國(guó)內(nèi)民用單相表一般可分為機(jī)械式電能表（感應(yīng)式電能表）和電子式電能表兩大類。過(guò)去機(jī)械式電能表的市場(chǎng)保有量比較大，但由于機(jī)械式電能表存在重量大、成本高、信息采集不方便等缺點(diǎn)，因而正在逐漸退出市場(chǎng)；而電子式電能表經(jīng)過(guò)近20年的發(fā)展，在技術(shù)上正日趨成熟。

　　新一代電子式電能表也稱智能電表，該產(chǎn)品具備諸多優(yōu)點(diǎn)，例如功能擴(kuò)展方便；便于信息化集中管理；節(jié)約材料能源；靈敏度高；精度高；一致性好；誤差曲線平穩(wěn)；便于自動(dòng)化生產(chǎn)；耐機(jī)械振動(dòng)能力強(qiáng)；重量輕等。因此隨著技術(shù)日趨成熟，此類產(chǎn)品的市場(chǎng)認(rèn)知度顯著提升，現(xiàn)已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)民用單相表的主流。

　　近幾年來(lái)，國(guó)內(nèi)各省陸續(xù)推出自己的技術(shù)規(guī)范，但各省的技術(shù)規(guī)范有一定的差異。農(nóng)網(wǎng)表是智能電表的一種，目前國(guó)家電網(wǎng)公司已統(tǒng)一了農(nóng)網(wǎng)表的技術(shù)規(guī)范。本文介紹的農(nóng)網(wǎng)表方案完全滿足國(guó)家電網(wǎng)公司智能電能表技術(shù)規(guī)范的要求，該方案基于上海海爾集成電路有限公司開(kāi)發(fā)的一款8位閃存MCU HR6P71F。

　　HR6P71F芯片特點(diǎn)

　　1、內(nèi)核

　　采用高性能哈佛型RISC CPU內(nèi)核，具有48條精簡(jiǎn)指令，工作頻率為DC~16MHz，8級(jí)PC硬件堆棧，復(fù)位向量位于000H，默認(rèn)中斷向量位于004H，支持中斷向量表，支持中斷處理，共有14個(gè)中斷源。

　　2、存儲(chǔ)資源

　　具有4Kx15位FLASH程序存儲(chǔ)器和224x8位SRAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；程序存儲(chǔ)器支持直接尋址和相對(duì)尋址；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器支持直接尋址和間接尋址。

　　3、I/O端口

　　共有15個(gè)I/O端口，包括PA端口（PA0~PA4，PA6~PA7）和PB端口（PB0~PB7）。

　　4、外設(shè)

　　一個(gè)8位定時(shí)器T8；一個(gè)8位PWM時(shí)基定時(shí)器T8P；一個(gè)16位定時(shí)器T16N；一路通用異步收發(fā)器UART；7通道8位模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器ADC；兩個(gè)模擬比較器ACP和一個(gè)參考電壓模塊。

　　5、特殊功能

　　有一個(gè)高精度內(nèi)部4M振蕩器，出廠時(shí)精度校準(zhǔn)為±5%；支持低功耗休眠模式及喚醒操作；內(nèi)嵌上電復(fù)位電路和低電壓復(fù)位電路；支持外部復(fù)位；支持獨(dú)立硬件看門狗定時(shí)器；支持在線編程（ISP）接口；支持編程代碼保護(hù)；工作電壓范圍為3.5V~5.5V；工作溫度范圍為-40℃~85℃。

　　系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

　　1、基本功能

　　基于微控制器HR6P71F的農(nóng)網(wǎng)表方案主要實(shí)現(xiàn)有功電能信號(hào)的采集、電量存儲(chǔ)與顯示，并通過(guò)RS485或者紅外的方式通信，實(shí)現(xiàn)信息傳輸?shù)裙δ堋?/p>

　　1） 有功電能信號(hào)的采集

　　該方案的電能計(jì)量部分采用ADE7755芯片，通過(guò)對(duì)電壓電流回路信號(hào)的采集，將電能值轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電能脈沖信號(hào)，MCU通過(guò)對(duì)電能脈沖信號(hào)采集和計(jì)算，轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的計(jì)量數(shù)值，同時(shí)具備正、反相有功電能計(jì)量的功能。

　　2） 電量存儲(chǔ)與顯示

　　MCU采集到電能信號(hào)后，及時(shí)存儲(chǔ)到EEPROM中，保證存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)不被丟失，并且能保持10年以上，通過(guò)LCD顯示信息，例如電量總數(shù)等。

　　3） 通信

　　支持RS485通信和紅外通信。在RS485通信情況下，自動(dòng)抄表系統(tǒng)可根據(jù)電表地址實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表功能，通信距離：不小于1，200m（每?jī)蓚€(gè)接點(diǎn)之間），為了安全保護(hù)電表，RS485通信接口必須和電表內(nèi)部電路實(shí)行電氣隔離，并有失效保護(hù)電路。紅外通信距離應(yīng)該大于 5米，通信角度≥±15°，紅外通信和 RS485 通信在物理層必須獨(dú)立，一種通信信道的損壞不得影響另一信道。

　　2、硬件設(shè)計(jì)

　　該方案在硬件上由三部分組成，一是電能計(jì)量部分，二是MCU控制部分，三是通信部分。

　　電能計(jì)量部分與MCU控制部分通過(guò)光電耦銜接，實(shí)現(xiàn)完全隔離，電能計(jì)量部分主要完成有功電能脈沖輸出，用于校表、采集電能量；無(wú)源光電隔離型輸出端口；波形是標(biāo)準(zhǔn)方波， 脈沖寬度為80ms±20ms。RS485通信部分與MCU控制部分也是通過(guò)光電耦銜接，實(shí)現(xiàn)完全隔離；紅外通信部分與MCU控制部分共同使用一個(gè)電源，沒(méi)有隔離。

3、軟件設(shè)計(jì)

　　主程序流程圖如圖2所示，在主程序中主要實(shí)現(xiàn)以下功能：1）系統(tǒng)初始化的配置主要實(shí)現(xiàn)端口初始化、AD模塊初始化、T8P和T16定時(shí)器的初始化以及UART的初始化等；2）上電讀取EEPROM中存儲(chǔ)的電量到芯片的RAM區(qū)，配置到對(duì)應(yīng)的電能計(jì)量單元中，其中讀取EEPROM數(shù)據(jù)使用的是普通I/O口模擬IIC的方法；3）LCD顯示當(dāng)前的總用電量等信息，方便用戶查閱；通信模塊主要是把電表內(nèi)的一些信息，例如電表號(hào)，累計(jì)總用電量，電表密碼等與主站服務(wù)器實(shí)現(xiàn)信息交流；4）當(dāng)查詢到電量存儲(chǔ)的標(biāo)志后，程序?qū)旬?dāng)前的電量存儲(chǔ)到EEPROM中，當(dāng)AD模塊檢測(cè)到有電源掉電時(shí)，程序?qū)⒈４娈?dāng)前的電量存儲(chǔ)到EEPROM中。

　　圖2 主程序流程圖

　　中斷服務(wù)程序如圖3所示。在中斷服務(wù)服務(wù)中，外部端口中斷主要處理電能脈沖計(jì)量，配合T16的定時(shí)功能。當(dāng)電能計(jì)量信號(hào)有效后，在程序中累加，以0.01度電為基準(zhǔn)累加。當(dāng)累計(jì)到一度電時(shí)，產(chǎn)生存儲(chǔ)標(biāo)志位，在主程序中查詢到該標(biāo)志位后，經(jīng)進(jìn)行存儲(chǔ)工作。T8P將作為紅外通信的時(shí)基處理紅外通信。接收中斷處理是將接收的數(shù)據(jù)放到計(jì)劃好的RAM區(qū)，在主程序的RS485通信子程序中根據(jù)命令字完成相應(yīng)的工作；發(fā)送中斷處理是將準(zhǔn)備好的數(shù)據(jù)發(fā)送出去。

　　圖3 中斷服務(wù)程序

　　方案設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

　　在該方案中，電能計(jì)量是關(guān)鍵，因?yàn)殛P(guān)系到用戶的電能計(jì)費(fèi)，既不能多計(jì)也不能少計(jì)，一定要把用戶的實(shí)際用電量真實(shí)記錄下來(lái)。但是電網(wǎng)的環(huán)境復(fù)雜，電網(wǎng)中的負(fù)載也存在多樣化，電表在實(shí)際應(yīng)用中，即使在遇到強(qiáng)電磁干擾的情況下都不允許漏記或者多計(jì)脈沖。因此，如何保證計(jì)量電能脈沖的準(zhǔn)確性就是電表方案的重點(diǎn)。要點(diǎn)如下：

　　1）硬件支持。好的硬件設(shè)計(jì)能在一定程度上削弱電磁干擾信號(hào)；

　　2）HR6P71F芯片的外部中斷口內(nèi)有濾波電路，可以保證去除一部分失效信號(hào)或者干擾信號(hào)；

　　3）程序中的設(shè)計(jì)技巧。因?yàn)殡娔苊}沖波形是標(biāo)準(zhǔn)方波，脈沖寬度為80ms±20ms，需要定時(shí)器T16來(lái)定時(shí)40ms~50ms左右，以確保脈沖信號(hào)的有效。在中斷服務(wù)程序中，進(jìn)入中斷后第一個(gè)要檢測(cè)的就是外部中斷信號(hào)，中斷服務(wù)程序要盡量短，在服務(wù)程序中設(shè)置標(biāo)志位，到主程序中處理標(biāo)志即可。

　　整個(gè)系統(tǒng)的性能可靠性需要硬件來(lái)支持，對(duì)芯片的要求也非常高。HR6P71F芯片內(nèi)部有獨(dú)特的抗干擾設(shè)計(jì)，能在強(qiáng)干擾的環(huán)境中正常工作，識(shí)別有效信號(hào)，去除失效信號(hào)；芯片內(nèi)部的上電復(fù)位電路和掉電復(fù)位電路，能保證電表在電網(wǎng)中電壓緩升緩降的環(huán)境下仍然有效工作；此外，獨(dú)立RC的看門狗電路也是保證系統(tǒng)安全的基本措施之一。

　　本文小結(jié)

　　目前電能表市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)愈加激烈，隨著中國(guó)本土半導(dǎo)體廠商逐漸成長(zhǎng)起來(lái)，產(chǎn)品日益成熟，越來(lái)越多的電能表廠家開(kāi)始嘗試國(guó)產(chǎn)芯片。HR6P71F芯片在電能表上EFT的測(cè)試能達(dá)到4.5kV以上，可以通過(guò)各種電磁干擾性能測(cè)試，高性價(jià)比的整體方案可幫助電能表廠商提升產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。