除高频噪音的效果。电阻、的作用是增大后级电路的输入阻抗以降低负载对分压电路的影响。4.2人机界面的设计由于考虑到工业环境的恶劣性以及使用寿命，我们在这里使用LED来做显示界面，LED是采用高亮发光二极管做成的八段数码管，亮度高、工作稳定、成本低、寿命长，不像液晶显示器那样没有那么高的亮度。如图 4- 7所示在本设计当中采用的是四位一体的共阴数码管，通过采用级联方式连接74ls164，经晶体管进行电流放大后来驱动采用动数码管实现态显示。采用动态显示可以降低电源的负担，减少功率消耗。在本设计中数码管用来显示任务菜单以及该仪表所能显示的各种电能参数，通过按键可以实现在线编程，达到实时的查询各相电压、电流、功率因数、有功功率、无功功率、视在功率以及频率等信息，同时还可以设置数据传输的波特率和仪表的通讯地址等一系列的信息。除此之外，为了达到更友好的显示效果，在本设计中还添加了一些辅助显示的发光二极管，用来显示一些附加信息。图 4- 7人机界面原理图这些辅助发光二极管的设计如图 4- 8所示，在本设计中也模仿八段数码管的构造方式，组合成共阴极结构，这样可以节省CUP的控制引脚，同时在做软件驱动程序的时候也能和数码管统一驱动，减少了编程的工作量。公共端的驱动采用的是市场上常见的74L164这样不但可以减少使用CPU的I/O，同时还可以起缓冲的作用增强带载能力。图 4- 8辅助显示LED原理图这些辅助二极管辅助显示当前显示界面所显示的电能信息的类型（比如电压、电流、功率等）同时还将显示单位。这些辅助显示随着用户要观测的电能信息的不同而自动的切换。按键的设计如图 4- 9所示：图 4- 9按键原理图该按键从左到右依次为上翻页、下翻页、菜单和回车。通过按下菜单键可以显示出第一个菜单项，通过上下翻页按键来切换菜单和子菜单下的对应项目，当用户设置完想要设置的项目的时候，可以通过按下回车键来确定输入。4.3控制和计量的设计4.3.1主控芯片的选择德州仪器的MSP430系列是一种超低功耗微控制器系列，由针对各种不同应用模块组合特性的多种型号组成微控制器设计成可使用电池长时间工作由于其 16 位的体系结构，16 位的 CPU 集成寄存器和常数发生器，可使 MSP430 实现了最大化的代码效率。数字控制振荡器使所有低功率模式唤醒到运行模式小于 6us 的唤醒时间。MSP430x13x 和 MSP430x14x 系列是有两个内置 16 位定时器，一个快速12 位 A/D 转换器，一或两个通用串行同步/异步通信接口(USART)和 48 个 I/O引脚构造的微控制器。典型应用包括传感系统，捕获模拟信号转换成数字值，处理并发送数据到主系统。定时器令 MCU 配置适合于数字电机控制，EE 仪表，手持仪表等的工业控制应用。硬件乘法器增强了性能，并提供一个代码与硬件广泛兼容的系列解决方案。1) MSP430单片机的特点：l 低电压，超低功耗MSP430系列单片机，在1.83.6V电压，1MHz的时钟条件下运行，耗电电流因不同的工作模式而不同；具有16个中断源，并且可以任意嵌套，使用灵活方便；用中断请求将CPU唤醒只要6us,可编制出实时性特别高的源代码；可将CPU置于省点模式，以用中断方式唤醒程序。l 强大的处理能力MSP430系列单片机，为16位RISC结构，具有丰富的寻址方式，简洁的27条内核指令以及大量的模拟指令；大量的寄存器以及片内数据存储器都可以参加多种运算；还有高效的查表处理方法；有效的处理速度，在8MHz晶体驱动下，指令周期为125us。这些特点保证了可编程出高效的源程序。l 系统工作稳定上点复位后，首先有DCOCLK启动CPU，以保证程序从正确的位置开始执行，保证晶体振荡器有足够的起振稳定时间。然后可设置适当的寄存器的控制位来确定最后的系统频率。如果晶体振荡器在用作CPU时钟MCLK时发生故障，DCO会自动启动，以保证系统正常工作；如果程序跑飞，可用看门狗将其复位。l 丰富的片内外设MSP430系列单片机的各成员都集成了较丰富的片内外设。l 方便高效的开发环境目前MSP430系列有4种类型器件：OTP型，FLASH型，EPROM型和ROM型。这些器件的开发手段不同。对于OTP型和ROM型的器件是用相对应的EPROM型器件作为开发片，或使用仿真器开发成功之后在烧写或掩膜芯片；而对于FLASH型则有十分方便的开发环境，因为器件片内有JTAG调试接口，还有可点擦写的FLASH存储器，因此采用先下载程序到FLASH内，再在器件内通过软件控制程序的运行，由JTAG接口读取片内信息供设计者调试使用的方法进行开发。这种方式只需要一台PC机和一个JTAG调试器，而不需要仿真器和编程器。开发语言有汇编语言和C语言。l 工业级的产品MSP430系列器件均为工业级的，运行环境温度为-40+80度。2) MSP430F149单片机的介绍：低电源电压范围：1.83.6V；超低功耗：2.5uA 4kHz 2.2V； 160uA 1MHz 2.2V；待机模式：1.6uA；关闭模式(RAM 保持)：0.1uA；活动模式：280uA at 1MHz，2.2V； 5 种省电模式；6us 内从待机模式唤醒；16 位 RISC 结构，125ns 指令周期；带内部参考，采样保持和自动扫描特性的 12 位 A/D 转换器；有 7 个捕获/比较寄存器的 16 位定时器 Timer_B； 有 3 个捕获/比较寄存器的 16 位定时器 Timer_A ；片内集成比较器；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.；MSP430F149：60KB+256B 闪速存储器，2KB 的 RAM；可用封装：64 脚方形扁平封装(QFP)如图 4- 10所示。3) MSP430F149单片机的引脚：MSP430单片机有丰富的端口资源，各产品型号不同，所含端口资源不同，各端口都有丰富的功能以及大量的控制寄存器供用户操作。MSP430系统中没有专门的输入/输出指令，输入/输出操作都是通过传送指令完成的，端口P0P6都是可以为寻址的，也就是说端口的每一位都可以单独配置。其中，P0、P1和P2口具有中断能力；TP0具有三态输出能力；S和COM是为液晶的驱动而专门设置的端口。目前MSP430所有系列单片机的总线都不对外开放，所以端口就成为用户可以利用的重要资源。MSP430的端口可以直接用于输入/输出，以实现多功能复用，还可以为MSP430系统扩展设备提供必要的逻辑控制信号。常见的键盘接口电路可以直接用端口进行模拟，用查询或中断方式控制。其引脚如图 4- 10所示：图 4- 10MSP430单片机引脚图最小系统的设计图 4- 11最小系统原理图复位电路采用的是上电复位方式，如上图所示。在图中左上角的芯片是一个硬件看门狗还附带有欠压检测功能当电压降到一定得值时1脚就会输出复位信号是CPU复位，右上角的是一个低功耗、低压降的三端集成稳压芯片ASM1117，输出稳压为3.3V，该单片机的晶振有两个输入源，上面那个是低速晶振给片上外设提供时钟，下面那个是告诉晶振，主要是给CPU内核提供时钟。4.3.2计量芯片的选择与设计目前市场上主要的三相计量芯片有ADE7758，ATT7026A，PL3223，三者都用于三相多功能电能计量，均适用于三相三线制和三相四线制具有50Hz或60Hz标准频率的电网。在电能计量上的差别主要有：ADE7758提供各分相参数；支持过压、过流、线电压跌落、获得电流/电压采样值、在指定时间内检测到/未检测到过零点、相序错位、有功/无功功率符号变化、有功/无功/视在电能累加寄存器半满、电网周期累加模式下最后一个过零点检测完毕等中断。但不提供功率因数、相角及各项电能参数。ATT7026A提供各分相、合相参数，但不具有中断功能。PL3223提供若干间接参数。依次计算出电压有效值、电流有效值、线电压频率等参量，智能提供过压、欠压中断。考虑到本设计需要提供的电能参数的多样性，因此选择了可以提供多种中断源的ADE7758芯片。ADE7758是一款高精度的三相电能计量芯片，带有两路脉冲输出功能和一个串行接口，集成了6路16位二阶模数转换器，数字积分器，高性能DSP，基准电路及温度传感器等电路，以及所有进行有功、无功和视在电能计量以及有效值计量所需要的信号处理单元，在1000:1动态范围内误差小于0.1%，提供有功、无功、及视在电能、电压、电流有效值及波形采样等数据；三相三线/三相四线兼容。ADE7758为各相提供系统校准功能，包括有效值偏移校准、相位校准、功率校准，DSP内部对功率电能进行了补偿；提供独立的有功电能及无功电能脉冲输出。这些功能特点大大减少了MCU的软件开发工作量，简化了电能测量新应用模块的设计难度，可做到全电子或真正固体化、静止化，以有利于提高性能，降低成本，是电能计量具有高精度、高可靠性、免维护和双向通讯功能。ADE7758中具有波形采样寄存器，它可以对模数转换器的输出进行访问。该器件集成了一个用于短时低电平和高电平变化的检测电路，变化的阀值电压和持续时间（即半周期数）有用户编程决定。三相中的任何一相的线电压过零检测与电压过零点是同步的，过零检测的结果可用于测量三个电压输入中任意一个周期，也可用于内部芯片的线循环电能累加模式。该模式使电能累加与半周期的整数倍同步，以此实现更快更准确的校准。在本设计中，ADE7758将电流信号和电压信号先进行采样、A/D（模/数）转化和相位校准，将初始采样值送入波形采样寄存器以供谐波分析使用，再将电流和电压进行计算，得到各相的有功、无功和视在3种电能，并将3种电能累加到ADE7758对应得寄存器中，同时由单片机通过ADE7758的LINECYC模式计算出有功、无功、视在功率，波形采样寄存器的值定时传入上位机。数据通过ADE7758的SPI串行接口与单片机进行通信。中断请求输出（IRQ）为开漏极，低电平有效。在ADE7758中出现一个或多个中断事件时，IRQ输出变为低电平。通过状态寄存器显示中断事件的性质。电路设计及各引脚具体设计方式如图 4- 12所示：图 4- 12电能芯片设计原理图如图 4- 12所示，在本设计中ADE7758各主要引脚功能及本设计中的具体使用方式详细介绍如下：1) APCF：有功功率校正频率逻辑输出引脚。该引脚的输出主要用于校准和操作的目的。满刻度输出频率可以写入APCFNUM和APEFDEN寄存器中。本设计中作为有功电能脉冲从仪表中送出。2) IAP，IAN，IBP，IBN，ICP，ICN：电流通道模拟输入。这些输入时全差动电压输入，允许最大的差动输入信号为，（相对于UN端），根据内部放大器的增益选择来设定输入电压的最大值。本设计中为了增加A/D转换精度和模拟抗干扰性，提高ADE7758模拟端口的信号幅值，故选择的最大输入为0.5V，前级信号调理设计见4.1节。所有的输入引脚均能承受的过电压而不会造成永久损坏，并具有静电释放保护电路。3) VN，VCP，VBP，VAP：电压通道模拟输入。这些输入是单端电压输入，选择最大信号电压为：（相对于UN端）。具体描述与电流通道的模拟输入相似。4) VARCF：复功率校准频率逻辑输出。通过设置WAVMODE寄存器的VACF为来选择输出复功率或者视在功率。该输出用于电参数测量模块的校准。满刻度输出可以通过写入VARCFNUM和VARCFDEN寄存器的数值来调节。在本设计中用来输出无功电能脉冲。5) IRQ：中断请求输出。可屏蔽的中断包括：有功能量寄存器、视在功率寄存器半满和波形采样速率达到26Ksps。6) CLKIN：芯片主时钟。最高位15MHz，可以用一个外部时钟信号来提供时钟输入。考虑到ADE7758的运行效率，本设计采用了在CLKIN和CLKOUT端并联一个10M的晶振来提供时钟信号，接一个20PF的瓷片电容到振荡端。7) DIN：串行接口的数据输入端在串行口的时钟信号SCLK的下降沿输入数据。8) SCLK：串行时钟信号输入端。所有串行数据被该信号同步。该引脚具有施密特触发输入，以适应速度较慢的边沿变化时间。9) DOUT：串行口的数据输出端。在SCLK信号的上升沿数据从该引脚传输出去。在没有数据的时候该引脚为高阻抗状态。为了避免外界电网通过电能计量电路对中央控制电路的干扰，本设计中电能计量电路与中央控制电路在电路印制板上设置了一定得隔离距离。ADE7758内部结构及工作原理如图 4- 13、图 4- 14所示，ADE7758集成了模拟数字转换器、数字积分器、参考电压源、温度传感器以及状态寄存器，状态寄存器配置电量参数的计算过程。三相电压和电流的模拟信号经可变增益放大器PGA和AD变换，输出离散数字信号，从而进一步计算电能的有效值、功率、电量等参量。ADE7758有6路模拟量输入，分为电流和电压两个通道图 4- 13电能芯片电流通道原理图如图 4- 13所示，B相、C相的电流测量通道与此相同。这些输入是全差动电压输入，允许差动输入信号范围可选为05V，025V，0125V(相对于UN端)，根据内部放大器的增益选择来设定输入电压的最大值。前端采样电路的放大器增益PGA寄存器来设定。每相的电流通道在信号通路中都有一个乘法器，电流波形可以改变50，这主要是由写入12位有符号电流波形增益寄存器(AIGAIN，BIGAIN，CIGAIN)中的2进制数决定的。所有的输入引脚均能承受6V的过电压而不会造成永久损坏，并具有静电释放保护电路。可见，电流通道信号经信号放大PGA和模数变换ADC转换为对应的数字信号，然后经电流通道内的高通滤波器HPF滤除DC分量并数字积分，处理后的结果输出至三个方向：电流有效值计算、波形采样寄存器、有功及无功电能计算。由于输入时可能有噪声干扰会造成电流相位偏移，可通过写入AIRMSOS，BIRMSOS，CIRMSOS寄存器进行补偿。图 4- 14电能芯片电压通道原理图电压测量通道如图4-14所示，B、C相电压通道与此相同，具有3路单端电压输入通道，分别为VAP,VBP和VCP。这些单电压输入端的最大输入电压变化范围为0.5V，信号处理流程与电流通道类似，电压通道的相位偏移可通过写入AVRMSOS，BVRMSOS，CVRMSOS寄存器进行补偿，在此不再赘述。ADE7758内部结构设计采取的是交流采样法，内置高精度的ADC以及专用的数字处理电路，大大简化了设计过程，提高精度和可靠性。4.3.3存储单元的选择在实际应用中可能会由于某种原因使仪表突然断电，这样就会是存储在CPU ram中的重要数据丢失。另外，由于本电测仪表所要测量的电能数据很多，即使有些CPU带有可以被用户利用Flash，但一般这些Flash的容量都不大也不能存储太多的数据，所以选择一款非易失性的存储单元是很重要的。在本设计中采用的是一种铁电存储器FM25640，这种存储器是非易失性的，但是它的性能却像RAM一样。它可以可靠存储数据达到10年之久，同时还去除了由EEPROM和其他的非易失性存储器所带来的复杂性、附加性和系统级的可靠性问题。FM25640的存写速度可以达到总线级的速度，不像EEPROM那样还要等待，这样就大大加快了存写的速度，提高了效率。图 4- 15FM25640引脚图各个引脚功能如下：片选引脚，用来使能芯片。SO：串行口的输出引脚。：写入保护引脚。这个引脚可以禁止写操作状态寄存器。VSS：电源正极。VDD：电源漏极。：保持引脚。当CPU要暂时中断存对储器的操作的时候，该引脚用来保持当前对存储器的操作状态，当CPU空闲时可以继续中断时的操作继续操作。SCK：串行口的时钟信号，用来同步I/O，在上升沿锁存输入数据，在下降沿锁存输出数据。SI：串行口的输入引脚。4.4通信部分的设计目前常用的穿行接口标准有RS-232、RS-422、RS-485，其中RS-232被定义为一种在低速率串行通讯中增加通讯距离的单端标准。RS-232采取不平衡传输方式，即所谓单端通讯。这种通讯方式共模抑制能力差，再加上双绞线上的分布电容，其传输距离最大为约15米，最高速率为20Kb/s。RS-232是专门为点对点通讯而设计的。RS-422和RS-485与RS-232不一样，数据信号采用的是差分传输方式，也称作平衡传输，它使用一对双绞线。其最大传输距离约为1219米，最大传输速率为10Mb/s。平衡双绞线的长度与传输速率成反比。RS-485与RS-422相比其输出共模电压要略高一些，其接收器的最小输入阻抗也略大一些，所以RS-485要比RS-422的带载能力强，所以在总线上最多可以接32个设备，而RS-422最多可以接10个接点。由于本设计大多数是用在工厂或者电厂，所以一般仪表的数目较多，在本设计中采用了485通信。而在众多接口芯片中MAX1487改进了设计使功耗降到很低最多可以再总线上挂128个控制器，所以通信接口我们选择MAX1487芯片。其引脚及引脚功能如下：图 4- 16MAX1487引脚及内部结构图RO：接收器输出：若AB200mV，则RO为高电平；若AB200mA,则RO为低电平。：接收器输出使能，低电平时RO有效。DE：驱动器输出使能。DI：驱动器输入。：电源正极。B：接受（发送）反向端。A：接受（发送）同向端。GND：电源地。本设计的硬件电路如下图所示：图 4-