用微控制器构建的新一代电能表[MAXQ与MSP430对比]
出处：亚信
作者：鲁维德
电力能源变革使用户电表正逐渐朝着多费率、多功能和高精度方向发展。为此本文将介绍用微控制器构建的简单和可靠、高效电能传送的多功能与多费率的单相电能表设计方案,并对其设计架构作分析说明。
1、机械式电表逐步淡出与新型电力监视装置的解决
1.1机械式电表不适应能源变革的需要
传统的机械式电表是基于旋转金属圆盘的机械式千瓦-时电表不考虑输入电压或功率因数，只跟踪记录实际的用电量,虽然它如实可靠地记录着电能,但存在一定的缺陷,随着能源工业正在发生着变革，使得该传统的机械式电表逐步淡出市场。其因是：
*机械电表不能够记录时间，只能记录费拉斯轮的旋转数，无法记录与之相对应的快速旋转和慢速旋转的时间。
*只能够记录实时有功功率。用电量在不同的时段极不均衡,故根据时段、峰值用电量和功率因数监测并实行收费难度较大。
从理论上讲，输入电流和输入电压相位完全一致，电压和电流的乘积就等于实际输出的有功电能。当电压和电流同相传送时配电效率是最高的。然而，实际情况并非如此,许多连接到电力线路的设备都表现为较大的感性负载，如感应电动机和荧光灯，这使得电流相位滞后于电压相位。只有同相部分的区域才能够形成有功功率，不同相部分的区域将会以无功功率形式返回电网，结果实际有用功率小于输入电压和电流的乘积。对此，电力部门对大多数住宅用户的这种低效情况仍然束手无策。这是因为根据时段、峰值用电量和功率因数监测并收费的成本太高了。而混合信号数微控制器呈现为电力监视装置解决了燃眉之急。
1.2新型电力监视装置的呈现
由于MAXQ3120混合信号微控制器它的两个ADC分别设计用于监视电压通道和电流通道。为此用MAXQ3120连续监视进入某设备的电压和电流,并且它可以报告该设备的平均功率，用电高峰出现的次数和幅度，以及如果需要的话还可提供该设备的功率因数。图0为用MAXQ3120混合信号微控制器实现的电力监视装置方案示意图。该电力监视装置能够确定某电器何时用了多少电。它还可以报告会损坏敏感设备的电压浪涌和掉电故障。如何报告呢?最简单、直接的方法是在监视装置上采用一个小巧的LCD。可以使用一个或多个按钮控制MAXQ3120在多种显示模式间切换(电压均方根、电流均方根、功率、度数等等)。
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然而，与此同时新一代多功能、多费率电表设计是适应能源变革的需要的重中之重。利用由微控制器控制的千瓦-时电表，可简单、可靠和高效的电能传送，其电力公司可以跟踪用户在用电高峰时段的用电量或者超过合同规定的用电量，并据此收取更合理的费用。
2、微控制器为核心的单相电子式电能表设计架构
最基本的多费率、多功能全电子电表所需的基本硬件如下：采集输入电压和输入电流信号的转换器、显示屏、数据通信子系统、非易失存储器、电源及内嵌程序的微控制器。设计者通常希望将上述大部分功能电路与微控制器集成在一起。
当今有二种微控制器可作多费率、多功能全电子电能表的主控制器，即MAXQ3120混合信号微控制器与超低功耗微控制器MSP430F413。
值此首先以应用微控制器MAXQ3120迸行多功能全电子式电表设计方案为例作分析介绍
2.1应用微控制器MAXQ3120实行多功能全电子式电能表的设计
本电表设计为l级电表，定制为符合中国多功能电表通信标准(DL/T 645)，但可进行调整以适应任何国家或工业标准。
微控制器MAXQ3120它整合了前沿的模拟技术和创新的微控制器专业技术.它的主要技术规范如下：16位、每秒8百万条指令(MIPS)、单周期RISC核；32kB闪存(flash存储器)；512B RAM；具有独立波特率产生器的2个UART；3个定时器，其中1个支持PWM D/A；红外通信功能；可驱动112段LCD的控制器；依靠电池备份、具有日历和亚秒闹钟功能的实时时钟；16 x 16位单周期乘法器和40位累加器；2个16位精密模数转换器(ADC)。
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图1(a) 用MAXQ3120微控制器构建的复费率单相表单片方案示意图
复费率单相表单片方案主要功能：能量测量精度高出IEC 61036标准；8MIPS性能；32kB闪存，4kB ROM，512字节SRAM；可数字微调的硬件实时时钟；可驱动多达28x 4段LCD；可计算出有用功和无用功，电压和电流均方根值与功率因数。
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图1(b)是以MAXQ3120微控制器为核心的单相电表组成示意框图。它是由MAXQ3120混合信号微控制器、电源、显示电路、I2C接口EEPROM、传感器和外围通信电路组成。
2.2 MAXQ3120应用特征及其电表设计分析
MAXQ3120的核心是MAXQ20内核，完成多功能电表的任务绰绰有余。其两个ADC通道每48μs完成1次新的转换，即转换速率为20833采样/秒。这些数据转换器的前端带可编程增益放大器(增益可达16倍)，非常适合监测电压和电流波形。MAXQ3120内含的1个带40位累加器的16 x 16位乘法器，在单个时钟周期内即可完成一次运算，因与CPU内核紧密地集成在一起，具有强大的数学运算能力，效率极高,可将原始电压和电流采样值转换成可用的用电量信息。
MAXQ3120还提供一个坚固的通信模块。包括两路UART，其中一路具有特殊逻辑电路，可轻松实现红外数据传输。
2.21通信接口机制及应用
中国多功能电表标准规定两种通信类型：一类是住宅楼内或小型街道的多个电表通过有线网络连接，通过该网络向主计算机(一般为PC)发送用户数据；另一类是用于手持、非接触抄表器的红外连接。
有线网络基于多点RS-485标准，工作速率为1200位/秒。RS-485标准将网络规模限制为32个站点；然而，现在的RS-485收发器能够支持更多的站点，远远超出了EIA网络规范给出的最多32个站点。例如，本参考设计使用的MAX3072RS-485收发器为1/8单位负载器件，允许总线上最多挂接256个收发器。
第二个通信口是红外发送和接收系统，它基于简单的异步通信协议。通过简单的调制电路将串口输出数据“0”调制为38kHz信号，数据“1”则不调制。接收端采用集成了红外光电管和38kHz检测器的一个廉价IC来实现，这样只需简单的光学器件就可以组成全功能的红外收发系统。
与RS-485通道不同，红外(1R)通道不是基于众所周知的物理层标准。DL/T 645没有使用标准红外链路(如IrDA)来传输数据,而是规定了一种开/关调制技术，即有调制IR光束时表示0，无IR光束表示l。在这种方式下，通道空闲时为状态1。字符信元的第一个向0的跳变表示起始位，与第一次探测到载波光束相对应。这一技术如图2所示。
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虽然通信机制方案有重多种，但作为一个廉价的电能仪表，大部分客户趋向于尽可能采用简单的异步串口协议。
2.22设计中的寄存器
DL/T 645定义了大量的寄存器，来设置工作参数、读取用电量或其他测量值。—个寄存器包含一个信息项，并具有—个16位地址。例如，地址为0xC030的寄存器指定了有功电表常数(每千瓦时脉冲数)。
2.23非易失存储器适适选择与电源
*由于铁电介质随机存储器(FRAM) 其写周期时间与读周期时间几乎相等，而且对读写次数没有限制,因而被选用。
*采用了一组独立的电源变压器次级绕组来提供网络收发器的电源，并且收发器与微控制器采用光耦隔离，达到网络隔离的目的。
2.24产生电表脉冲
许多电表都在每使用一定量电能时产生一个脉冲。电表脉冲可以采用LED闪烁的方式提供可见的用电指示信号，或采用触点闭合方式驱动机械式计数器来指示千瓦-时用电量。 参考设计中既提供了可见的脉冲LED，又备有一个光耦实现触点闭合功能。
在给定负载下产生脉冲的速率称为电表常数，常以每千瓦-时的脉冲数给出。因此，脉冲之间的间隔与负载的净有功功率成反比。一般来说，产生的脉冲速率与负载功率之间的关系可由以下公式表示：
脉冲周期(秒)=3600/电表常数(每kwh的脉冲数)×负载(KW)
根据该式，对于lkW有功负载，电表常数为1600脉冲/千瓦-时的电表每2.25秒将产生一个脉冲。本参考设计的标称工作电压为220V，支持的最大电流为40A。这就是说，在8.8kW的最大负载功率下，如果电表常数为1600脉冲/千瓦-时，则每256ms产生一个脉冲。所以，要在所有负载情况下保持1%的精度，电表脉冲必须精确到约2.5ms。
2.25关于时段表管理器
时段表管理器根据钟点、日期或其他基于时钟或日历的标准改变计费率。
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虽然时段表管理器结构相当简单，如图3最右边的结构所示，将每天24小时划分为不同的收费时段。在该图解中，一天的时段表有3个条目：资费2从0530时开始，资费3从1800时开始，资费1从2200时开始。最多可以提供14种日时段表，而每天又可以最多提供10个资费时段。
内部日历选择有效的日时段表。每天午夜，电表都检查是否有新的日时段表生效。在图7中，日时段表5从4月后期生效，一直持续到6月初，然后日时段表3生效。你也可以设置一周中的某些天为“周末”日期(这样全年都遵循某一特定日时段表)，而全年中的某些天为“假日”(这样每个假日都遵循特定的日时段表)。
2.3、用MSP430F413微控制器构建的单相复费率电表设计方案
超低功耗MSP430F413系列为MSP430产品组合之一，带有集成LCD 控制器，非常适用于低功耗测量与医疗应用。具有满足特定功能的外设，比如能够针对流量和电量测量提供单芯片解决方案。这些集成外设有助于减少总芯片数，并降低系统成本与功耗。
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该方案采用TI公司16位超低功耗微控制器MSP430F413，8K flash，具有16位RISC结构，CPU中的16个寄存器和常数发生器使MSP430微控制器能达到最高的代码效率；灵活的时钟源；数字控制的DCO可使器件从低功耗迅速唤醒，采用MSP430F413微控制器单可以将能量直接转换成脉冲信号，同时结合电量计量专用芯片AD7755，可以使电表硬件部分大为简化，而且很方便实现智能控制。在总体设计中用了软件误自修正和可靠性、电磁兼容性设计，是供电部门进行单相用电客户进行电能测量的理想仪表。见图4所示为MSP430F413为模块化架构。图5为用微控制器MSP430F413作为主控制器所构建的单相复费率电表设计组成框图。主要功能具有红外通讯口和RS485通讯口或无线通讯接口；电量信息采用大字符液晶LCD显示方式；其电量计量精度<1%；计时精度:时钟记时误差 <±0.5 S／d；时段切换误差<0.1 S；红外通讯距离≥5m。该电表具有防窃电、长寿命、高精度、高可靠、低功耗、体积小、重量轻等特点，其电能计量部分采具用ADE7755芯片，通过对电压、电流回路信号的采集，将电能值转换成相应的电能脉冲信号。
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3、关于多费率多功能电子式电表电能的测量
目前大多数ADC都是电压输入器件，测量输入电压信号比较简单，唯一需要注意的就是按比例匹配输入电压范围，使其在ADC可接受的输入量程内。设计中采用电阻分压网络将电压输入转换成微控制器内部ADC可接受的-1V到+1V输入。电流信号输入端，采用一个并联电流分流器将电表的电流输入信号转换为小信号电压输入。通过分流器的电压信号必须足够低，尽量降低功率损耗：一个0.5mΩ的分流器(假定输入最大电流等于40A)只能提供20mV的满摆幅电压输出，但其功耗接近1W。绝大多数电表定义在整个量程范围达到l%的测量精度(注意不是满量程精度)。设计能够在lA到40A输入电流范围内达到l%的精度。
4、结论
上述是用MAXQ3120微控制器构建多功能电表与用MSP430F413微控制器构建单相复费率电表的设计方案分析,从中以此为基本架构按用户实际需要构建功能不同的各类全电子电表。