MAXQ3120多功能電表參考設(shè)計(jì)

為何要使用另一種電表

目前常用的機(jī)械結(jié)構(gòu)的電表已經(jīng)存在了約一個(gè)世紀(jì)。在此期間，它如實(shí)可靠地記錄著電能，因此電力公司能夠準(zhǔn)確地向客戶收取費(fèi)用。這種基于旋轉(zhuǎn)金屬圓盤的機(jī)械式千瓦-時(shí)電表不考慮輸入電壓或功率因數(shù)，只跟蹤記錄實(shí)際的用電量(圖1)。

多功能、多費(fèi)率電表改變了這種狀況，從而對(duì)電能的利用更為有利。利用由微控制器控制的千瓦-時(shí)電表，電力公司可以跟蹤用戶在用電高峰時(shí)段的用電量或者超過合同規(guī)定的用電量，并據(jù)此收取更高的費(fèi)用。如果用戶使用了大的感性負(fù)載，電力公司也可以收取更多費(fèi)用，同時(shí)使用該數(shù)據(jù)有助于修正這些低效情況。 maxq3120微控制器基于maxim/dallas semiconductor的maxq? risc架構(gòu)，不但可勝任這些任務(wù)，還可提供更多功能。本文提出一種基于maxq3120的電表參考設(shè)計(jì)，并能滿足國際電表市場(chǎng)的要求。

maxq3120電表參考設(shè)計(jì)

maxq3120電表參考設(shè)計(jì)為全功能、具有用戶定制功能的標(biāo)準(zhǔn)電表(圖2)。定制范圍由設(shè)計(jì)者根據(jù)市場(chǎng)需求而定。

maxq3120外設(shè)

maxq3120的核心是maxq20內(nèi)核，其工作頻率為8mhz，含有32k字節(jié)閃存和512字節(jié)ram－完成多功能電表的任務(wù)綽綽有余。因maxq3120內(nèi)含兩個(gè)16位、-模數(shù)轉(zhuǎn)換器(adc)，可以精確測(cè)量瞬時(shí)電壓和電流。這兩個(gè)adc通道每48μs完成1次新的轉(zhuǎn)換，即轉(zhuǎn)換速率為20667采樣/秒。這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的前端帶可編程增益放大器(增益可達(dá)16倍)，非常適合監(jiān)測(cè)電壓和電流波形。要將原始電壓和電流采樣值轉(zhuǎn)換成可用的用電量信息，需要強(qiáng)大的數(shù)學(xué)運(yùn)算能力。為此，maxq3120集成了1個(gè)帶40位累加器的16 x 16位乘法器。該乘法器在單個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)即可完成一次運(yùn)算，因與cpu內(nèi)核緊密地集成在一起，所以效率極高。

maxq3120還提供一個(gè)堅(jiān)固的通信模塊。包括兩路uart，其中一路具有特殊邏輯電路，可輕松實(shí)現(xiàn)紅外數(shù)據(jù)傳輸。另外，maxq3120集成了一個(gè)lcd控制器，可驅(qū)動(dòng)的段數(shù)高達(dá)112段 - 與傳統(tǒng)的、常采用機(jī)電式計(jì)數(shù)器的電表相比，性能更好，更經(jīng)濟(jì)。如果你需要根據(jù)每天的不同時(shí)段差異計(jì)費(fèi)，則需要一個(gè)精確時(shí)鐘。maxq3120包含一個(gè)電池備份的時(shí)鐘模塊，具有亞秒計(jì)數(shù)器和報(bào)警功能。該時(shí)鐘具有數(shù)字微調(diào)功能，時(shí)鐘精度優(yōu)于4ppm (每月約10秒)。

通信 - 物理層

中國多功能電表標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定兩種通信類型：一類是住宅樓內(nèi)或小型街道的多個(gè)電表通過有線網(wǎng)絡(luò)連接，通過該網(wǎng)絡(luò)向主計(jì)算機(jī)(一般為pc)發(fā)送用戶數(shù)據(jù)；另一類是用于手持、非接觸抄表器的紅外連接。

有線網(wǎng)絡(luò)基于多點(diǎn)rs-485標(biāo)準(zhǔn)，工作速率為1200位/秒。rs-485標(biāo)準(zhǔn)將網(wǎng)絡(luò)規(guī)模限制為32個(gè)站點(diǎn)；然而，現(xiàn)在的rs-485收發(fā)器能夠支持更多的站點(diǎn)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了eia網(wǎng)絡(luò)規(guī)范給出的最多32個(gè)站點(diǎn)。例如，本參考設(shè)計(jì)使用的max3072 rs-485收發(fā)器為1/8單位負(fù)載器件，允許總線上最多掛接256個(gè)收發(fā)器。

與rs-485通道不同，紅外(ir)通道不是基于眾所周知的物理層標(biāo)準(zhǔn)。dl/t 645沒有使用標(biāo)準(zhǔn)紅外鏈路(如irda)來傳輸數(shù)據(jù)，而是規(guī)定了一種開/關(guān)調(diào)制技術(shù)，即有調(diào)制ir光束時(shí)表示0，無ir光束表示1。在這種方式下，通道空閑時(shí)為狀態(tài)1。字符信元的第一個(gè)1-0跳變表示起始位，與第一次探測(cè)到載波光束相對(duì)應(yīng)。這一技術(shù)的細(xì)節(jié)信息如圖3所示。

圖4. dl/t 645規(guī)定的幀格式包括一系列固定域和可變域。該幀格式在ir和rs-485通信模式下是相同的。

沒有源地址?？偸怯芍鳈C(jī)啟動(dòng)通信過程，而且每個(gè)網(wǎng)絡(luò)上只有一個(gè)主機(jī)。主機(jī)沒有地址。

網(wǎng)絡(luò)上的電表不能啟動(dòng)通信過程。只有主機(jī)才能要求電表發(fā)送數(shù)據(jù)。主機(jī)不能協(xié)助解決任何意外情況，這是因?yàn)樵谠S多情況下實(shí)際上沒有網(wǎng)絡(luò)。主機(jī)為手持終端，電力公司員工每個(gè)月會(huì)攜帶該終端到現(xiàn)場(chǎng)抄表。所有意外情況都必須由電表本身來處理。

主機(jī)到電表的數(shù)據(jù)包總長(zhǎng)度規(guī)定不允許超過50個(gè)字符，從電表到主機(jī)的總長(zhǎng)度不超過200個(gè)字符。在參考設(shè)計(jì)中，雙向包長(zhǎng)度都保持為50個(gè)字符。
cmd域表示主機(jī)告訴電表如何操作。多數(shù)情況下，命令為讀或?qū)懠拇嫫?。但cmd域也可以命令電表清除其最大需量寄存器，接收通信口令，或者設(shè)置時(shí)間或日期。

欲了解dl/t 645協(xié)議的完整說明，請(qǐng)參考電表參考設(shè)計(jì)規(guī)范。圖5所示為參考設(shè)計(jì)的軟件架構(gòu)。

對(duì)于大多數(shù)寄存器讀操作，寄存器管理程序只需簡(jiǎn)單地向readeeprom子程序發(fā)送請(qǐng)求。這一過程比表面上看起來的情況更復(fù)雜。如果eeprom仍忙于前一個(gè)寫周期操作，可能需要幾毫秒時(shí)間才能完成讀周期，cpu絕不能被任一個(gè)任務(wù)占用如此長(zhǎng)的時(shí)間。在這些情況下，將掛起寄存器管理程序，所有其他任務(wù)繼續(xù)運(yùn)行。隨后，一旦eeprom重新準(zhǔn)備就緒，寄存器管理程序?qū)⒒謴?fù)運(yùn)行，并且一般會(huì)持續(xù)運(yùn)行到任務(wù)完成。對(duì)eeprom的寫請(qǐng)求也如此處理。

非eeprom寄存器

一些寄存器讀操作所要讀取的數(shù)據(jù)并未存儲(chǔ)在eeprom中。對(duì)這些讀操作，寄存器管理程序必須調(diào)用一些其他資源，大多數(shù)情況下會(huì)是一些數(shù)字信號(hào)處理(dsp)程序。

例如，如果請(qǐng)求讀取寄存器0xb611(rms電壓，a相)，寄存器管理程序請(qǐng)求dsp函數(shù)來計(jì)算下一電源周期的rms電壓值。注意，在50hz電源頻率下，這可能需要長(zhǎng)達(dá)40ms時(shí)間，因?yàn)閐sp程序必須等待，直到電源電壓發(fā)生下一次正轉(zhuǎn)換，然后累計(jì)下一個(gè)周期的數(shù)據(jù)。同樣，寄存器管理程序必須發(fā)出dsp任務(wù)請(qǐng)求，并在dsp任務(wù)數(shù)據(jù)就緒之前處于掛起狀態(tài)。

另外，寫某些eeprom寄存器會(huì)使dsp的參數(shù)發(fā)生改變。例如，寫寄存器0xc030 (有功電表常數(shù))必須更新eeprom來反應(yīng)新數(shù)值，同時(shí)需要設(shè)置dsp程序的常數(shù)，這樣才能精確產(chǎn)生電表脈沖。在這些情況下，寄存器管理程序首先更新eeprom，然后執(zhí)行必要的計(jì)算，更新受寄存器寫操作影響的ram變量。

dsp子系統(tǒng)的功能
如果稱寄存器管理程序?yàn)殡姳淼男呐K，那么dsp子系統(tǒng)就是電表的大腦。dsp子系統(tǒng)處理絕大多數(shù)電表實(shí)際測(cè)量功能，包括：
電流和電壓的實(shí)時(shí)測(cè)量
有功功率和無功功率計(jì)算
功率因數(shù)計(jì)算
供電頻率估算
按需計(jì)算rms電壓和電流
產(chǎn)生電表脈沖
dsp函數(shù)是電表參考設(shè)計(jì)中惟一以中斷方式運(yùn)行的代碼段。原因很清楚：要進(jìn)行太多其他操作，以至軟件無法及時(shí)輪詢dsp子系統(tǒng)。該中斷每48μs產(chǎn)生一次，或者說8mhz時(shí)鐘頻率下每384個(gè)指令周期發(fā)生一次。中斷程序占到cpu處理能力的25%到30%。中斷程序提供多組數(shù)據(jù)輸出。

中斷程序還檢測(cè)電壓通道的過零點(diǎn)。為避免過零檢測(cè)發(fā)生錯(cuò)誤，將采樣值送給由軟件實(shí)現(xiàn)的單極點(diǎn)低通濾波器處理。注意，該濾波器只用于過零檢測(cè)；用于電能計(jì)算的采樣值不進(jìn)行任何濾波。

產(chǎn)生電表脈沖

許多電表都在每使用一定量電能時(shí)產(chǎn)生一個(gè)脈沖。電表脈沖可以采用led閃爍的方式提供可見的用電指示信號(hào)，或采用觸點(diǎn)閉合方式驅(qū)動(dòng)機(jī)械式計(jì)數(shù)器來指示千瓦-時(shí)用電量。參考設(shè)計(jì)中既提供了可見的脈沖led，又備有一個(gè)光耦實(shí)現(xiàn)觸點(diǎn)閉合功能。在給定負(fù)載下產(chǎn)生脈沖的速率稱為電表常數(shù)，常以每千瓦-時(shí)的脈沖數(shù)給出。因此，脈沖之間的間隔與負(fù)載的凈有功功率成反比。一般來說，產(chǎn)生的脈沖速率與負(fù)載功率之間的關(guān)系可由以下公式表示：
脈沖周期(秒) = 3600 / 電表常數(shù)(每kwh的脈沖數(shù)) x 負(fù)載(kw)

根據(jù)該式，對(duì)于1kw有功負(fù)載，電表常數(shù)為1600脈沖/千瓦-時(shí)的電表每2.25秒將產(chǎn)生一個(gè)脈沖。

本參考設(shè)計(jì)的標(biāo)稱工作電壓為220v，支持的最大電流為40a。這就是說，在8.8kw的最大負(fù)載功率下，如果電表常數(shù)為1600脈沖/千瓦-時(shí)，則每256ms產(chǎn)生一個(gè)脈沖。所以，要在所有負(fù)載情況下保持1%的精度，電表脈沖必須精確到約2.5ms。

其它所有模塊

盡管寄存器管理程序是系統(tǒng)中的最大功能模塊，dsp花費(fèi)的處理能力最大，仍然需要關(guān)注其他軟件模塊。這些模塊為用戶提供需要的大多數(shù)元素，并在電表環(huán)境中執(zhí)行重要的任務(wù)。

通信子系統(tǒng)

如上所述，通信在多功能電表中至關(guān)重要。在軟件系統(tǒng)中，這一重要工作由5個(gè)任務(wù)完成，這5個(gè)任務(wù)是：串口驅(qū)動(dòng)器、消息檢查器、消息譯碼器、消息格式器和消息構(gòu)建器。

串口驅(qū)動(dòng)器

乍一看，串口驅(qū)動(dòng)器好像沒有什么作用。畢竟，maxq外設(shè)中的uart系統(tǒng)基本上是自動(dòng)工作的。如果要發(fā)送一個(gè)字符，你只需將其置于輸出緩沖器中；要接收一個(gè)字符，你只需讀輸入緩沖器即可。

但要記?。河袃蓚€(gè)uart通道，而ram中只有一個(gè)通信緩沖器。我們必須提供一套機(jī)制來激活某一通道，并確保另一非活動(dòng)通道不會(huì)對(duì)信息產(chǎn)生干擾。一般來說，當(dāng)一個(gè)字符到達(dá)某一端口時(shí)，如果另一端口還沒有激活，則到達(dá)字符將激活該端口。

消息檢查器

消息檢查器就像哨兵一樣檢查輸入數(shù)據(jù)流，確保嚴(yán)格滿足條件的數(shù)據(jù)才能送達(dá)系統(tǒng)其他部分。特別是消息格式必須正確，必須尋址該電表或者具有廣播地址，校驗(yàn)和必須正確，并且必須具有合理的命令域。

消息譯碼器

消息譯碼器實(shí)際完成主機(jī)要求的操作。通常，要求的操作是讀寫寄存器，但消息譯碼器還在完成主機(jī)要求的其他任務(wù)中起到重要作用。

例如，一個(gè)特定命令用于設(shè)置電表地址。另一特定命令用于清除電表的最大需量寄存器。有一個(gè)命令對(duì)時(shí)間和日期進(jìn)行同步，還有一個(gè)獨(dú)立命令進(jìn)行口令保存。其中一些操作會(huì)改變寄存器的內(nèi)容，但并不是嚴(yán)格的寄存器寫操作。

消息譯碼器還必須處理多段響應(yīng)數(shù)據(jù)包。因?yàn)橹鳈C(jī)可以采用單個(gè)命令以“通配符”方式讀多個(gè)相關(guān)寄存器，響應(yīng)數(shù)據(jù)常常會(huì)超出通信緩沖器的容量。如果確實(shí)超出容量，電表必須發(fā)送一個(gè)標(biāo)志，指示響應(yīng)數(shù)據(jù)只是一部分，后續(xù)還有更多數(shù)據(jù)到達(dá)。消息譯碼器和消息格式器協(xié)同工作，使多消息響應(yīng)機(jī)制平穩(wěn)運(yùn)行。

消息格式器

發(fā)送寄存器數(shù)據(jù)時(shí)，消息格式器處理所有要求的格式轉(zhuǎn)換和分節(jié)。消息格式器也在寫請(qǐng)求之后發(fā)出應(yīng)答消息。

消息構(gòu)建器

作為響應(yīng)信息發(fā)送前的最后一步，消息構(gòu)建器對(duì)包進(jìn)行格式化，并每次一個(gè)字節(jié)發(fā)送結(jié)果到串口驅(qū)動(dòng)器。消息構(gòu)建器是系統(tǒng)中較簡(jiǎn)單的任務(wù)之一。它首先發(fā)送包頭字段，然后是數(shù)據(jù)，最后計(jì)算校驗(yàn)和。

處理異步事件

這時(shí)，你也許會(huì)認(rèn)為所有事件都是基于同一時(shí)鐘發(fā)生的，要么是驅(qū)動(dòng)adc通道的采樣時(shí)鐘，要么是cpu時(shí)鐘。實(shí)際上，有許多事件無法和任何時(shí)鐘同步。這些事件由異步事件管理器處理。

例如，異步事件管理器監(jiān)測(cè)dsp子系統(tǒng)，確定何時(shí)更新eeprom。當(dāng)dsp子系統(tǒng)累計(jì)到足夠的電能時(shí)，就向異步事件管理器告警，接下來異步事件管理器開始更新eeprom寄存器。異步事件管理器同時(shí)還履行停電統(tǒng)計(jì)功能。根據(jù)dl/t 645電表標(biāo)準(zhǔn)，必須記錄每次停電情況。異步事件管理器剛好在斷電前，將時(shí)間保存到電池備份的cpu寄存器內(nèi)，供電恢復(fù)后將信息恢復(fù)并存儲(chǔ)到eeprom中。通過這種方法，每次停電的時(shí)刻和持續(xù)時(shí)間都可以記錄下來。

時(shí)段表管理器

時(shí)段表管理器根據(jù)鐘點(diǎn)、日期或其他基于時(shí)鐘或日歷的標(biāo)準(zhǔn)改變計(jì)費(fèi)率。

內(nèi)部日歷選擇有效的日時(shí)段表。每天午夜，電表都檢查是否有新的日時(shí)段表生效。在以上圖表中，日時(shí)段表5從4月后期生效，一直持續(xù)到6月初，然后日時(shí)段表3生效。

你也可以設(shè)置一周中的某些天為"周末"日期(這樣全年都遵循某一特定日時(shí)段表)，而全年中的某些天為“假日” (這樣每個(gè)假日都遵循特定的日時(shí)段表)。

結(jié)語

maxq3120電表參考設(shè)計(jì)構(gòu)成了多功能、多費(fèi)率電表的基礎(chǔ)。可以從本設(shè)計(jì)出發(fā)，構(gòu)建適合自己特定需求的電表。為進(jìn)一步給用戶提供幫助，dallas semiconductor/maxim提供硬件和軟件調(diào)試器以及開發(fā)工具。有許多供應(yīng)商提供第三方開發(fā)工具?？梢詮奈覀兙W(wǎng)站的maxq?開發(fā)工具找到所有這些信息。