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利用闪存MCU实现农网表应用方案 |
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作者：上海海尔集成电路有限公司 张国华 |
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国内民用单相表一般可分为机械式电能表(感应式电能表)和电子式电能表两大类。过去机械式电能表的市场保有量比较大，但由于机械式电能表存在重量大、成本高、信息采集不方便等缺点，因而正在逐渐退出市场；而电子式电能表经过近20年的发展，在技术上正日趋成熟。
新一代电子式电能表也称智能电表，该产品具备诸多优点，例如功能扩展方便；便于信息化集中管理；节约材料能源；灵敏度高；精度高；一致性好；误差曲线平稳；便于自动化生产；耐机械振动能力强；重量轻等。因此随着技术日趋成熟，此类产品的市场认知度显著提升，现已经成为国内民用单相表的主流。
近几年来，国内各省陆续推出自己的技术规范，但各省的技术规范有一定的差异。农网表是智能电表的一种，目前国家电网公司已统一了农网表的技术规范。本文介绍的农网表方案完全满足国家电网公司智能电能表技术规范的要求，该方案基于上海海尔集成电路有限公司开发的一款8位闪存MCU HR6P71F。
HR6P71F芯片特点
1、内核
采用高性能哈佛型RISC CPU内核，具有48条精简指令，工作频率为DC~16MHz，8级PC硬件堆栈，复位向量位于000H，默认中断向量位于004H，支持中断向量表，支持中断处理，共有14个中断源。
2、存储资源
具有4Kx15位FLASH程序存储器和224x8位SRAM数据存储器；程序存储器支持直接寻址和相对寻址；数据存储器支持直接寻址和间接寻址。
3、I/O端口
共有15个I/O端口，包括PA端口(PA0~PA4，PA6~PA7)和PB端口(PB0~PB7)。
4、外设
一个8位定时器T8；一个8位PWM时基定时器T8P；一个16位定时器T16N；一路通用异步收发器UART；7通道8位模拟数字转换器ADC；两个模拟比较器ACP和一个参考电压模块。
5、特殊功能
有一个高精度内部4M振荡器，出厂时精度校准为±5%；支持低功耗休眠模式及唤醒操作；内嵌上电复位电路和低电压复位电路；支持外部复位；支持独立硬件看门狗定时器；支持在线编程(ISP)接口；支持编程代码保护；工作电压范围为3.5V~5.5V；工作温度范围为-40℃~85℃。
系统方案设计
1、基本功能
基于微控制器HR6P71F的农网表方案主要实现有功电能信号的采集、电量存储与显示，并通过RS485或者红外的方式通信，实现信息传输等功能。
1) 有功电能信号的采集
该方案的电能计量部分采用ADE7755芯片，通过对电压电流回路信号的采集，将电能值转换成相应的电能脉冲信号，MCU通过对电能脉冲信号采集和计算，转换为相应的计量数值，同时具备正、反相有功电能计量的功能。
2) 电量存储与显示
MCU采集到电能信号后，及时存储到EEPROM中，保证存储的数据不被丢失，并且能保持10年以上，通过LCD显示信息，例如电量总数等。
3) 通信
支持RS485通信和红外通信。在RS485通信情况下，自动抄表系统可根据电表地址实现远程自动抄表功能，通信距离：不小于1,200m(每两个接点之间)，为了安全保护电表，RS485通信接口必须和电表内部电路实行电气隔离，并有失效保护电路。红外通信距离应该大于 5米，通信角度≥±15°，红外通信和 RS485 通信在物理层必须独立，一种通信信道的损坏不得影响另一信道。
2、硬件设计
该方案在硬件上由三部分组成，一是电能计量部分，二是MCU控制部分，三是通信部分。
电能计量部分与MCU控制部分通过光电耦衔接，实现完全隔离，电能计量部分主要完成有功电能脉冲输出，用于校表、采集电能量；无源光电隔离型输出端口；波形是标准方波， 脉冲宽度为80ms±20ms。RS485通信部分与MCU控制部分也是通过光电耦衔接，实现完全隔离；红外通信部分与MCU控制部分共同使用一个电源，没有隔离。
3、软件设计
主程序流程图如图所示,在主程序中主要实现以下功能：1)系统初始化的配置主要实现端口初始化、AD模块初始化、T8P和T16定时器的初始化以及UART的初始化等；2)上电读取EEPROM中存储的电量到芯片的RAM区，配置到对应的电能计量单元中，其中读取EEPROM数据使用的是普通I/O口模拟IIC的方法；3)LCD显示当前的总用电量等信息，方便用户查阅；通信模块主要是把电表内的一些信息，例如电表号，累计总用电量，电表密码等与主站服务器实现信息交流；4)当查询到电量存储的标志后，程序将把当前的电量存储到EEPROM中，当AD模块检测到有电源掉电时，程序将保存当前的电量存储到EEPROM中。
主程序流程图
中断服务程序如图所示。在中断服务服务中，外部端口中断主要处理电能脉冲计量，配合T16的定时功能。当电能计量信号有效后，在程序中累加，以0.01度电为基准累加。当累计到一度电时，产生存储标志位，在主程序中查询到该标志位后，经进行存储工作。T8P将作为红外通信的时基处理红外通信。接收中断处理是将接收的数据放到计划好的RAM区，在主程序的RS485通信子程序中根据命令字完成相应的工作；发送中断处理是将准备好的数据发送出去。
中断服务程序
方案设计注意事项
在该方案中，电能计量是关键，因为关系到用户的电能计费，既不能多计也不能少计，一定要把用户的实际用电量真实记录下来。但是电网的环境复杂，电网中的负载也存在多样化，电表在实际应用中，即使在遇到强电磁干扰的情况下都不允许漏记或者多计脉冲。因此，如何保证计量电能脉冲的准确性就是电表方案的重点。要点如下：
1)硬件支持。好的硬件设计能在一定程度上削弱电磁干扰信号；
2)HR6P71F芯片的外部中断口内有滤波电路，可以保证去除一部分失效信号或者干扰信号；
3)程序中的设计技巧。因为电能脉冲波形是标准方波，脉冲宽度为80ms±20ms，需要定时器T16来定时40ms~50ms左右，以确保脉冲信号的有效。在中断服务程序中，进入中断后第一个要检测的就是外部中断信号，中断服务程序要尽量短，在服务程序中设置标志位，到主程序中处理标志即可。
整个系统的性能可靠性需要硬件来支持，对芯片的要求也非常高。HR6P71F芯片内部有独特的抗干扰设计，能在强干扰的环境中正常工作，识别有效信号，去除失效信号；芯片内部的上电复位电路和掉电复位电路，能保证电表在电网中电压缓升缓降的环境下仍然有效工作；此外，独立RC的看门狗电路也是保证系统安全的基本措施之一。
本文小结
目前电能表市场的竞争愈加激烈，随着中国本土半导体厂商逐渐成长起来，产品日益成熟，越来越多的电能表厂家开始尝试国产芯片。HR6P71F芯片在电能表上EFT的测试能达到4.5kV以上，可以通过各种电磁干扰性能测试，高性价比的整体方案可帮助电能表厂商提升产品竞争力。(end)
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(8/10/2011) |
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