MAXQ3120电表参考设计的定制功能-新品速递

精品文档-下载后可编辑MAXQ3120电表参考设计的定制功能-新品速递介绍MAXQ3120电表(EM)参考设计构建了一款多功能、多费率电表，它符合世界范围的全部可用标准。参考设计构成了一款能够适合各地要求和各种性能要求的电表原型。这篇文档将指导软件工程师，通过定制代码实现一些特殊的需求。

目标读者本文档假定读者熟悉C语言、MAXQ20微控制器架构以及汇编语言。读者也需熟知全电子式电表的基理。

工具电表参考设计采用IAREmbeddedWorkbench工具进行编译。为便于将软件移植到其它开发环境中，除了一种例外情况外，整个软件避免了与IAR相关的语言特性。这种例外情况位于汇编语言文件中，其中包括了一些对标准汇编伪指令集的特定IAR扩展。这些特定IAR扩展命令，不仅可告知连接器各不同段的分配情况，而且告知调试器有关某些机器资源的变化情况。在其它开发环境下构建工程，可将这些伪指令去除。

高层硬件描述硬件的器件是MAXQ3120微控制器。MAXQ3120几乎囊括了实现多功能、多费率电表所需要的所有功能，这些功能包括：双通道、高精度A/D转换器(ADC)，一个乘法累加器(MAC)，通信端口和一个显示控制器。完成一个电表设计，仅需要少量的外部元件。在参考设计中，提供两个通信通道：一路红外通道，包含一个可解码38kHz载波频率的接收模块和一个直接由微控制器驱动的红外LED，一路完全隔离的RS-485通道；用作非易失存储器的128kbI2CEEPROM；一个可视LED和一路隔离光耦通道，用于指示电表脉冲；一个用于设置网络地址的按钮；和一个用于显示的LCD。

这种硬件构成预示着以下一些应用信息。选择一个外置I2CEEPROM，意味着系统中必须包含I2C软件，而不提供硬件I2C主机。电表脉冲硬件意味着软件必须能够产生极为的脉冲定时。两路通信端口表明，微控制器有限的资源要被两路通道所共享。

软件系统综述软件系统必须同时跟踪多个进程。首先也是重要的一点，软件系统必须监测ADC，计算用电量并其它额外信息，这些信息包括RMS电压和电流、功率因数和峰值功率。这个基本进程非常关键，其它任何进程都不能干扰这个重要的基础任务。在持续监视用电量的同时，软件还必须驱动显示、监视两路通信端口、监视按钮以及电力线路上的电源失效事件，完成从外部EEPROM获取信息的请求，并跟踪费率时段的变化。任务管理方式初始一看，要完成以上多个实时任务，迫切需要某种实时操作系统(RTOS)来进行调度管理和资源分配。但进一步分析后，就会发现不用传统RTOS的两个充分理由。

首先，要求即时响应ADC中断。当ADC有可用的采样数据时，必须在48μs内提取该采样数据。并且，当检测到一个过零点时，电源周期处理程序为了在下一个电源周期之前完成执行操作，必须独占CPU资源。(电源周期处理程序将占用CPU运算能力的25%到30%。)尽管RTOS可以满足这些要求，却不能有效地利用资源。

其次，用于保存任务上下文的空间非常有限。大多数RTOS都要给每个任务提供一个完整的虚拟处理器，以在其中执行操作，而这需要保存各个任务的上下文。由于仅有256个16位字RAM可供使用，少量任务就会耗尽存储器空间。

所以，本参考设计选择了一个简单的任务轮。在这种配置方式下，任务会被按顺序调用，而每个任务在锁定事件发生时，都要释放CPU的控制权。锁定事件是指所有其它任务都必须等待的事件，它包括：从EEPROM中提取数据，等待一个电源周期或是等待通信通道上的字符。如果当前任务需要等待其它任务完成时才能结束自身任务，这时也会产生一个锁定事件。在任何锁定事件中，任务必须存储它的当前状态并返回任务轮。这种协作式多任务机制，使得一个处理能力相对低些的控制器就能够胜任工作。

任务间的通信是通过一组公共数据结构来完成的，这些数据结构要根据一套严格的规则才允许被修改。这些数据结构中重要的部分是消息板，当发生某个事件时，一个任务要设置消息板中的一组数据位以通知另一个任务。例如，假设接收到一个消息并将其正确译码，则消息译码器任务会告知另一个需要该消息的任务(比如寄存器管理器)已经收到了消息，并要求第二个任务必须执行某些操作。

缺省任务列表以下是参考设计中采用的缺省任务列表：

DSP：对应每个电源周期，这个程序会计算电力线路的所有参数，并累加本电源周期的用电量。串口驱动器：检测两路通信通道的状态，并将个发出字符的通道置为“活动”通道。在消息检查器任务确定消息完成或产生超时之前，通道将始终保持活动状态。消息检查器：验证输入字符串符合协议规范，并在完整接收消息后通知消息译码器。消息译码器：解释接受到的消息并执行相应的请求操作。异步事件管理器：执行那些不是按照时间表进行的事件任务，比如峰值检测和电能累计。时段表管理器：周期性检查时钟，并按照时段表调整费率寄存器的值。显示管理器：根据时间和其它事件刷新LCD显示。消息格式器：为消息译码器解释的消息准备回复信息。消息构建器：接收格式化后的消息并加上用于传输的消息头和消息尾。寄存器管理器：执行读/写EEPROM操作。计时管理器：通告按固定时基启动的任务。负载曲线记录器：被请求时，向EEPROM记入用电量，便于将来这些数据。添加任务如电表参考设计中所定义，任务是一段单线程代码，它执行电表要求的某项功能，并快速(通常只有几毫秒)返回调用函数。然而，大多数任务都需要比这更长的时间才能完成。比如，在任何合理的速率下发送一个消息都需要多个周期。因此，大多数任务都需要一个状态变量，以便将其分解为数个子任务。

一旦任务编写完成，你就可以在spintaskwheel.c文件的任务列表中加入该调用。注意，你可以将任务加在执行流程的任何位置，并根据你的需要多次频繁调用它。你将发现，DSP任务调用非常频繁，串口驱动器SerialPortDriver任务也被调用了几次。因为要保持电能测量的完整性，DSP任务不允许被搁置数个周期，同时不允许SerialPortDriver任务错过输入字符。

，测试你的代码。任务轮循环时，你的新任务将伴随其它任务被调用。

全局变量由于未使用真正意义上的多任务操作系统，也就意味着不会有编程人员所熟知的、真正意义上的消息传递、信号量或其它机制。通信是通过上文提到的消息板以及一组全局变量实现的，各个任务必须按照严格的规则来设置和读取这些变量信息。这些全局变量列举如下：

g_CommSystemState:这个变量包括一组通信通道控制位。具体来说，每个通道包括：一个active(活动)位，用于指明某个特定通道处于活动状态(从而可丢弃到达另一个通道的字符)；一个TBE位，用于使闲置通道做好工作准备；以及一个dataloss(数据丢失)位，当闲置通道收到字符而另一通道正忙于通信时，该位被置高。g_TransmitByte;g_ReceiveByte:分别保存着下一个要传送的字节和接收到的字节。g_CommBuffer:一个50字节数组，包含刚接收到的消息或要发送的消息。注意系统仅有一个通信缓存。它不仅被两个通信通道所共享，也被发送和接收通道所共享。g_MeterAddress:一个包含电表网络地址的6字节数组。初始化时从EEPROM内读取该信息，并存放在RAM中。g_MessageFormatterData;g_DispFormatterData;g_ScheduleManagerData;g_AEMData;g_LCLRegData:这些寄存器在寄存器管理器和各种任务间传送数据。例如，一个需要发送的寄存器内容，会被寄存器管理器放入g_MessageFormatterData中。g_AEMRegisterNeeded;g_DispFormatterRegRequest;g_RequestScheduleManager;g_LCLRegRequest:这些寄存器里，包含了特定任务需要读或写的寄存器。注意，消息译码器没有全局地址寄存器：寄存器管理器可以智能地从消息缓存中找出这个信息。g_LCDMode:包含显示器的模式字节。见下面的显示定制部分。g_TariffInEffect:包含当前有效的费率号码。这个函数有自己的全局变量，以便每次累计电能时，无需通过多次EEPROM读操作来确定将采样值存在什么位置。g_PW:包含当前有效的各个通信通道的口令号码。g_irTimer;g_rsTimer:用于计数各个通道口令有效时间的定时器。一旦接收到口令后，它的有效期限是60秒。一个口令的有效时间结束后，g_PW中相关的4位数据就会被清零。g_LoadCurveUsage;g_LoadCurvePeak;g_LoadCurveTimeStamp:与负载曲线记录任务相关的变量。g_LoadCurveUsage累计用电量，并会终给负载曲线记录任务。负载曲线记录任务会定期地将该值写入EEPROM并随后清除该变量。g_LoadCurvePeak和g_LoadCurveTimeStamp跟踪负载曲线的功率值，并记录峰值功率产生的间隔和时间。AEMState:包含一组与异步事件相关的变量。当接收到一个设置电表地址消息时，msg_rx标志被置为高。地址设置逻辑电路被激活后，变量timer包含恢复正常显示所需的秒数。DSPState和Register变量跟踪寄存器用电量信息从DSP逻辑传送到用电量函数的过程。通常，寄存器变量包括所有用电类型(有功、无功、正功率和负功率等)。g_new_baud:DL/T645协议规范提供了一种只改变单个消息波特率的机制。当收到波特率变更请求并得到确认后，下一个消息就会以更高的波特率传送。随后，波特率恢复到正常值(本设计中采用1,200bps)。g_new_baud总是保存下一个消息的波特率。g_TransmitDelay:一些RS-485转换器在发送完一个字符后会延迟一段固定时间，随后切换回接收模式。因此，当主机传送完一个请求后，它可能会丢失电表发送的前几个字符，因为与主机串口相连的RS-485转换器仍处在发送模式下。这个变量保存了发送状态保持的固定延时，延时结束后主机的RS-485转换器切换回接收模式。current_temp:如果引用该变量，它将包含从DS3231RTC/温度传感器中读出的数值。

定制功能本参考设计符合DL/T645－多功能、瓦时电表通信协议。但这篇文档不仅仅对通信协议进行说明。DL/T645确实对一个多功能电表需要执行的操作进行了规定，包括测量、时段管理和功能。因此，如果你要选择其它电表协议，你必须替换掉寄存器管理器以及除串口管理器之外的所有消息函数，或者至少对其进行重大修改。修改的细节不在本文讨论范畴内。本文档将着重讨论三个定制领域：显示定制、寄存器映射定制和DSP函数定制。

显示定制显示器完全由显示管理器控制。其它任何任务都不会向MAXQ3120的LCD寄存器写入数据。DisplayFormatter.c模块包含了显示管理器及其主要子程序UpdateLCD。如果你只是想在电表中使用一个不同的LCD模块，则只需修改UpdateLCD。所以我们将从这个模块的定制开始说起。如果你想改变显示信息的类型，你就要修改DisplayManager，并且可能需要给电表的其它部分提供额外的钩子(hook)函数。

定制UpdateLCDUpdateLCD接收两个参数：一个待显示的32位数值和一个8位信号指示器数值。32位显示值包括8个4位数值。因此，UpdateLCD支持8位、7段显示器。注意，MAXQ3120支持112段显示，所以可以定制该程序以支持更大规模的显示器。如果想用不同的显示器，你需要修改LCDFont结构。它被定义为staticconst类型。这样定义的结构进行编译和连接后，将驻留在程序空间，而不是数据空间。

LCD空间分配表：

这里有个重要的假设：每个字符都可填入一个LCD寄存器。如果所采用的LCD结构中，属于1位显示的某些段要占用多个LCD寄存器，则需要修改整个UpdateLCD。

数字的显示顺序是什么？程序假设右端的显示数字，是32位显示参数的低四位。这是自然的顺序；如果你将“123456”传递给参数，则显示器会显示“123456”。

信号指示器如果你想在显示特定信息的情况下，同时点亮特定的信号指示器，则需要另外一个8位变量来存储指示信息。UpdateLCD程序使用一个switch结构，以在显示数字之后马上点亮这些指示器。

特殊状态显示在displayformatter.c文件的还有一组程序。这些程序控制特殊状态显示，例如电表初始化、EEPROM初始化和程序故障(异常)。它们被直接写入LCD寄存器，而且要针对不同的显示进行定制。

定制显示管理器除了显示用电量、时间和日期以外，如果你还想显示其它信息，则需要修改显示管理器。

显示管理器的部分，处理电表地址设置信息的显示。仅当地址设置按钮被按下时才起作用，不需要修改这一部分。

显示管理器的其它部分，通过全局变量g_LCDMode来获取类别。为确定要显示的下一个条目，这个变量在一个字节内包括了所有必要的信息。它的格式如下所示：

总会显示电表使用过程中累计的总用电量，并显示由g_LCDMode字节所指定的条目。在本参考设计中，这个变量被固定为1―除了显示总用电量以外，只显示时间和日期。

控制变量显示管理器由状态变量disp所控制，该变量有两个元素：Item和State。由名字可以得知，disp.State存放显示控制器的当前状态，而disp.Item跟踪将要显示的信息，具体含义如下：

定制这个程序提供两种选项。你可以选择改变disp.Item的赋值，以及改变程序中它们的选择顺序，或者你可以选择完全替换掉该程序。后一种选择可能更好。如果为可能显示的每个条目指定一个独立位，或为可显示条目分配一个列表索引，显然这样的条目选择结构更加灵活。选择上面的结构是因为它需要的RAM空间。

添加寄存器DL/T645规定了大量寄存器，用于控制电表运行的各个方面。每个寄存器由一个16位寄存器号指定。在参考设计中，增加了很多寄存器来控制电表运行的各个方面；在代码中给出了这些寄存器的说明。本讨论内容提供了必要的信息，以便通过扩展寄存器映射从电表中获取更多信息，或者控制新的电表运行特性。寄存器管理器如何工作所有任务都不能挂起正常的任务轮操作，寄存器管理器任务要遵循这一原则有很大难度。这是因为寄存器管理器是能够读/写EEPROM的任务，并且EEPROM写操作需要(相对)较长的时间―几个毫秒。因为每20ms(60Hz环境下是16.7ms)就要为DSP程序提供处理器时间，寄存器管理器在EEPROM写周期过程中，绝不允许将系统挂起几十毫秒的。

要解决EEPROM写入时间问题，一个显而易见的方法是将I2C程序置为中断处理方式。这样一来，寄存器管理器可以启动一个EEPROM传输过程，随即返回主函数入口main()；之后每次被调用时，寄存器管理器都会通过检查EEPROM子系统的状态，来确定任务是否已经完成。采用这种方案带来一个问题，ADC周期非常短，以至于ADC中断服务程序需要独占中断子系统。因此，必须采取一些其它保障机制。

解决的方法是采用一个全局标志位：EEPROMOpPending。当这个标志位为低时，任务轮实质上是一个无限循环过程，反复调用系统中的每一个任务。当标志位为高时，任务轮被调用时执行并返回，并不调用寄存器管理器。这样有什么帮助吗？

当寄存器管理器需要执行一个耗时很长的功能时，它启动这个功能并通过轮询来确定其是否完成。在轮询期间，寄存器管理器将EEPROMOpPending置为高，并递归调用任务轮。下面的代码给出了一个实际例子：

01:uint8ReadEEPROM(uint16Address,uint8Length,uint8*pData)02:{03:inti;04:g_MessageBoard.EEPROMOpPending=1;05:for(i=0;iLength;i++)06:{07:if(i0)SpinTaskWheel();08:eeprom_address=Address++;09:while(eeprom_read_byte())10:SpinTaskWheel();11:*pData++=eeprom_data;12:}//for13:g_MessageBoard.EEPROMOpPending=0;14:return1;15:}

在上面的第4行，EEPROMOpPending标志位被置为高。在第7和10行中，SpinTaskWheel被调用。如果EEPROM标志位为高时调用任务轮，则SpinTaskWheel函数运行，并在不调用寄存器管理器的情况下返回。这样，即使由于寄存器管理器等候EEPROM完成操作而停止下来，电表的其它部分仍可持续正常运行。

哪些任务知晓这些寄存器？只有两个任务知道寄存器号：寄存器管理器和消息译码器。这些程序中，通常只需要对寄存器管理器进行修改。消息译码器识别出与口令管理和其它监控功能有关的寄存器，并且必须在采用正常处理规则之前获取这些信息。因此，要构建自己的寄存器，只需要熟悉寄存器管理器。三类寄存器通常，有三类寄存器：只读、读写和具有额外功能的读写寄存器。只读寄存器的一个例子是B611，RMSVolts、phaseA。主机向这个寄存器写数据是不能执行的；实际上，如果电表收到写数据会将其丢弃。而且，多数只读寄存器都不在EEPROM中：通常，在线计算这些寄存器的结果，并根据需要结果。

读写寄存器的一个例子是C032，MeterNumber(电表号)。写入数值不会对电表操作产生任何影响，而且可以随时提取该数据。，一个具有额外功能的读写寄存器例子是C030，MeterConstant,active(有效电表常数)。当这个寄存器被写入数据时，寄存器管理器不仅要更新EEPROM，同时也要更新DSP程序使用的电表常数。

哪些任务需要寄存器信息？下表列出了需要寄存器信息的任务。

通常，你主要考虑添加可通过消息译码器访问的寄存器。你可以增加用于显示的寄存器(或者用于其它任务的寄存器，但是依据惯例，你会主要考虑那些可通过通信端口检索的寄存器)。

读写寄存器首先考虑种情况，即存储和读取无额外功能的读写寄存器。为了添加一个存储于EEPROM内的寄存器，你必须添加两处信息：MAXQ3120RD.h文件和寄存器管理器中的ProcessRegisterNumber程序。

MAXQ3120RD.h包含一个由typedef定义的名为EEPROM_DATA的数据类型。这个定义并没有被真正实例化；而仅仅是作为模板，用于定义数据如何存入EEPROM。在EEPROM_DATA定义的下面，还定义了两个宏，用来返回两个值，分别是结构中某成员的偏移地址和某成员占用的字节数。定义新寄存器的步，是在结构中添加成员(是在尾部)，从而为寄存器分配EEPROM存储空间。

下一步是定义寄存器号。这需要编辑寄存器管理器中定义的RegParmTable结构。这个表包含了电表中定义的每个寄存器，并按编号排序。每个成员包括：

寄存器号，16位无符号值。物理数据单元编号，用于计算实际寄存器值。例如，寄存器9110请求当月总的正向无功用电量。它是两个电能累加器的和：包括1象限的用电量和4象限的用电量。因此，物理单元的个数是二。寄存器管理器必须提取指定单元(CurrentQuadrant1AccumTariff)和下一个单元(CurrentQuadrant4AccumTariff)的数据，并求和以获得所需信息。每个单元的长度，以字节为单位。存储的数据类型：INT_REG，表示寄存器包含被视为整数的二进制数据；BCD_REG，表示寄存器包含的是传输前无需进一步转换的BCD码数据；或者MDH_REG，表示寄存器包含的是日期信息(月：日：小时)。EEPROM中数据的偏移量(单位为字节数)。为了节约处理时间，ProcessRegisterNumber程序采用二元搜索算法找出寄存器地址。因此，表格保持排序状态是非常重要的。如果寄存器表变得无序，结果就无法预料了。

一旦表格被更新，新的寄存器可以通过通信通道进行读写。电表到底如何处理该信息，是下一部分的主要内容。

具有额外功能的读写寄存器还有一种应用情况，即你想让一个写事件触发额外的功能。为了达到这种效果，必须让寄存器管理器向额外任务发送一个消息，或者更新执行额外功能所涉及的RAM内容。作为样例说明，可在寄存器管理器中搜索C030，你会找到下面这段代码：

switch(Register.Word){case0xC030://Meterconstant,realaction_value=0;for(i=4;i1;i--){action_value*=100;action_value+=(g_CommBuffer.Message[i]0xf)+(g_CommBuffer.Message[i]4)*10;}set_E_pulse(action_value);//thiswillsetE_pulsebreak;

这段代码在EEPROM的寄存器数据更新完毕之后运行。在这个条件下，主机请求改变电表常数。存储在EEPROM中的电表常数寄存器更新过后，传输到通信缓冲器的毫秒数值被转换成内部电表单位，并通过set_E_pulse函数发送给DSP程序。

只读寄存器一些只读寄存器只是简单地从EEPROM中读取数据(如用电量)，并通过电表的其它进程来更新其中的数据。然而，另外一些只读寄存器(如RMS电压)并未存储在EEPROM内。这些寄存器数据存储在EEPROM内是没有任何意义的，而且如果这样做并连续更新数据，会迅速损耗EEPROM！你可以在ProcessRegisterNumber中的表格解释里找到这些寄存器，表述为“notstoredinEEPROM”(未存储在EEPROM内)。

这些寄存器由寄存器管理器的GetSpecialRegister程序来控制。对应每个只读寄存器，程序都在switch分支选择语句中提供相应的条件。例如：

case0xB611://voltage(phaseA)g_MessageBoard.EEPROMOpPending=1;Request_RMS(RMS_VOLTAGE_REQUEST);SpinTaskWheel();while(!(DSP_CTRL0x20))SpinTaskWheel();*value=Get_RMS()/1000;g_MessageBoard.EEPROMOpPending=0;*size=2;break;

这个例子阐明了一个重要事实，即任何任务都不能挂起任务轮。case的条语句将消息板中的EEPROMOpPending标志位置为高。然后它要求DSP函数计算RMS电压值，并在DSP函数忙时递归调用任务轮。当EEPROMOpPending标志位置为高后，执行任务轮循环，并且不调用寄存器管理器，从而避免了无限递归。一旦DSP函数完成，将提取RMS值并清除EEPROMOpPending标志位。

请注意，对于这种类型的只读寄存器，不必在MAXQ3120RD.h文件中添加结构来保留EEPROM存储空间。也不必向ProcessRegisterNumber表添加成员。在处理基于EEPROM的寄存器之前，寄存器管理器主程序总要调用GetSpecialRegister。

定制DSP程序参考设计的DSP程序是一套汇编语言模块，它负责处理从ADC到脉冲生成以及电压、电流、功率和用电量的整个信号流。大部分程序不需要修改，但也许你希望修改以下方面：采用一个不同的电流或电压变换器，从而需要不同的增益因子。改变系统生成电表脉冲的方式。改变前端滤波。DSP程序是如何工作的，以及你可以安全地改变哪些单元，以下部分从较高的层次对此进行了说明