摘要：微機(jī)集中抄表管理系統(tǒng)是一種比較理想的解決方案,基礎(chǔ)是根據(jù)電力部門的復(fù)費(fèi)率電能表技術(shù)條件及通信規(guī)約設(shè)計(jì)出具有通信接口和分時(shí)計(jì)費(fèi)功能的電子式復(fù)費(fèi)率電能表。該儀表是以高性能微控制器為主控芯片進(jìn)行分時(shí)計(jì)量控制的新型智能型計(jì)量?jī)x表,具有分時(shí)段計(jì)費(fèi)和連續(xù)計(jì)量功能,可以達(dá)到計(jì)劃用電的目的。這里給出了一種基于超低功耗MSP430單片機(jī)的復(fù)費(fèi)率電能表的硬件實(shí)現(xiàn)方案和軟件設(shè)計(jì)思想。

　    引言
　　
　　人均用電量大幅度增加使得“一戶一表制”得到大面積推廣,對(duì)電能表的要求和需求大幅度增加。為鼓勵(lì)用戶在低谷時(shí)段用電,緩解用電緊張,電力部門已試行峰谷不同電價(jià)的計(jì)費(fèi)辦法,同時(shí)采用智能化遠(yuǎn)程抄表、自動(dòng)計(jì)量計(jì)費(fèi)等方法以解決人工抄表存在的諸多問(wèn)題，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度,提高管理水平。　
　
　　1、硬件電路設(shè)計(jì)
　　
　　1．1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
　　
　　本方案中硬件采用TI公司高性能的16位超低功耗單片機(jī)MSP430F413作為主控MCU[1],它具有8Kflash，16位RISC結(jié)構(gòu),CPU中的16個(gè)寄存器和常數(shù)發(fā)生器使MSP430微控制器能達(dá)到zui高的代碼效率；靈活的時(shí)鐘源；數(shù)字控制的DCO可使器件從低功耗迅速喚醒,同時(shí)結(jié)合電量計(jì)量芯片AD7755,可以使電表硬件部分大為簡(jiǎn)化,而且很方便實(shí)現(xiàn)智能控制。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。　　
　　1．2時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)
　　
　　智能分時(shí)計(jì)費(fèi)電能表中必須要有實(shí)時(shí)時(shí)鐘，分為硬時(shí)鐘和軟時(shí)鐘兩種。在眾多的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片中,我們選用了PHILIPS公司的PCF8563。它是一款具有極低功耗的多功能時(shí)鐘/日歷芯片,具有多種報(bào)警功能、定時(shí)器功能、時(shí)鐘輸出功能及中斷輸出功能,可以完成各種復(fù)雜的定時(shí)服務(wù)。尤其是其采用I2C總線通訊方式,不但使外圍電路極其簡(jiǎn)潔,而且也增加了芯片的可靠性。
　　
　　本系統(tǒng)PCF8563與MSP430接口采用圖2所示接口方案。接口采用3根口線,PCF8563的INT腳產(chǎn)生周期為1s的脈沖中斷信號(hào)給MSP430單片機(jī)的P1.4引腳作為中斷觸發(fā)信號(hào),產(chǎn)生中斷后,通過(guò)I2C總線讀取PCF8563的基準(zhǔn)時(shí)間。按I2C總線規(guī)約,PCF8563的從地址：讀地址SLAR為A3H、寫(xiě)地址SLAW為A2H,PCF8563I2C通信實(shí)現(xiàn)有字節(jié)寫(xiě)/讀兩種狀態(tài)。由于在MSP430單片機(jī)中沒(méi)有I2C總線的硬件,所以采用軟件模擬I2C讀寫(xiě)數(shù)據(jù)的方法。　　
　　1．3電能計(jì)量電路
　　
　　電量測(cè)量采用美國(guó)ADI公司的AD7755作為測(cè)量芯片,它是一種量程寬、精度高,內(nèi)部具有掉電、上電自動(dòng)復(fù)位電路的高準(zhǔn)確度電能測(cè)量集成電路[2]。AD7755為低功耗的CMOS芯片,內(nèi)部除了ADC和濾波、相乘電路外都采用了數(shù)字電路,有效的去除了尖脈沖等干擾信號(hào),使得它在惡劣的環(huán)境條件下仍能保持*的準(zhǔn)確度和長(zhǎng)期的穩(wěn)定性。引腳CF以較高頻率形式輸出有功功率瞬時(shí)值,用于與MCU接口,其接線圖如圖3所示。
　　　　AD7755的CF輸出端輸出的脈沖頻率正比于平均有功功率,通過(guò)它可以求平均功率和一個(gè)積分周期內(nèi)消耗的電能:
　　
　　平均功率=平均頻率=脈沖個(gè)數(shù)/積分時(shí)間
　　
　　電能=平均功率積分時(shí)間=脈沖個(gè)數(shù)
　　
　　在正常運(yùn)行時(shí),積分時(shí)間可以定為1到2秒,這取決于顯示部分更新的需要。
　　
　　1．4液晶顯示電路
　　
　　在MSP430F413單片機(jī)中,液晶驅(qū)動(dòng)作為一個(gè)外圍模塊集成于片內(nèi),極大的簡(jiǎn)化了液晶顯示部分的接口設(shè)計(jì),只要選擇合適的液晶顯示器,采用合適的驅(qū)動(dòng)方式即可完成數(shù)據(jù)的顯示。
　　
　　液晶顯示板的公共極由COMn信號(hào)驅(qū)動(dòng)，段極由SEGn驅(qū)動(dòng)。而液晶的驅(qū)動(dòng)又有多種方法：靜態(tài)驅(qū)動(dòng)、2MUX驅(qū)動(dòng)、3MUX驅(qū)動(dòng)、4MUX驅(qū)動(dòng)等。不同的驅(qū)動(dòng)方案所占用的單片機(jī)引腳數(shù)是相同的,采用2MUX驅(qū)動(dòng)8位液晶顯示所需的引腳數(shù)為2+8*8/2,輸出引腳與液晶顯示器件的連接如下：
　　
　　PIN號(hào)123456……29303132
　　
　　430引腳S0S1S2S3S4S5……S28S29S30S31COM0COM1
　　
　　LCDCOM01f1h1d1e2f2h……8f8h8d8eCOM0
　　
　　LCDCOM11a1b1c1g2a2b……8a8b8c8gCOM1
　　
　　通過(guò)設(shè)定液晶控制寄存器LCDCTL中的控制位來(lái)控制數(shù)據(jù)的顯示,這里設(shè)定為4MUX顯示模式，向液晶顯示緩存LCMDX寫(xiě)入要顯示的數(shù)據(jù),片內(nèi)驅(qū)動(dòng)控制電路就會(huì)輸出相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)完成顯示。
　　
　　1．5串行接口
　　
　　數(shù)據(jù)通信方式主要有并行數(shù)據(jù)通信與串行數(shù)據(jù)通信兩種。考慮到串行數(shù)據(jù)通信只需要一對(duì)數(shù)據(jù)傳送線進(jìn)行信息的傳送,所需傳輸線條數(shù)極少,傳送成本較低,特別適用于分級(jí)、分層和分布式控制系統(tǒng)以及遠(yuǎn)距離通信之中,故本設(shè)計(jì)選擇串行數(shù)據(jù)通信。RS-232C接口電路是zui常用的接口之一,缺點(diǎn)是只能用于短距離的數(shù)據(jù)通信。RS-485接口在總線上允許連接多達(dá)128個(gè)收發(fā)器,具有良好的抗噪聲干擾性、長(zhǎng)的傳輸距離和多站能力等優(yōu)點(diǎn)。在此我們選用RS-485接口。
　　本設(shè)計(jì)采用Maxim公司生產(chǎn)的MAX487芯片作為RS485通信收發(fā)器[3],MAX487芯片具有RS-485通信協(xié)議,可以帶下位機(jī)128個(gè)、傳輸距離大于1km、傳輸速率達(dá)250kb/s。單片機(jī)可以通過(guò)RS485總線方式與主控計(jì)算機(jī)相連,主控計(jì)算機(jī)可以向智能電表發(fā)出遙控指令,采集到當(dāng)前的電量數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù),構(gòu)成了主從式的RS485通信應(yīng)用系統(tǒng)。
　　
　　MAX487與MSP430的接口電路如圖4所示。圖中DE為發(fā)送器使能端,DE為1時(shí)發(fā)送器可以工作。DI為輸入端,A、B為輸出端。當(dāng)DE為0時(shí),發(fā)送器停止工作,且輸出端為高阻。為輸入使能端,為0時(shí)允許接收器工作,A、B為輸入端,RO為輸出端;為1時(shí)接收器被禁止,RO為高阻狀態(tài)。MSP430通過(guò)P2.1和P2.2來(lái)控制收發(fā)器的工作狀態(tài),從而達(dá)到與主機(jī)通信的目的。
　　
　　2、軟件程序設(shè)計(jì)
　　
　　2．1軟件設(shè)計(jì)思想
　　
　　單相復(fù)費(fèi)率電能表的軟件主要是實(shí)現(xiàn)電量數(shù)據(jù)采集和處理，并通過(guò)RS485接口實(shí)現(xiàn)與抄表系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換。
　　
　　2．2軟件程序框圖
　　
　　系統(tǒng)主程序框圖如圖5所示。　　
　　電量處理模塊的功能是由計(jì)量芯片提供計(jì)量脈沖，CPU對(duì)計(jì)量脈沖計(jì)數(shù)，結(jié)合當(dāng)前時(shí)段和費(fèi)率，累計(jì)用戶峰、平、谷各時(shí)段的實(shí)際用電量。
　　
　　通信模塊的功能是按照通訊規(guī)約實(shí)現(xiàn)與抄表器和抄表系統(tǒng)的可靠通信，由抄表系統(tǒng)讀取用戶電量數(shù)據(jù)和設(shè)置時(shí)段、費(fèi)率、地址等電表參數(shù)。
　　
　　顯示模塊的功能是顯示用戶的峰、平、谷、總電量及時(shí)間、上月電量等信息。
　　
　　3、系統(tǒng)抗干擾性設(shè)計(jì)
　　
　　智能復(fù)費(fèi)率電能表主要是基于單片機(jī)的系統(tǒng)，單片機(jī)系統(tǒng)極易受到強(qiáng)電磁場(chǎng)、溫度、濕度等的干擾，在諸多干擾源中，來(lái)自電網(wǎng)電壓的波動(dòng)、尖脈沖干擾、瞬間斷電對(duì)單片機(jī)的工作是一些很重要的干擾源，它使單片機(jī)不能連續(xù)正常工作。電網(wǎng)瞬間斷電或電壓突然下降將使微機(jī)系統(tǒng)陷入混亂狀態(tài)，電網(wǎng)電壓恢復(fù)正常后，微機(jī)系統(tǒng)難以恢復(fù)正常，有效的方法就是掉電保護(hù)，掉電信號(hào)由硬件電路檢測(cè)到，加到單片機(jī)的外部中斷輸入端。軟件中將掉電中斷規(guī)定為中斷，使系統(tǒng)能夠及時(shí)對(duì)掉電作出反應(yīng)，在掉電中斷子程序中，首*行現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)，把當(dāng)時(shí)的重要狀態(tài)參數(shù)、中間結(jié)果、某些片內(nèi)寄存器的內(nèi)容一一從片外RAM中調(diào)入單片機(jī)內(nèi)部RAM中；其次是對(duì)有關(guān)外設(shè)做出妥善處理，使外設(shè)處于某一個(gè)非工作狀態(tài)，zui后在片內(nèi)RAM的某些單元做上特定標(biāo)記。采用上電自動(dòng)復(fù)位電路，使單片機(jī)上電后保持兩種確定的狀態(tài)，要么復(fù)位，要么工作，電源突然出現(xiàn)的短脈沖不會(huì)造成異常狀態(tài)，確保系統(tǒng)正常工作。
　　
　　4、結(jié)束語(yǔ)
　　
　　智能型復(fù)費(fèi)率電能表作為一個(gè)智能型器件,十分適用于高層建筑、密集的住宅區(qū)等密集用戶區(qū)的集中管理,配合適當(dāng)?shù)耐ㄓ嵰?guī)約，可以方便的與管理計(jì)算機(jī)接口或通過(guò)集控器構(gòu)成遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表網(wǎng)絡(luò)。本設(shè)計(jì)方案采用低功耗器件,成本較低,便于集成。經(jīng)過(guò)試驗(yàn),本文所設(shè)計(jì)的復(fù)費(fèi)率電能表的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到國(guó)家多費(fèi)率電能表的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),具有一定的推廣價(jià)值和較好的市場(chǎng)前景。