基于MC68HC908LJl2的新型三相電能計(jì)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)
李楠
摘要： 電能計(jì)量系統(tǒng)是衡量電能消費(fèi)數(shù)量的計(jì)量?jī)x器，其技術(shù)性要求很高。它既要求能精確計(jì)量，更要求能穩(wěn)定工作，并能保證長(zhǎng)期高度的可靠性。目前，由于近年來(lái)能源的日益緊張，電力供應(yīng)時(shí)常出現(xiàn)短缺現(xiàn)象，各地紛紛采取了各種應(yīng)對(duì)措施，很多地區(qū)不約而同地出臺(tái)了峰谷分時(shí)電價(jià)和避峰電價(jià)政策，因此，多費(fèi)率表市場(chǎng)需求進(jìn)一步加大，尤其是大工業(yè)用戶，對(duì)三相多費(fèi)率表的需求快速增長(zhǎng)。另外，隨著現(xiàn)代電子產(chǎn)業(yè)和電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展，電能計(jì)量系統(tǒng)正在向智能化、多功能的方向發(fā)展，可以測(cè)量多種參數(shù)，并可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抄表、分時(shí)費(fèi)率、實(shí)時(shí)費(fèi)率、預(yù)付費(fèi)等多種功能的測(cè)量電路和集成化、模塊化已成為未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)。本設(shè)計(jì)中的電能計(jì)量系統(tǒng)正是基于這一背景，集檢測(cè)、計(jì)量、控制、存儲(chǔ)、顯示、通信等模塊于一身，并且可實(shí)現(xiàn)峰谷分時(shí)的復(fù)費(fèi)率計(jì)量。
Abstract：
Key words :
電能計(jì)量系統(tǒng)是衡量電能消費(fèi)數(shù)量的計(jì)量?jī)x器，其技術(shù)性要求很高。它既要求能精確計(jì)量，更要求能穩(wěn)定工作，并能保證長(zhǎng)期高度的可靠性。目前，由于近年來(lái)能源的日益緊張，電力供應(yīng)時(shí)常出現(xiàn)短缺現(xiàn)象，各地紛紛采取了各種應(yīng)對(duì)措施，很多地區(qū)不約而同地出臺(tái)了峰谷分時(shí)電價(jià)和避峰電價(jià)政策，因此，多費(fèi)率表市場(chǎng)需求進(jìn)一步加大，尤其是大工業(yè)用戶，對(duì)三相多費(fèi)率表的需求快速增長(zhǎng)。另外，隨著現(xiàn)代電子產(chǎn)業(yè)和電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展，電能計(jì)量系統(tǒng)正在向智能化、多功能的方向發(fā)展，可以測(cè)量多種參數(shù)，并可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抄表、分時(shí)費(fèi)率、實(shí)時(shí)費(fèi)率、預(yù)付費(fèi)等多種功能的測(cè)量電路和集成化、模塊化已成為未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)。本設(shè)計(jì)中的電能計(jì)量系統(tǒng)正是基于這一背景，集檢測(cè)、計(jì)量、控制、存儲(chǔ)、顯示、通信等模塊于一身，并且可實(shí)現(xiàn)峰谷分時(shí)的復(fù)費(fèi)率計(jì)量。
1 電能計(jì)量系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案
電能計(jì)量系統(tǒng)最重要的功能是精確測(cè)量各種電能參數(shù)，如電壓、電流、有功功率、無(wú)功功率、頻率、功率因數(shù)、欠壓和斷相檢測(cè)、諧波分析等。本系統(tǒng)采用專用計(jì)量芯片來(lái)檢測(cè)電信號(hào)，同時(shí)配以CPU編程來(lái)實(shí)現(xiàn)多種功能。系統(tǒng)主要由檢測(cè)、計(jì)量、控制、存儲(chǔ)、顯示、鍵盤(pán)、通信接口和電源等部分組成。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。其中，檢測(cè)部分由精密電流互感器、電壓互感器和外圍處理電路組成，可將得到的電流、電壓、頻率、相位等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)輸入到計(jì)量芯片中。計(jì)量芯片通過(guò)對(duì)各個(gè)輸入信號(hào)進(jìn)行計(jì)量，可將計(jì)量得到的各種電能參數(shù)輸入到控制部分(即CPU中)，然后由CPU中的程序決定它將那些參數(shù)經(jīng)過(guò)處理后送到存儲(chǔ)器中儲(chǔ)存，同時(shí)送到顯示部分進(jìn)行顯示。顯示部分采用高品質(zhì)液晶顯示模塊，可顯示4行，每行20個(gè)字符。如果需要實(shí)現(xiàn)分時(shí)費(fèi)率的功能，則可以在編程時(shí)將各時(shí)段的電價(jià)編入程序中，然后通過(guò)實(shí)時(shí)時(shí)鐘測(cè)量時(shí)間，以確定此時(shí)段的電價(jià)并加以分時(shí)計(jì)費(fèi)。通信接口采用RS-485通信模塊來(lái)和上位機(jī)進(jìn)行通信，本系統(tǒng)采用MAX4872芯片，該芯片為單一+5 V電源供電，有8個(gè)引腳而且使用簡(jiǎn)單、方便。如果通信接口接到電力線上位機(jī)的命令，則將命令傳輸?shù)紺PU，再根據(jù)命令將電能參數(shù)傳送到上位機(jī)，這樣便可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抄表和遠(yuǎn)程控制等功能。
2 芯片選擇
基于性能和成本等方面的考慮，作為電能計(jì)量系統(tǒng)核心部件的單片機(jī)可選擇飛思卡爾半導(dǎo)體公司的MC68HC908LJl2。MC68HC908IJl2是一款適用于電能計(jì)量設(shè)計(jì)的8位MCU，是基于HC08架構(gòu)的通用器件，具有12K字節(jié)的Flash存儲(chǔ)器、512字節(jié)的RAM，以及一個(gè)紅外通信接口、一個(gè)串行外設(shè)接口、一個(gè)AD轉(zhuǎn)換器、8個(gè)鍵盤(pán)輸入中斷和一個(gè)LCD驅(qū)動(dòng)器模塊。電能計(jì)量芯片可選擇三相電能計(jì)量芯片ATT7022B。ATT7022B是一款高精度且功能強(qiáng)大的多功能防竊電基波諧波三相電能專用計(jì)量芯片，該芯片適用于三相三線和三相四線應(yīng)用，而且使用十分方便。ATT7022B內(nèi)部的電壓檢測(cè)電路可以保證加電和斷電時(shí)正常工作，它提供有一個(gè)SPI接口，可以方便地與外部MCU之間進(jìn)行計(jì)量參數(shù)以及校標(biāo)參數(shù)的傳遞。存儲(chǔ)器則可采用帶有SPI接口的鐵電存儲(chǔ)器FM33256。FM33256是Ramtron公司推出的一款帶高速串行SPI接口且內(nèi)含F(xiàn)RAM處理器的外圍系列產(chǎn)品，它在小型封裝中整合了非易失性FRAM，能降低成本、減小電路板空間并支持以處理器為基礎(chǔ)系統(tǒng)的常用功能，非常適合用于先進(jìn)的多功能電能表。
3 系統(tǒng)電路
MC68HC908IJl2與ATT7022B、FM33256的通信可通過(guò)SPI接口進(jìn)行。SPI接口(即串行外圍設(shè)備接口)是一種時(shí)鐘和數(shù)據(jù)同步的串行接口，共使用四個(gè)引腳：CS、SCLK、DIN、DOUT，芯片通過(guò)它可以與任何具有SPI接口的其它芯片直接相連。FM33256和ATT7022B都需要與單片機(jī)MC68HC908IJl2相連，因此，這三種芯片都帶有SPI接口。由于SPI接口能支持多個(gè)器件掛在同一個(gè)總線上，并通過(guò)片選信號(hào)區(qū)分每一個(gè)器件，因此，F(xiàn)M33256和ATT7022B都可通過(guò)SPI接口與單片機(jī)MC68HC908LJ12相連，并將MC68HC908LJ12的PTC5引腳與FM33256的片選端相連接，以實(shí)現(xiàn)片選。具體的連接電路如圖2所示。FM33256內(nèi)部集成的實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC包括一個(gè)32．768 Hz的晶振、時(shí)鐘分頻器和供用戶訪問(wèn)的寄存器系統(tǒng)。它由晶振提供時(shí)基信號(hào)以獲得時(shí)間，其內(nèi)其部的靜態(tài)寄存器可為用戶提供對(duì)時(shí)間的讀寫(xiě)訪問(wèn)，寄存器包括秒、分、時(shí)、星期、日、月、年。時(shí)間寄存器則可通過(guò)位于00H的R、W位與時(shí)間內(nèi)核同步。R位用于讀時(shí)間，將R位從0改變?yōu)閘時(shí)，時(shí)間信息從內(nèi)核傳入保持寄存器以供用戶讀取，如果R位被設(shè)置時(shí)，內(nèi)核時(shí)間更新正在進(jìn)行，那么在時(shí)間更新結(jié)束才能裝載用戶寄存器，同時(shí)用戶寄存器將被凍結(jié)而不能更新，直到R位重新設(shè)置為0。W位用于設(shè)置新的時(shí)間值，設(shè)置W位為1將使用戶寄存器凍結(jié)。將它清除為0可使用戶寄存器中的值裝載進(jìn)時(shí)間內(nèi)核。在實(shí)際布線時(shí)，為了提高RTC的抗干擾能力和準(zhǔn)確性，應(yīng)在外接晶振引腳焊盤(pán)加入地環(huán)，且晶振引線長(zhǎng)度應(yīng)小于5 mm。并對(duì)地線底層鋪銅。該電能表系統(tǒng)充分利用了實(shí)時(shí)時(shí)鐘的特點(diǎn)，可在正常工作時(shí)，用它為系統(tǒng)提供精確的時(shí)間。另外，當(dāng)系統(tǒng)掉電時(shí)，可啟用后備3．6 V電源，以記錄實(shí)時(shí)掉電時(shí)間。并在系統(tǒng)中將它存儲(chǔ)在FM33256中。
4 系統(tǒng)校準(zhǔn)
校準(zhǔn)就是對(duì)各相電流增益、電壓增益、功率增益和相位進(jìn)行補(bǔ)償。功率增益一般不要分段，相位校正可根據(jù)精度要求，考慮分段或不分段進(jìn)行。分段式按電流的大小來(lái)分，對(duì)相位校正，最多可分五段進(jìn)行。一般在ATT7022B做軟件校表時(shí)，電壓和電流的校正、啟動(dòng)電流設(shè)置、斷相閾值電壓設(shè)置均無(wú)順序上的要求，但在進(jìn)行功率增益校正時(shí)，應(yīng)先設(shè)置合相能量累加模式(這個(gè)步驟也可省去，直接使用缺省值)、電壓通道ADC增益和高頻輸出參數(shù)，這是功率校正的條件，而后作功率增益校正，再進(jìn)行相位校正。相位校正應(yīng)在完成功率增益校正后進(jìn)行。所有校正都應(yīng)在相應(yīng)的校表寄存器參數(shù)為零的條件下進(jìn)行。
ATT7022B先設(shè)置成全波表狀態(tài)進(jìn)行校正，可將基波測(cè)量使能控制寄存器設(shè)置為EnLineFreq=0x000000，校正好后，再將該寄存器根據(jù)需要填入相應(yīng)值以使芯片進(jìn)入基波表、諧波表或是在電能計(jì)量功能狀態(tài)。校表程序開(kāi)始后，首先寫(xiě)電壓通道ADC增益UADCPga(Ox3F)，以設(shè)置電壓通道ADC放大倍數(shù)，然后寫(xiě)高頻脈沖輸出參數(shù)到校表寄存器20H，再寫(xiě)啟動(dòng)電流到校表寄存器1FH (否則默認(rèn)的啟動(dòng)電流值為基本電流的0.1％)，接著再寫(xiě)A相功率增益，進(jìn)行A相相位校正。然后分別進(jìn)行B相和C相的功率增益校正和相位校正，最后分別寫(xiě)A、B、C相電壓校正和電流校正。
限于篇幅，下面給出部分校表程序：
5 結(jié)束語(yǔ)
本設(shè)計(jì)中的三相電能計(jì)量系統(tǒng)以MC68HC908LJ12為核心MCU。并通過(guò)模擬開(kāi)關(guān)控制電流互感器的高低變比切換，從而來(lái)實(shí)現(xiàn)精確計(jì)量和復(fù)費(fèi)率。該系統(tǒng)具有精度高、功能全、可靠性高、維護(hù)簡(jiǎn)單、成本低、體積小等特點(diǎn)，并具有很好的擴(kuò)展能力，可以根據(jù)用戶的實(shí)際需要設(shè)定其它功能，具有良好的發(fā)展前景。目前，系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化功能及其與上位機(jī)的通信模塊正在進(jìn)一步調(diào)試和完善之中。
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