电子毕业论文-三相电子式多功能电能表的研究

2013 届本科毕业设计（论文）绪论第一 研究背景近几年，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，而就需要精度更高、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、中、小型工厂和车间、商厦宾馆、机关、学校的配电室及乡、镇、村和城市住宅小区的总表，几乎包括所有企、事业单位用户和其他集体用户。目前，我国三相电能表现有挂表量约 3000 万台，且呈逐年增长态势。按每年安装新型表、新增表和更换到期旧表约为三相表挂表总数的 1015%来计算，三相电子式多功能电能表的年均需求量约为 300450 台 1。2003 年，国家发展改革委出台了关于运用价格杠杆调节电力供求促进合理用电有关问题的通知 ，在保持电价总水平基本稳定的前提下，大力推行峰谷分时计电价，鼓励用户合理移峰用电。同时，要求完善两部制电价制度，扩大多功能表应用范围。此政策的出台，为多费率和多功能电能表带来了广阔的市场空间。当年，三相多费率和多功能表产量达 60 万台，2004 年又同比增加 30。可以说，对多功能表的需求是超常规性快速增长的。随着中国电力系统的电量计量自动化的推广以及大用户抄表的普及，当每套电量计量自动化系统的实施或升级发生时，就会造就少者几千台多者数万台的高压三相电子式多功能电能表的需求。当每套大用户抄表系统的实施，就会造就上万台低压三相电子式多功能电能表的需求。第二 研究现状我国在电能计量方面起步较晚，这主要受我国的电力发展进程影响。但进入上世纪八十年，我国的电力发展进入高速期，特别是在上世纪末我国的装机容量已达到世界前列。在我国的电力高速发展的过程中，电能计量技术也经过了以下三个阶段发展。第一阶段：20 世纪 5070 年代，基于电磁原理的交流感应式电能表。由于其机械结构和电磁结构的不稳定性和复杂性，一般来说精度较低，稳定性较差，特别是其机械结构的轴承在长时间运行的条件下，对精度影响极大，误差很容易发生变化。另外启动电流大，过载能力小，功耗大也是其难以克服的缺点。2013 届本科毕业设计（论文）第二阶段：20 世纪 80 年代，随着电子技术的发展，同时电力设备的智能化不断推进。就出现了交流感应式计量原理和电子技术相结合的机电一体的电能表。此种表是在普通感应式电能表的基础上经不断的改进和实践，运用新技术、新材料，特别是选用材料上有较大的改进。轴承选用石磨衬套的磁推轴承，改进了轴承磨损对精度的影响。同时增加了电子部分，实现了和智能设备通讯和复费率功能。第三阶段：20 世纪 90 年代，全电子式多功能电能表。主要解决了机械式电能表摩擦力的问题，提高了灵敏度，很微小的负荷均能准确计量出来。同时电子式多功能电能表在防窃电问题和同智能设备通讯等方面有了本质的提高 2。全电子式多功能电能表在电能信号的采集方面也经过了两个阶段的发展。即采用霍尔效应乘法器、平方差法乘法器、热电变换型乘法器、三角波平均乘法器、时分割乘法器等模拟乘法器计算电能的方法，该种计量方法的精度受元器件的参数影响较大，所计量的电能参量有限。随着 A/D 转换器技术的法展，其采样精度和速度的不断提高，电能计量的理论算法不断出现。通过对交流模拟量进行高速采样，将其转换为数字量及进行数字运算。通过单片的强大的计算和控制功能，很容易实现模拟乘法器计量方法难以实现的功能。这种采集方法可以将原有的多块表的功能由一块表实现，同时电能的计量精度和过载能力也得到了较大的提高。目前，预付费表受到政策的限制，而电力载波集中抄表由于技术不成熟，都很难大规模推广。在电力部门推行分时计费、实施削峰填谷、实现电力资源优化分配的政策引导下，经过电表厂家多年技术推广应用，逐步形成如下两大设计方案的三相电子式多功能电能表。方案一：采用三相电能计量芯片+MCU 的方法实现。三相电能计量芯片包含高精度-A/D 宽范围、高精度，片上接口可直接与微分电流互感器连接，通过MCU 把测量的到的各种电参数从芯片中读取出来，然后在了 LED 或液晶界面上显示出来。方案二：采用专用-A/D+DSP+MCU 的方法实现。 DSP 控制- A/D 实现数据采集，电参数的采集计算，MCU 实现数据的交换、显示、存储等功能。第三 本文研究的内容随着计算机技术和通讯技术的不断发展，电量计量自动化技术得到了长足的发展。面向省级和地级的电量计量自动化系统得到了的推广。电量计量自动化系要求采用分层、分布、开放型结构，需充分考虑了系统功能的全面性、实用性，实现对电能量数据进行自动采集、远传和存储、预处理、统计分析，以支持电力市场的运营、电费结算、辅助服务费用结算和经济补偿计算等功能。在与其它系2013 届本科毕业设计（论文）统（如 DMS/SCADA/EMS/MIS 等）的集成基础上，构建电力企业电能数据应用平台，充分挖掘使用电能基础数据，实现全网、分级、分压、分线、分区等不同类别、全方位的线损电量的统计和分析，从而达到提高线损管理工作效率和管理科学化的目的，同时为电网商业化运营提供决策依据。电量计量自动化系统构成时要求采用全面的跨平台解决方案，设计时充分考虑了对硬件平台和软件平台的多样性兼容。系统计算机网络采用全分布式体系结构，与 MIS 等系统的通信通过 WEB 服务器节点实现多个 LAN 之间的互连，并配置物理隔离设备以保证系统内网的安全性；独立的数据采集网保证主网的安全性和采集的高效率；业务、维护、应用工作站分配到系统的各个网络节点上，各个功能模块跨平台设计充分保证了系统的可扩充性。系统对变电站的三相电子式多功能电能表数据的采集是通过变电站用的集中器实现。电量计量自动化系统网络拓扑图如图 0-1 所示：图 0-1 电量计量自动化系统网络拓扑图法本文研究的重点就是设计开发一款新的三相电子式多功能电能表，使其可实现常规电量参数的测量，电能的计量，还要有计时，显示，报警、仪表自检等功2013 届本科毕业设计（论文）能。第四 本文的主要工作本文提出了一种新的三相电子式多功能电能表的整体技术方案设计。本人具体负责该表的总体结构部分，软件设计，功能指标等部分设计。（1） 采用了嵌入式系统软硬件协同的设计方法，设计了基于专业电能计量芯片ATT7022B 和单片机 MSP430F449 系统的基本功能和结构组成。合理的分配了 MSP430F449 资源，以完成设计中的功能。（2） 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。并提出了采用串行EEPROM 存储数据，以便达到简洁、安全的目的。采用 MSP430F449，提高了人机界面显示。另外还设计了负荷报警电路和各个功能模块的双电源供电电路。（3） 软件方面，我采用了 EW430 嵌入式开发系统，本系统的软件设计遵循了结构化、模块化、自顶向下、逐步细化的编程思想，使电表的稳定性和可靠性有了很大的提高和改进。2013 届本科毕业设计（论文）第 1 章 总体设计方案1.1 嵌入式系统设计的具体方法通常在单片机系统的开发应用中，是按照瀑布式开发流程进行的。其工作模式简单，任务的划分协调及人员安排、物质材料的分配管理都比较容易。开发过程为从硬件到软件的流水线式进行。传统的嵌入式系统设计方法，又不同于瀑布式开发过程，它是将开发任务分为硬件和软件两个独立的部分，又硬件工程师和软件工程师按照拟定的设计流程分别完成。其开发过程为一种并行的工作方式，称之为 V 模式开发过程。传统的嵌入式系统开发采用的是软件开发与硬件开发分离的方式。虽然也可以改进硬件软件性能，但由于这种改进是各自独立进行的，不一定使系统的综合性能达到最佳。虽然在系统设计的初始阶段考虑了软硬件接口问题，但由于软硬件分别开发，各自部分的修改和缺陷很容易导致系统集成出现错误。由于设计方法的限制，这些错误不但难于定位，而且更重要的是，对于他们的修改往往会涉及整个软件结构或硬件配置的改动。显然，这是灾难性的。这种设计方法只能改善硬件、软件各自的性能，而有限的设计空间不可能对系统做出较好的性能综合优化。20 世纪 90 年代，国外有些学者提出“这种传统的设计方法，只是早期计算机技术落后的产物，它不能求出适合于某个专用系统的最佳计算机应用系统的解” 。因为，从理论上来说：每一个应用系统，都存在一个适合于该系统的硬件、软件功能的最佳组合，如何从应有系统需求出发，依据一定的指导原则和分配算法对硬件、软件功能进行分析及合理的划分，从而使系统的整体性能、运行时间。能量损耗、存储能量达到最佳状态，已成为硬件、软件协同设计的一个重要的研究内容之一。1.1.1 嵌入式系统协同设计技术为了避免上述问题，一种新的开发方式应运而生硬件、软件协同设计方法。一个典型的硬件、软件的系统设计过程如图 1-1 所示。首先，应用独立于任何硬件和软件的功能性规格方法对系统进行描述，采用的方法包括有限自动机（FSM） 、统一化的规格语言（C、VHDL）或其它基于图形的表示工具，其作用是对硬件/ 2013 届本科毕业设计（论文）软件的统一表示，便于功能的划分和综合；然后，在此基础上对硬件、软件的功能模块进行分配。但这种功能分配不是随意的，而是从系统功能要求和限制条件出发，依据算法进行的。完成硬件、软件功能划分之后，需要对划分的结果做出评估 5。方法之一是性能评估，另一种方法是对硬件、软件综合之后的系统依据指令级评价参数做出评估。如果评估结构不满足要求，说明划分方案选择不合理，需要重新划分硬件、软件模块；一直重复直到知道系统获得一个满意的硬件、软件实现为止。 图 1-1 嵌入式系统软硬件协同设计方法这种设计方法的特点在协同设计、协同测试和协同验证上，充分考虑了软件硬件的关系，并在设计的每个层次上给以测试验证，使得尽早发现和解决问题，避免灾难性错误出现 6。系统协同设计与传统设计相比有两个显著的区别：（1）描述硬件和软件使用统一的表示形势。（2）硬件和软件的划分可以选择多种方案，直到满足要求。显然，这种设计方法对于具体应用系统而言，容易获得满足综合性能指标的最佳解决方案。1.1.2 系统设计原则及扩展性具体在硬件功能模块的设计中，为了使设计更合理，确保测量精度，以获得最佳的设计效果，应注意以下几个设计原则：2013 届本科毕业设计（论文）（1）用最新或功能更完善的芯片。功能强的芯片能够达到更高的精度和可靠性，可以简化设计电路，使系统的精度和可靠性得到了保证。通过选用高性能的接口控制芯片，提高了系统的可靠性，并使设计留有余地，为以后的升级提供了方便。（2）电路设计上应留有余地，以考虑将来扩展和修改得需要。因为软件的升级比硬件要方便的多，而且往往只要修改或添加软件中数据处理的模式或算法，就可以大幅度地提高系统的性能。因此，应该在硬件设计时尽可能地留有余地，以便将来的修改和扩充。（3）以软件代硬件。原则上，在实时性允许的条件下，能够用软件完成的功能，就不用硬件，这样部既节省了成本，而且也提高了系统的可靠性。（4）选用 HCOMS 工艺的芯片。考虑到三相电子式多功能电能表应用的工业现场环境非常苛刻，所以尽量采用 HCOMS 工艺的芯片，有利于降低自身的散热，同时降低整机功耗，增加产品无故障使用时间。1.2 总体结构及性能1.2.1 总体结构三相电子式多功能电能表采用传统的壁挂式结构。信号线从表的下方进，按键和显示在表壳的正面，整表设计采用三块电路板，分别为电源板、CPU 板以及LCD 液晶显示板。电源板主要实现整表的所需电源的提供和强电和弱点信号的变换，LCD 板主要实现表的各种数据和参数的显示功能，CPU 板主要实现数据采集、计算、存储。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。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，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。各相电压经过电阻分压，各相电流经过 CT(电流互感器 )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，得到各费率的正反向有功、无功等数据，送到显示、报警、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、存储单元、2013 届本科毕业设计（论文）时钟单元、其它单元等几部分构成。其原理框图如图 1-2 所示电流取样电压取样数据采集C P U通信单元显示单元存储单元电源及其管理按键时钟电池其他单元IAIBICUAUBUC图 1-2 三相电子式多功能电能表的原理框图2.2.2 主要性能1 主要功能(1)计量功能：可计量并记录当前的正向有功、反向有功、正向无功、反向无功的电能和最大需量。可计量 A、B、C 三相的电压、电流、有功功率、无功功率，总的有功功率、无功功率和功率因数等。(2)计时功能：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。(3) 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。(4)停电抄表功能：停电情况下由内部停电抄表电池供电通过轮显按钮进行抄表，分非接触式遥控唤醒和手动唤醒。 (5)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。2013 届本科毕业设计（论文）2. 主要技术指标主要性能指标如下表 1-1：表 1-1 主要性能指标项目 技术指标参比电压 3100V，3220/380 ，357.7/100V电压测量范围 0.8-1.2Un电流测量范围 31.5(6)A精度等级 有功 0.5S 级，无功 2.0 级工作温度 -20 +55极限工作温度 -30 +60相对湿度 小于 85%参比频率 50HZ启动电流 在额定电压、参比频率及 COS=1.0的条件下，负载电流为 0.001In，电能表能起动并连续计量电能功耗 2W, 4VA设计寿命 15 年时钟误差 0.5s/d（23）电池寿命 大于 10 年电池连续工作时间 大于 10 年2013 届本科毕业设计（论文）第 2 章 三相电子式多功能电能表的硬件设计2.1 供电单元根据电能表安装的位置不同，对电能表的电压输入范围有不同的要求。可分为 57.7V,100V,220V 三种。而对 57.7V，220V 这两种输入范围的电源要求电源的输入范围至少为标称值的 80%190%。三相电子式多功能电能表的供电电源一般可分为线性电源和开关电源。线性电源输入范围窄，效率低，体积大，但成本低，设计简单。开关电源输入范围宽，效率高，体积小，但成本高，设计难度大。本系统采用开关电源。供电单元主要有电压取样电路、电流保护电路、三级防雷保护电路、三相整流电路、专利电路、开关电路、3.3V 输出，5 V 输出，隔离 5 V 输出组成，如图 2-1 所示：图 2-1 供电单元组成IAIBICUAUBUC电流保护电路三级防雷保护电路三相整流专利电路开关电路3.3V 输出5V 输出隔离 5V 输出电流互感器CPU专利电路分压电路负荷控制锂电池LCD 显示器红外光口EEPROM时钟按键2013 届本科毕业设计（论文）图 2-2 电能表原理图设计上考虑 CPU 板的通用性以及减少库存半成品的种类，电源板输出到CPU 板的采样电压统一设计为 18V。三相电子式多功能电能表要承受 4000V 浪涌的电磁兼容试验，6000V 冲击绝缘耐压试验。因每个电阻可承受 500V 电压，因此电压取样电路采用八个 RJ24 金属氧化膜电阻，通过分压的方法将电压降到18V，采用两个 30V 稳压二极关在 18V 处进行过电压保护，如图 2-2 所示。不同电压等级的多功能电能表选用不同阻值的电阻，三相三线电表，不焊 B 相的电阻，将 Ub 接到 Un 上即可。电流取样电路主要是电流保护，采用 1N5819 对地保护。R8R4R12 R16R7R1512345678910X5R3R23R11R6R21R14R2R18R10R5R20R13R1R17R9R24 R22 R19V30V35V31V34V32V33UAUBUCUN图 2-3 电压取样电路三相电子式多功能电能表应用的低压环境比较恶劣，特别是在雷区和大用户端，雷击经常把压敏电阻击穿，造成电源毁坏。三相电子式多功能电能表通过采用线绕大功率电阻、保险丝、Y 电容、压敏电阻、电感等器件组成三级防雷电路。采用八个 1200V 高压二极管组成整流电路，取代整流桥，将交流转换成直流，提高三相电子式多功能电能表的电源防浪涌的能力和可靠性。多数开关电源芯片所能承受的输入电压为直流 85V-265V,不能满足三相电子式多功能电能表使用场合的要求。我所采用的专利电路是将电源的输入电压拓宽为为直流 55V-820V。充分满足三相电子式多功能电能表使用环境，进一步提高产品的可靠性。开关电源芯片采用 TOP232P,TOP232P 是 TOPSwitchFX 系列一种，该芯片采用改进的 TOPSwitch 技术制造而成。它把高压功率 MOSFET 管、PWM 控制、保护及其它控制功能集成到了一个 CMOS 芯片中 8。TOPS232 另加了两个引脚，第一个是多功能(M)引脚，它能执行可编程线性 OV/UV 关闭及利用线性电压提供线性交馈并减少 DCmax(最大占空比)，该脚还可以用来在外部准确地设置限流值，在任何一种情况下都可以用作远程 ON/OFF 控制或者使振荡器与外部较2013 届本科毕业设计（论文）低频率的信号同步；第二个是频率(F)引脚，它只出现在 Y 类封装中，可用于在接到引脚控制(C)时提供半频率选择。将该脚接到源极(S)引脚时不发挥效能，这一特点可使系统工作于三端 TOPSwitch 态，同时具有多种优良性能：如软启动、周期跳跃、130kHz 的转换频率、频率跳变、更宽的 DCmax 和滞后热关断等。另外，它与 TOPSwitch系列比起来，所有的关键参数如频率、电流范围、PWM 增益等等都具有更好的温度性能及抗干扰能力。更高的限流精度和更大的 DCmax 使得 TOPSwitchFX 设备的输出功率与 TOPSwitch比起来，在相同情况下可提高 1015 9。TOPS232 的主要特点如下：(1) 可减少外围器件的耗费；(2) 全集成的软启动功能可最大限度地减少功率器件的电压电流应力；(3) 可以由用户设置精确的限流值；(4) 可获得最大的占空比；(5) 具有线性限压检测：无关断尖峰干扰；(6) 超出波动范围时可实现线性过压关断；(7) 用单电阻设置 OV/UV 门限；(8) 频率跳变时可减少 EMI 及 EMI 滤波损耗；(9) 可调至零负载；(10) 130kHz 的频率减少了变换器 /供电电源的尺寸；(11)具有自动恢复的滞后热关断功能；(12)具有大幅度的温度滞后，可防止印制电路板过热；(13)有主控开和主控关的远程 ON/OFF 功能；(14)可与较低频率同步。开关电路提供四路输出，两路 3.3V 输出，5V 输出，隔离 5V。3.3V 又分主付，主电源需并法拉电容和大容量电解电容,为设备断电后，为 CPU 转存电量提供电源，采用法拉电容和大容量电解电容是冗余设计。5V 输出同 3.3V 共地，为模拟电路供电。隔离 5V 为报警输出等电路供电。详细电路如图 3-3 所示：2013 届本科毕业设计（论文）图 2-4 开关电源原理图2.2 采集单元采集单元采用专用计量电路实现电能计量。三相电子式多功能电能表所采用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。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。2.2.1 ATT7022B 的芯片特性R34AKCEE1V14V21V20 C14 C15C21L5V23V16C224 53 62 71 8T2V22C10R35L6D5S2C 4M1S3S7S8D3103T13T 7T7TC7R32C13C12R331 2C20Vin1GND25V 3N1C16 C173.3VVBATC913.3V/C88R130C90Vin3ADJ1+Vout 2V41R131 C89C87Vin3GND2+5V 1V42KIA78L05CC86104C804758VV431N5819V441N5819 C84104C824755VC84104+5V2013 届本科毕业设计（论文）(1) 高精度，在输入动态工作范围(1000:1) 内，非线性测量误差小于 0.1% 。(2) 有功测量满足 0.2S、0.5S，支持 IEC 62053-22GB/T 17883-1998 。(3) 无功测量满足 2 级、3 级，支持 IEC 62053-23GB/T 17882-1999 。(4) 提供基波、谐波电能以及总电能测量功能 。(5) 提供视在电能测量功能 。(6) 提供正向和反向有功 /无功电能数据。 (7) 提供有功、无功、视在功率参数 。(8) 提供功率因数、相角线、频率参数 。(9) 提供电压和电流有效值参数,有效值精度优于0.5%。 (10) 提供电压相序检测功能 。(11) 提供电流相序检测功能。 (12) 提供三相电流矢量和之有效值输出。 (13) 提供三相电压矢量和之有效值输出。 (14) 提供电压夹角测量功能。 (15) 提供失压判断功能 。(16) 具有反向功率指示。 (17) 提供有功、无功、视在校表脉冲输出。 (18) 提供基波有功、基波无功校表脉冲输出 。(19) 合相能量绝对值相加与代数相加可选。 (20) 内置温度测量传感器。 (21) 电表常数可调。 (22) 起动电流可调。 (23) 可准确测量到含 21 次谐波的有功、无功和视在功率。 (24) 支持增益和相位补偿小电流非线性补偿。 (25) 具有 SPI 接口，方便与外部 MCU 通讯。 (26) 适用于三相三线和三相四线模式。 (27) 采用 QFP44 封装 。2.2.2 ATT7022B 的功能简介TT7022B 是一颗高精度，三相电能专用计量芯片适用于三相三线和三相四线应用。2013 届本科毕业设计（论文）ATT7022B 集成了六路二阶 sigma-delta ADC 参考电压、电路以及所有功率、能量、有效值、功率因数以及频率测量的数字信号处理等电路。ATT7022B 能够测量各相以及合相的有功功率、无功功率、视在功率、有功能量以及无功能量同时还能测量各相电流、电压有效值、功率因数、相角、频率等参数，充分满足三相多功能电能表的需求。ATT7022B 支持全数字域的增益、相位校正，即纯软件校表。有功、无功电能脉冲输出。CF1、CF2 提供瞬时有功、无功功率信息，可以直接接到标准表进行误差校正。ATT7022B 可以对基波有功、无功功率进行测量，提供脉冲输出 CF3 和 CF4提供瞬时基波有功功率以及基波无功功率信息可直接用于基波的校正。 ATT7022B 提供两类视在能量输出 RMS 视在能量以及 PQS 视在能量 CF3 和CF4 也可被配置为视在能量脉冲输出。ATT7022B 提供一个 SPI 接口方便与外部 MCU 之间进行计量参数以及校表参数的传递 SPI 具体规格参见后面第四部分的详细说明所有计量参数都可以通过SPI 接口读出 11。ATT7022B 内部的电压监测电路可以保证加电和断电时正常工作。2.2.3 ATT7022B 的内部结构ATT7022B 主要由时钟控制电路、七路-A/D、DSP 数字信号处理器、温度传感器、参考电压、脉冲生成器、SPI 通讯接口、电源管理等几部分组成。2013 届本科毕业设计（论文）图 2-5 ATT7022B 内部框图2.2.4 ATT7022B 电路图C27103R351kR44120kUA UAPAGNDC28103R361kUANVREFC29103R371kR45120kUB UBPAGNDC31103R391kUBNVREFC30103R381kR46120kUC UCPAGNDC32103R401kUCNVREFG324.576MC6115pFC6215pFC60104+C41475C38104+C42475C37104C36104IAPIANUANUAPUBPUBNIBNIBPICPICN SIGC59104OSCIC34104C35104AGNDAGNDREFCVDDVDDGNDRESETGNDCF1 CF2+C40475SEL34WREVPOSCOVREFC33104SINSOUTSCLKCS4RESET1SIG2V1P3V1N4REFCAP5V3P6V3N7AGND8V5P9V5N10REFOUT11AVCC12 V2P13V2N14 AGND15V4P16 V4N17AVCC18 V6P19V6N20 V7P21V7N22GND23TEST24NC25SEL26CF127CF228NC29CF330CF431NC32VDD33VCC 34CS 35SCLK 36DIN 37DOUT 38VDD 39REVP 40VCC 41OSCI 42OSCO 43GND 44D7ATT7022BCF4CF3UCPUCNAVDDAVDDR825.1k R8510kR81100kC58104VDD+C43475+C39475C56104C55104C45104 C44104AGNDRESTC19103 IANC18103IAPR231kR4120 AGNDIAOUTIAINR241kR110kR210kVREFVREFC21103 IBNC20103IBPR311kR4220 AGNDIBOUTIBINR321kR310kR410kVREFVREFC23103 ICNC22103ICPR331kR4320 AGNDICOUTICINR341kR510kR2110kVREFVREFC24473C25473C26473R6010kV18 90132013 届本科毕业设计（论文）图 2-6 AT7022B 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 Un 对应到 ADC 的输入选在 0.5v 左右，而电流通道 Ib 时的 ADC 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，作如图 2-5 的采集部分的原理设计。2.3 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，MCPU 应满足如下要求：具有在线编程能力；为提高电磁兼容性和节约成本，ROM 和 RAM 必须集成在 MCU 中；为了方便应用程序的开发和调试，MCU 应支持 C 语言编程； 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；MCU 的价格应比较低，并且 ROM 应有 60k；MCU 最好具有液晶驱动能力；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 MSP430F449。2.3.1 MSP430F449 特点美国 TI 公司的 MSP430 系列单片机可以分为以下几个系列：X1XX， X3XX，X4XX 等等，而且在不断发展，从存储器角度，又可分为ROM（C ）型，OTP（P）型，EPROM （E）型，Flash Memory（F ）型。系列的全部成员均为软件兼容，可以方便地在系列各型号间移植。MSP430 系列单片机的 MCU 设计成适合各种应用的 16 位结构。它采用冯-纽曼结构，因此2013 届本科毕业设计（论文）RAM，ROM 和全部外围模块都位于同一个地址空间内 13。同其它微控制器相比，MSP430F449 具有如下特点：（1）低功耗，1.8V 到 3.6V 工作。（2）6S 的启动时间可以使启动更加迅速。（3）ESD 保护抗干扰力强。（4）低电压供电多达 64kB，寻址空间包含 ROM、RAM、闪存 RAM 和外围模块。（5）通过堆栈处理，中断和子程序调用层次无限制。（6）仅 3 种子令格式，全部为正交结构。（7）尽可能做到 1 字/指令。（8）源操作数有 7 种寻址模式，目的操作数有 4 种寻址模式。（9）外部中断引脚：I/O 口具有中断能力。（10）中断优先级：对同时发生的中断按优先级别处理。（11）嵌套中断结构：可以在中断服务过程中再次响应其它中断。（12）外围模块地址为存储器分配：全部寄存器不占用 RAM 空间，均在模块内。（13）定时器中断可用于事件计数、时序发生、PWM 等。（14）看门狗功能/通用目的定时器。（15）12 位 A/D 转换器。（16）正交指令简化了程序的开发：所有指令可以用任意寻址模式。（17）已开发了 C-编译器。（18）模块设计思想：所有模块采用存储器分配 。（19）MSP430 全部为工业级 16 位 RISC MCU -40 85C。（20）外设 FLL+时钟系统（片内 DCO+晶体振荡器） 。（21）比较器 A（精确的模拟比较器，常用于斜边（ Slope）A/D 转换） 。（22）复位电压控制/电源电压管理。（23）基本定时器 1（两个 8 位定时器或一个 16 位定时器） 。（24）LCD 控制器/比较器（多达 160 段） 。（25）Timer_A3（带 3 个捕获/ 比较寄存器和 PWM 输出的 16 位定时器） 。（26）Timer_B37 （带 7 个捕获/比较寄存器和 PWM 输出的 16 位） 。（27）I/O 端口 1，2（每一个有 8 个 I/O，均具有中断功能） 。（28）I/O 端口 3，4，5，6（每一个有 8 个 I/O） 。（29）USART0（UART 或 SPI） 。2013 届本科毕业设计（论文）（30）USART1（UART 或 SPI） 。（31）硬件乘法器。（32）封装 100-pin QFP。2.3.2 MSP430F449 资源分配SP430F449 共有 100 引脚。其详细功能设计及资源分配见表 2-1。表 2-1 功能设计及资源分配管脚资源 功能设计 说明DVCC1（1） DVCC2（60）AVCC（100）3.3V 电源 正常工作，由开关电源供电。停电状态，由电池供电。DVSS1（99）DVSS2（61）AVSS（98）GNDS0-S39 (12-51)COM0-COM3 (52-55)R0-R3 (56-59)404 160 段液晶驱动 R0-R3 管脚间串接三个 100k 电阻，R0 接地。采用 100k 电阻降低功耗。P6.2-P6.6 (2-5) CS1-CS4 片选 一片采集电路 ATT7022B两片存储电路 AT25640一片时钟芯片 RTC4553ACP1.1（86）P1.0（87）P3.5（66）485T485R485DIR2第二 RS485 的发送、接收、方向控制。利用比较器 A 的捕获功能，软件模拟串口。P4.1（62）P4.0（63）P3.4（65）485R2485T2485DIR2第一 RS485 的发送、接收、方向控制。P2.5（74）P2.4（75）232T 红外发232R 红外收用于 1200 波特率红外通讯，正常工作，用 I/O 模拟串口。停电状态，工作 USART0 方式，可中断唤醒MCU，实现停电红外抄表。2013 届本科毕业设计（论文）P2.7（72）P2.3（76）P2.2（77）P2.1（78）P2.0（79）PKEY 编程按键KEY2 上翻按键KEY1 选择按键SKEY2 上壳开盖检测SKEY1 端尾盖开盖检测编程、上翻、选择三按键是常开接点，开盖检测为常闭接点。编程按键主要用于关键参数的设置，电表精度的校准。上翻按键、选择按键配合使用，通过液晶查看电表的数据和事项。开盖检测主要是防窃电设计。P1.5（82）P1.4（83）P1.3（84）P1.2（85）EP+ 正向有功电能输出EQ+正向无功电能输出EP- 反向有功电能输出EQ- 反向无功电能输出EP+、EP-、EQ+、EQ- 分别同四光藕器内部二极管的 K 管脚相连。EP+、EP-所连的光藕器公用一个发光二极管，EQ+、EQ-同理。P3.0（71） REST 控制复位输出 防止采集电路专用芯片死机。XIN (8)XOUT (9) 接 32.768kHz 晶体 此晶体需选用高可靠、低飘移产品P3.1（70）P3.2（69）P3.3（68）SIMO SPI 总线输出口SOMI SPI 总线输入口UCLK SPI 总线时钟口SPI 总线接口，其负责同采集单元、存储单元、时钟单元进行数据交换。P1.6 (81)P6.2 (90)CVALARM 报警输出YK2 遥控输出通过输出方波控制继电器输出。P6.0 (95)P6.1 (96)P1.7 (80)CVLED 红外电源控制CVROM EEPROM 电源控制CBLED 液晶背光控制分别对红外通讯接口、存储芯片EEPROM、液晶背光的供电电源进行控制，主要目的降低停电状态下表的功耗，尽大可能保证停电抄表电池的使用时间。P2.6 (73) DE 需量输出 用于校表台对需量精度的检定。P3.6 (65)P3.7 (64)25WP2 数据写保护WREN 时钟写保护防止数据意外丢失，提高产品可靠性。VREF+ (7)P6.7 (6)VeREF+ (10)VeREF- (11)接 104 电容监测模拟 5V 电压监测时钟电池电压监测停电抄表电池电压VREF+为 ADC 内部基准源。通过检测 P6.7 的电压，实现停电数据转存控制。通过检测 VeREF 的电压，测算电池的寿命。为了检测电池寿命的同时减少电池能量的消耗，采用两个 10 兆欧姆电阻分压后并联 104 电容方式实现测量。2013 届本科毕业设计（论文）TDO (90)TDI (91)TMS (92)TCK (93)RST (94)测试数据输出测试数据输入测试模式选择测试时钟系统复位管脚JTAG 在线仿真调试接口。XT2IN (89)XT2OUT (88)经 10k 欧姆电阻接地空高频晶体输入接口，本产品设计不用。2.3.3 CPU 单元的电路设计根据三相电子式多功能电能表的设计要求以及 MSP430F449 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 单元做如图 2-7 所示电路设计。2013 届本科毕业设计（论文）C8 R3010kR6 100kR7 100kDVCC260AVCC100DVSS199DVSS261AVSS98URXD1 62S012 S113S214 S315S416 S517S618 S719S820 S921S1022 S1123S1224 S1325S1426 S1527S1628S3951 S3850 S3749S1830 S1931S2032 S2133S2234 S2335S2436S2840 S2739S2941S3143 S3244S3345 S3446S3547 S3648COM052 COM153COM254 COM355R0356R1357S2537SIMO0 70S2638R2358R3359VREF-11VEREF+10XOUT9XIN8VREF+7P6.7 6P6.6 5P6.5 4P6.4 3P6.3 2P6.2 97P6.1 96P6.0 95RST 94TCK 93TMS 92TDI 91TDO/I 90XT2IN 89XT2OUT88P1.0 87P1.1 86P1.2 85P1.3 84P1.4 83P1.5 82P1.6 81P1.7 80P2.0 79P2.1 78P2.2 77P2.3 76P2.4 75P2.5 74P2.6 73P2.7 72STE0 71SOMI0 69UCLK0 68S1729P3.4 67P3.5 66P3.6 65P3.7 64UTXD1 63S3042DVCC11D1MSP430R8 100k1234567891011121314X20G2 32.768kC6R1310kGNDDEDGNDVEREF+VREF-DGNDVBATDGNDVBATLCDS0LCDS1LCDS2LCDS3LCDS4LCDS5LCDS6LCDS7LCDS8LCDS9LCDS10LCDS11LCDS12LCDS13LCDS14LCDS15LCDS16LCDS17LCDS18LCDS19LCDS20LCDS21LCDS22LCDS23LCDS24LCDS25LCDS26LCDS27LCDS28LCDS29LCDS30LCDS31LCDS32LCDS33LCDS34LCDS35LCDS36LCDS37LCDS38LCDS39LCDCOM0LCDCOM1LCDCOM2LCDCOM3VBATP6.7CS1CS3CS2CS4YK2SOUTSINSCLK232T232R485T485RKEY1KEY2PKEY485DIR1485DIR2CBLED25WP2485T2485R2WRENCVROMCVLEDRESTSKEY1SKEY2GNDRSTDGNDCVALARMSEL34WR12 10MR11 10MC4VREF-DGNDVIN图 2-7 CPU 单元的原理图2.4 存储单元MSP430F449 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。在受到能量巨大的雷袭击的时候，MSP430F449 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2013 届本科毕业设计（论文）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，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。因此要求选用的 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 MSP430 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)选用的芯片这里选用 AT25640 。该器件容量为 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3-6 所示， EEPROM 的 SO，SI，SCK 分别同 MCU 的 SPI 总线的SIN，SOUT， SLCK 相连； 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。CE 1SCK 6SO 2WP3HOLD7GND4 SI 5VCC8D4AT25640CE 1SCK 6SO 2WP3HOLD7GND4 SI 5VCC8D5AT25640ROMCS2SCLKSINSOUTSOUTSINSCLKROMCS1 25WP225WP2VEPROMVEPROMDGNDVEPROMVEPROMDGND图 2-8 存储单元的原理图2013 届本科毕业设计（论文）2.5 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。2.5.1 时钟芯片三相电子式多功能电表对时钟的要求为：(1)在参比温度下，晶振时间开关的日计时准确度优于 0.5 秒/d；断电时，电池作为时钟电源，36h 后，计时准确度优于 1.5s/d。(2)晶振时间开关计时准确度随温度变化允许改变量小于 0.1s（d.） 。(3)晶振时间开关在 85%-110%Un（参比电压）范围内应满足（1）中的计时准确度要求。(4)累计计时误差不超过 3 分钟。根据以上要求，考虑生产中的调试方便，决定选用 EPSON 公司的 RTC4553A 时钟芯片。该芯片 14 引脚封装，可方便地设置及输出秒、分、时、日、月、星期、年等，可根据月份和闰年的情况自