新型帶軟件校表功能的單相多費(fèi)率電能表的設(shè)計(jì)

引言

傳統(tǒng)的機(jī)械電能表，是通過(guò)磁力矩驅(qū)動(dòng)鋁盤，帶計(jì)量器計(jì)量電量的。這種計(jì)量方式存在著壽命短、誤差大、需定期調(diào)試，容易竊電，現(xiàn)場(chǎng)抄表等諸多缺陷，操作的可靠性亦得不到保證，而且給城市電網(wǎng)的建設(shè)、規(guī)劃和分析帶來(lái)了很大困難。為了解決上述問(wèn)題，具有防竊電功能的，液晶顯示的，帶有紅外通訊、485通訊的電子電能表逐漸被應(yīng)用，而且將逐漸成為市場(chǎng)的主流。

系統(tǒng)組成

帶軟件校表功能的單向付費(fèi)率表的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。實(shí)現(xiàn)原理為：電網(wǎng)的電流和電壓信號(hào)通過(guò)分流器，被采樣芯片采樣過(guò)來(lái)，以脈沖(CF)的方式輸出給單片機(jī)，單片機(jī)通過(guò)對(duì)電能高頻脈沖CF的采集和分析，輸出電能指示脈沖信號(hào)，供脈沖燈和校表用，吧并利用CF信號(hào)，計(jì)算出采集到的電量，送到LCD驅(qū)動(dòng)，在LCD上顯示，同時(shí)又寫入EEPROM；EEPROM中除了保存電量信息外，還有表號(hào)等信息，這些信息可以通過(guò)紅外和485通訊抄讀和設(shè)置，也可以在LCD上顯示。

硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)如圖1所示，分為時(shí)鐘供給模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、脈沖采集模塊、軟件校表模塊、掉電檢測(cè)模塊、紅外輸出模塊、485通訊模塊、電池電壓檢測(cè)模塊、拉閘控制模塊。主控芯片采用NEC單片機(jī)UPD78F0485，其基本特性如下：1.8~5.5V寬電壓供電；內(nèi)部集成PLL鎖相環(huán)晶振電路，溫漂極?。坏凸?，副時(shí)鐘工作的時(shí)候，功耗最低1uA；內(nèi)部集成上電復(fù)位電路和低電壓檢測(cè)電路，方便做掉電數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；內(nèi)部集成A/D，可以做電池電壓檢測(cè)；有沿觸發(fā)外部中斷，可以采集電量脈沖；內(nèi)部集成了IIC電路和兩個(gè)UART電路，方便2路通訊；并集成了2個(gè)16位定時(shí)器，2個(gè)8位定時(shí)器，通用I/O口眾多。這些資源，都是UPD78F0485被用來(lái)設(shè)計(jì)電能表的重要原因。

下面就電能表中的一些主要硬件電路的設(shè)計(jì)做一個(gè)簡(jiǎn)要的分析。

1)485通訊電路設(shè)計(jì)：  

圖2：485通訊電路結(jié)構(gòu)

在電能表系統(tǒng)中，抄表系統(tǒng)在抄表的時(shí)候只有固定的集中方式：485、載波、紅外。485作為成本低、運(yùn)行可靠、抄表速度快等特點(diǎn)，現(xiàn)在是抄表用的最廣泛的一種方式。圖2即為485電路的基本結(jié)構(gòu)。此電路通過(guò)光耦把單片機(jī)輸出的信號(hào)，隔離輸出到3085芯片，3085芯片再把此信號(hào)轉(zhuǎn)變成差分信號(hào)送給總線。接受的信號(hào)也要通過(guò)光耦隔離送回單片機(jī)。此電路的特點(diǎn)是3085的RE和DE兩個(gè)引腳由一根引線一起控制，節(jié)省了單片機(jī)的一個(gè)I/O口，這種接法是有條件的，即電能表上的通訊不是絕對(duì)的全雙工。由于485電路的差分信號(hào)傳輸距離比較遠(yuǎn)，一般布線的環(huán)境也比較惡劣，所以485線路必須有壓敏電阻進(jìn)行高壓保護(hù)，而且還要有TVS管，防止瞬態(tài)的高壓干擾和遭受雷擊。

2)紅外通訊電結(jié)構(gòu)：

圖3：紅外通訊電路結(jié)構(gòu)

紅外通訊電路在電表里使用非常廣泛，是由于目前紅外掌機(jī)抄表的方式還在很多地區(qū)使用。在這種市場(chǎng)需求的帶動(dòng)下，單片機(jī)有兩路UART口來(lái)做通訊就變得必須了。如圖3所示，在紅外發(fā)射電路中，采用兩個(gè)三極管疊加，其中TXD網(wǎng)絡(luò)用來(lái)發(fā)送數(shù)據(jù)信號(hào)，38K網(wǎng)絡(luò)用來(lái)發(fā)送載波信號(hào)，這樣由于硬件電路的邏輯與作用使得LED3發(fā)送出我們預(yù)期的數(shù)據(jù)。這種電路只是紅外發(fā)送電路的一種連接方式，也可以，采用一個(gè)三極管，在程序里面做TXD和38K的與運(yùn)算。

3)計(jì)量電路： 

圖4：計(jì)量電路的結(jié)構(gòu)

計(jì)量電路有ADE7755作為采樣芯片，通過(guò)分流器也就是圖上的錳痛片采集電壓電流，內(nèi)部計(jì)算成有功功率，然后以脈沖(CF)的方式輸出。單片機(jī)采集這個(gè)脈沖，計(jì)算電量。圖下方的很多電阻構(gòu)成了電表的精度調(diào)節(jié)電路。

軟件設(shè)計(jì)

電表運(yùn)行狀態(tài)分為常狀態(tài)和低功耗狀態(tài)。程序中設(shè)置了一個(gè)空閑標(biāo)志，掉電的時(shí)候空閑標(biāo)志位被置為1，在主程序中不斷的檢測(cè)這個(gè)標(biāo)志，當(dāng)此標(biāo)志置1的時(shí)候，進(jìn)入睡眠狀態(tài)，以減少功耗。

軟件功能的實(shí)現(xiàn)由各個(gè)子程序來(lái)完成，主要由紅外通訊子程序、485通訊子程序、軟件校表子程序、電量計(jì)算子程序、掉電處理子程序等構(gòu)成。主程序流程圖5所示。

圖5：主程序軟件流程圖

此系統(tǒng)中，主要的程序集中在初始化、UART通訊和軟件校表幾個(gè)地方，這里予以簡(jiǎn)介。

1)初始化程序：

NEC單片機(jī)UPD78F0485本身具有豐富的內(nèi)部資源，可以大大的減少外圍器件的數(shù)量，也就減少了故障發(fā)生的幾率。需要初始化的地方主要有：內(nèi)部RAM，選項(xiàng)字節(jié)，中斷控制寄存器，串口控制寄存器，定時(shí)器控制寄存器，LVI電路控制寄存器，看門狗控制寄存器，IIC電路控制寄存器，液晶驅(qū)動(dòng)控制寄存器等。

2)UART收發(fā)程序：

UART的收發(fā)是由單片機(jī)內(nèi)部自帶的串口模塊來(lái)完成的，程序里我們只需要查詢收發(fā)完成標(biāo)志位，連續(xù)收發(fā)，檢測(cè)出錯(cuò)標(biāo)志位和糾錯(cuò)處理。大大的簡(jiǎn)化了程序的運(yùn)行過(guò)程，也降低了程序時(shí)序的壓力。

3)軟件校表的程序：

軟件校表的過(guò)程如下：我們對(duì)脈沖的采集，采集ADE7755輸出的高頻脈沖，1度電的高頻脈沖輸出個(gè)數(shù)為低頻脈沖的整數(shù)倍，軟件校表的過(guò)程就是通過(guò)串口通訊來(lái)調(diào)節(jié)1度電所對(duì)應(yīng)的高頻脈沖的個(gè)數(shù)，已達(dá)到計(jì)量準(zhǔn)確的目的。

通訊協(xié)議的設(shè)計(jì)

規(guī)約格式：

圖6：字節(jié)格式

圖7：幀格式

·字節(jié)傳輸格式：0(1位起始位)XXXXXXXX(8位數(shù)據(jù)位)1(1位結(jié)束位)，數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中允許每一個(gè)字節(jié)的空閑間隙為<500ms，如圖6所示。

·通訊波特率：1200波特。

·3到5個(gè)FEH作為同步頭，一個(gè)16H結(jié)束字。

·詳細(xì)命令格式技術(shù)局返回格式請(qǐng)參照645規(guī)約(DL/T 645—1997)。

·幀格式，如圖7所示。

通訊時(shí)，如果在限時(shí)內(nèi)沒(méi)有受到應(yīng)答幀，則認(rèn)為傳輸出錯(cuò)，重發(fā)先前的命令幀。重發(fā)最多3次，3次重發(fā)仍然無(wú)法受到應(yīng)答幀時(shí)，則發(fā)出相應(yīng)的故障提示信息。

結(jié)束語(yǔ)

有上述可以看出，基于NEC單片機(jī)UPD78F0485設(shè)計(jì)的付費(fèi)率電表完全符合國(guó)家關(guān)于多費(fèi)率電能表的標(biāo)準(zhǔn)GN/T15284-2002和多功能電能表的通訊規(guī)約DL/T645-1997的要求，并且具有功能合理，故障率低，外圍器件少，計(jì)量精度高等特點(diǎn)，并且大大節(jié)省了硬件成本，增強(qiáng)了市場(chǎng)推廣的可行性，另外，支持C語(yǔ)言的編譯環(huán)境又為此款電表的實(shí)際開(kāi)發(fā)縮短了開(kāi)發(fā)周期。