1、三相电子式多功能电能表项目报告题 目： 三相电子式多功能电能表 学校： 盐城工学院 * * 组别： 本科组 应用类别： 低功耗应用类 平台： MSP430 参赛队成员名单（含个人教育简历）：朱青 2008-2012 盐城工学院叶相如 2008-2012 盐城工学院观看地址：三相电子式多功能电能表摘要 本文主要由专业电能计量芯片ATT7022B和单片机MSP430F149系统的基本功能和结构组成。硬件电路方面，在线路设计上充分考虑电路的电磁兼容性。设计了一种更为可靠的电能表供电电源，提高了抗雷击能力。并提出了采用EPROM存储数据，以便达到简洁、安全的目的。在电子式电能表特别关键的通讯单元，设计
2、了串口通讯、无线通讯等多种通讯方式，从而将分散的电表连成网络，实现集中控制和远程抄表的功能。另外还设计GPS模块对采集点的坐标进行定位。abstract This passage mainly presents the basic functions and structures based on the system of the professional electric energy measurement chip ATT7022B and Single-Chip computer MSP430F149. In terms of a hardware circuit, while de
3、signing it, its electromagnetic compatibility is fully taken into consideration. A new kind of an electric energy meter power supply with more reliability is designed, improving the anti-lightning ability. Meanwhile, it is proposed that the EPROM be adopted to store data with an effort to achieve si
4、mplicity and security. With regard to the particularly critical communication unit of the electronic energy meter, many kinds of communication methods are also accomplished, serial communication and wireless communication included, thereby connecting dispersed meters into a network and achieving cen
5、tralized control and remote meter reading. Additionally a GPS module is devised for positioning collection dot coordinates.1 引言 近几年，国内电力供应严重不足已经成为制约国民经济发展的瓶颈之一，如何合理、有效地利用电力资源已经成为电力市场供需双方共同关注的焦点，而准确高效地进行电能计量，更好的利用能源为广大人民服务，就需要精度更高、功能更强的计量工具，因而集多参数测量、电能计量、分析、控制等功能的多功能电能表正在应市场的需求而快速发展。 三相电子式多功能电能表主要用在大
6、、中、小型工厂和车间、商厦宾馆、机关、学校的配电室及乡、镇、村和城市住宅小区，几乎包括所有企、事业单位用户和其他集体用户。2 系统方案2.1总体方案设计 由于多功能电能表的功能要求实现的功能非常多，MCU外围芯片的电路设计较为复杂，模块化设计方案。主要模块有电源模块，电能计量模块，实现三相以电量采集芯片实现数据采集、计量以及为整个系统提供电源；单片机侧以管理微处理器为中心，包括通信模块，显示键盘模块，存储模块，控制模块。其中电源模块采用三个降压变压器及整流电路实现三相整流电源。电能计量模块包括电能采样外围电路，互感器分压采样。通信模块包括RS485通信及红外发射接收单元。显示模块LCD显示。时
7、钟模块使用实时时钟芯片(RTC)DS1302 ，作为三相电能表分时计费的时间基准。 三相电子式多功能电能表设计方式主要有专用芯片、交流采样两种：利用专用芯片设计的电能表，推出的时间快，成本低，功耗低，产品可靠，但功能受到一定的限制。而利用 A/D 进行交流采样实现电能采集的电能表，功能多，灵活，但推出的时间长，但对CPU的运算要求速度高，功耗大。本方案的电能表采用专用芯片，并且0.5S级和1.0级所有硬件是相同的。 各相电压经过电阻分压，各相电流经过CT送入专用电能芯片，经内部A/D转换和运算处理后，计算出相应的电能、电压、电流等数据，由MCU读取数据，经过计算整理和分时处理，得到各费率的正反
8、向有功、无功等数据，送到显示、通讯、报警、脉冲输出等控制单元。 该表主要由电源及管理单元、采集单元、控制单元、显示单元、通讯单元、存储单元、时钟单元、其它单元等几部分构成。其原理框图如图 2-1所示。图2-1 结构原理框图2.2 具体方案 (1) 计量功能：可计量并记录当前和前二个月的正向有功、反向有功、正向无功、反向无功及四象限无功的电能和最大需量。可计量视在电能，可计量 A、B、C 三相的电压、电流、有功功率、无功功率、相角和功率因数，总的有功功率、无功功率和功率因数以及电网频率等。 (2) 分时功能：内部实时时钟，具有百年时钟，闰年自动转换，可实现分时记录各个电能及最大需量。具有12种费
9、率、10个日时段、12个日时段表、12个时区及12个公共假日。还具有网络对时功能。 (3) 监控功能：可记录最近一次编程时间、最近一次最大需量清零时间,编程次数,最大需量清零次数,电池工作时间等数据。有逆相序及电池电压低提示。可记录 A、B、C 各相及总的断相次数,断相累计时间,最近一次断相的起始和结束时刻。可记录最近8次的停电及上电时刻。可记录总失压次数,失压时间累计值,最近8次失压故障的失压相别,起始及恢复时刻,未失压相的有功,无功总电能。可记录总失流次数,失流时间累计值,最近8次失流故障的失流及相别,起始及恢复时刻,未失流相的有功,无功总电能。可记录负荷代表日的 00：0024：00小时
10、的正反向有功无功电能。可记录当前和前二个月的电压合格率情况。可冻结并记录自动抄表日的电能数据。 (4) 通讯功能：具有1路光隔离485接口,1路光隔离485/232复用接口或1路红外通讯接口。通过通讯口可完成设置编程和抄表。 (5) 显示功能：可通过LCD显示各种参数和数据。可实现轮显。轮显的参数、时间可设置。 (6) 设置功能：具有设置禁止功能和电能数据清零、需量清零功能。 (7) 输出功能：具有普通发光二极管输出指示，可用于电表校准和工作指示。具有有功及无功测试脉冲输出。RS485输出用于连接采集器、集中器或其他智能终端。RS232用于连接MODEM和主站直接通讯。具有正向有功、无功，反向
11、有功、无功远动脉冲输出。具有超负荷报警输出和故障跳闸输出。 (8) 停电抄表功能：停电情况下由内部停电抄表电池供电，通过键显按钮或红外通讯口进行抄表，分非接触式遥控唤醒和手动唤醒。 (9) 自检功能：上电自检，检查主要芯片和EEPROM中电能数据的有效性、校表参数的有效性，出错信息由液晶代码指示。 (10) 负荷曲线记录功能：“负荷曲线记录模式”，“负荷曲线记录起始时间”可设，根据选定的模式记录数据内容。 (11) 通讯协议：以DL/T645 多功能电能通讯协议为基础，并根据需要进行相应的扩充。3 系统硬件设计3.1 采集单元 采集单元采用专用计量芯片实现电能计量。三相电子式多功能电能表所采用
12、的主流计量电路分别为ADE7758，ATT7022B,ADE7753，CS5460A，CS5463A。ADE7758,ATT7022B是三相电能采集专用芯片；ADE7753，CS5463A，CS5460A 是单相电能采集芯片，采用两片可以实现三相三线电能采集，三片可以实现三相四线电能采集。该五种电能采集芯片都是SPI接口，可以很方便地同CPU进行数据交换。ADE7758，ADE7753，ATT7022B都是单5V电源供电，数字接口为 TTL 电平。CPU是3.3V电源供电。计量电路输出信号有可能超过3.3V，故需要加电平转换电路，一种方法采用电阻分压，此方法简单；另一种方法是加专用电平转换芯片
13、。因其是TTL电平接口，其输入可以不考虑电平兼容问题，CS5460A，CS5463A芯片本身的数字电路可3.3V供电。本设计采用ATT7022B。3.1.1 采集单元电路图 3-1 采集单元原理图 ATT7022B片内集成了7路16位的ADC采用双端差分信号输入。输入最大的正弦信号有效值是1V，建议将电压通道输入的额定电压时对应到ADC的输入选在0.5V左右，而电流通道输入的额定电流时对应到ADC的输入选在0.1V左右，参考电压 Refcap与Refout 典型值是2.4V。AT7022B有功功率是通过对去直流分量后的电流电压信号进行乘法加法数字滤波等一系列数字信号处理后得到的电压电流采样数据
14、中包含高达21次的谐波信息。参照AT7022B的技术资料和用户的实际要求，采用六路通道分别对三相电压和电流进行采样。考虑信号的带宽，作采集部分的原理设计，见图3-1采集单元原理图。3.2 CPU单元 CPU单元是整个电能表设计的核心，MCU首先具备良好的性价比，同时方便调试和加快开发进度以及日后程序升级，MCU应满足如下要求：具有在线编程能力； (1) 为提高电磁兼容性和节约成本，ROM和RAM必须集成在MCU中； (2) 为了方便应用程序的开发和调试，MCU应支持C语言编程； (3) 为了满足整机功耗小于2W和停电抄表的要求，MCU至少应具有工作和休眠两个工作状态； (4) MCU的价格应比
15、较低，并且ROM应有60k； (5) MCU最好具有液晶驱动能力； (6) MCU应至少提供一个异步串行口和一个SPI接口。 在上述要求的制约下，通过比较和研究，本方案选用TI公司MSP430系列单片机的MSP430F149。3.2.1 CPU单元电路设计根据三相电子式多功能电能表的设计要求以及MSP430F149的硬件资源，充分考虑产品的兼容性和软件设计的方便性，CPU单元作如图 3-2 所示电路设计。图 3-2 CPU单元电路3.3 存储单元 MSP430F149本身有数据存储器，采用外加存储器主要考虑电能数据的安全性。电能数据对用户来讲就是经济效益，其对数据的可靠性具有较高的要求。在受到
16、能量巨大的雷袭击的时候，MSP430F149受到损坏的可能性要高于外围的存储器件，另外MCU受到干扰或程序漏洞极有可能对本身的数据存储器改写。因此需要外围存储器保存电能数据。采用两片存储器主要处于冗余设计考虑，增加数据的安全性。 数据存储常采用两种方法：EEPROM和带有后备电池的RAM，采用RAM存储优点是速度比较快，但需后备电池，一旦电池没电，就会造成数据的丢失。本设计采用串行EEPROM存储数据，使用EEPROM存储数据具有这样的优点：体积小，只有8个引脚；不需要后备电池；存储时间长；达100年之久；具有上电，掉电写保护，上电，掉电时不会造成数据混乱；由于采用SPI总线操作，要想修改数据
17、，必须有片选信号和合适的时钟信号，这样不容易产生由于干扰而停电所造成的数据混乱。 (1)存储器的容量按照最大设置：年时区数12，日时段数10，时段表数12，费率数14，年公共假日数7来计算的话，约需内存67 + 42 + 69 + 3*12+3*10*12 + 3*7 +6*32*( 1+14 ) + 3*24*(1+14) = 4555 byte。另外还要考虑电表通用参数、事件记录、校表参数等所需要的存储数据。因此要求选用EEPROM至少要有8k字节的空间，如考虑日负荷曲线记录功能，则EEPROM至少要有32k字节的空间，而且为了减少体积和接口，同时考虑兼容不同存储容量的芯片要求以及MSP4
18、30所具的串行接口资源。采用具有SPI串行总线8脚的EEPROM芯片。 (2)选用的芯片选用AT25640。该芯片容量为8k字节，采用SPI总线操作，具有上电、掉电写保护，正常操作写保护块，具有页写入功能，典型页写入时间为5ms，每个单元可写100万次，数据保存时间100年，最大时钟周期：5MHz，并具有ESD保护功能，芯片为8-lead SOIC封装。 说明：对于存储大量数据（如负荷曲线等）可能上述所用的芯片不能达到容量要求，此时可以选用大容量存储器芯片（引脚兼容）。EEPROM电路设计如图3-7 所示，EEPROM的SO，SI，SCK分别同MCU的SPI总线的SIN，SOUT，SLCK相连
19、；HOLD直接接正电源；WP（写保护）与MCU的I/O管脚相连，对 EEPROM的数据进一步加强保护；CE同片选译码器输出管脚相连。图 3-3 存储单元的原理图3.4 时钟单元 时钟单元主要由时钟芯片和时钟供电电路两部分组成。3.4.1 时钟供电电路 时钟供电电路主要考虑正常上电和掉电状态下，时钟电源的供电方式。正常上电状态由3.3V供电，MCU可对时钟芯片进行读写操作；掉电状态下，由3.6V备用电池给时钟芯片供电，此时只需要维持时钟芯片正常计时。根据这些设计需求，同时兼顾设计成本，采用两个三极管和两个二极管以及电阻设计成简单的供电电路。 备用电池的选用高能量干电池。该电池的优点是能量大（3.
20、6V1200mA/h）,长寿命，通常电表的设计寿命要求达到十年，因此电池的长寿命是必须的。缺点是价格高。3.4.2 时钟单元的电路图根据RTC4553AC设计要求，时钟供电要求和其他产品的时钟电路的设计经验作如图3-4所示的时钟单元电路设计。图 3-4 时钟单元的原理图3.5 通讯单元3.5.1 RS485 通讯 RS485通讯芯片可供选择的厂家比较多，ADI公司的 ADM483EAR、TI公司的SN65LBC184、MAXIM公司的MAX483或 MAX485都可。这些RS485 通讯芯基本上都可达到总线可抗15kV的静电放电冲击，具有2KV的脉冲群保护，10V/m的高频磁场辐射保护。为保护
21、表内其它设备免受通讯线上的浪涌的影响，设计通讯部分与仪表主电路用 TLP421 光耦隔离。RS485 线路出口采用TVS过压抑制器SA6CA保护和 TR250-120 热敏电阻进行保护。此种设计RS485的 A、B两总线加220V电压也不会对该部分电路造成功能损坏。详细电路设计如图3-5 所示。图 3-5 RS485 通讯电路图3.6 显示模块 本产品采用1602液晶显示，显示内容包括三相有功功率，无功功率，视在功率，功率因数，电能，温度，各相电流、电压等。4 系统软件设计4.1 软件整体结构 MSP430F449 系统上电复位后，BOOT ROM 根据 JTAG 调试口引脚状态，跳转到主程序
22、入口。在主程序中，先设置电源监测电路的掉电复位监测电压（2.2V），再判断系统是在非调试状态，如是非调试设置开门狗否则并关掉开门狗，然后进行系统越界安全性检查，完后进行系统初始化和进入主任务循环。当程序进入主任务内部循环执行，等待响应不同的中断。主程序流程图如图 4-1 所示。4-1 主程序流程图三相电子式多功能电能表上电复位后，其主程序如下：void main(void)/设置 3.3V 电源监视，若小于 2.3V，则复位。SVSCTL = 0x4c;#if( SEL_SYS_WATCH = YES )WDTCTL = WDT_ARST_1000;#elseWDTCTL = WDTPW +
23、WDTHOLD;#endif/系统越界安全检查CheckSysLimit();/系统初始化Init430();/主任务入口MainTask();4.1.1 系统初始化 系统的初始化包括：中断初始化、系统时钟初始化、液晶初始化、系统自检、端口初始化、定时器初始化、SCI 初始化、SPI 初始化、采集初始化、时钟初始化、系统监视初始化、当前费率初始化、需量初始化、中断开放、液晶显示操作。系统初始化流程图如图 4-1-1所示。图4-1-1 系统初始化流程图系统初始化程序如下：void Init430(void)InitINT(); /关闭不用的中断InitBaseTimer(); /系统时钟初始化I
24、nitLCD(); /液晶初始化CheckSysVol(); /系统自检，确保系统电压为确定状态InitPort(0); /端口初始化InitTimerA(); /定时器InitTimerB();InitSPI(); /SPI 初始化InitSci(0); /SCI 初始化InitSci1(); /初始化第二串行口InitSampleChip(); /初始化采集芯片InitRealClock(); /初始化 RTCInitSysWatch(); /系统监视初始化InitProtocol(); /计算当前费率DemandPORInit(); /初始化需量_EINT(); /允许中断GetDisp
25、Num(); /液晶初始化程序4.1.2 主任务的实现 主任务循环包括：清看门狗任务、系统监视任务、通讯协议处理任务、定时处理任务、LCD 显示处理任务、事件处理任务。主任务流程图如图 4-1-2 所示。图4-1-2 主任务流程图主任务程序如下：void MainTask(void)for(;)WDTCTL = WDTPW + WDTCNTCL + WDTSSEL; /清看门狗SysWatchTask(); /系统监视处理，在停电状态下也要执行if( RamDBase.FlagByte.ExtSysStatus1 & 0x0040 ) /若处于低功耗状态，则不执行以下程序CollectionT
26、ask(); /采集处理/采集正常后开始需量计算if( RamDBase.FlagByte.ExtSysStatus1 & 0x4000 )CalDemand(); /需量计算elseLowPowerTask();ProtocolTask(); /协议处理MainTimerTask(); /粗略定时处理（例如 1 分钟定时等）LcdTask(); /LCD 处理if( RamDBase.FlagByte.ExtSysStatus1 & 0x0040 ) /若系统掉电，执行以下程序ProcEventTask(); /事件处理4.2 数据采集 本系统的电量计算主要由电能计量芯片 ATT7022B
27、内部实现，数据采集模块主要实现测量数据的读取，数据安全性处理即剔除异常数据，电能数据的修正，电能数据累加，关中断，电能输出，需量输出，开中断，异常事件处理等功能。数据采集模块流程图如图 4-2 所示。图4-2 采集模块流程图5 系统创新利用了MSP430超低功耗单片机，达到了节能的效果；实现了电表网络化；实现集中控制和远程抄表功能。6 评测与结论三相电子式多功能电表参照标准是电表设计的基础，也是电表能否取得 CMC许可并得以销售的前提条件。在三相电子式多功能电表设计中参照计量相关标准（如 GB/T 17883-1999 0.2S 级和 0.5S 级静止式交流有功电度表），检定规程，通讯规约相关
28、标准及电磁兼容系列标准等标准的要求。并按照测试标准要求的详细实验方法和步骤对电表各项性能进行测试，使电表的各项指标都达到标准的要求。通过对三相电子式多功能电能表的整体技术设计方案的革新，使该表的性价比有了较大的提高，使三相电子式多功能电能表的硬件成本和生产成本下降了40%。在三相电子式多功能电能表的精度方面和过载能力方面也取得了较大的进步，精度等级达到了有功测量 0.5S 级，无功测量 2.0 级，过载能力也由原来的4 倍提高到 6 倍。在电磁兼容方面也取得了长足的进步，使三相电子式多功能电能表的电磁兼容指标达到 IEC61000-4 的要求，提高了抗雷击能力。本文对三相电子式多功能电能表从各方面进行了阐述，对于硬件的设计提出了一些自己的看法，对于三相电子式多功能电能表的开发作了一些总结。当然限于作者水平有限，不当之处还请指正。附录
