采用MC68HC908LJl2的新型三相電能計量系統(tǒng)方案

電能計量系統(tǒng)是衡量電能消費(fèi)數(shù)量的計量儀器，其技術(shù)性要求很高。它既要求能精確計量，更要求能穩(wěn)定工作，并能保證長期高度的可靠性。目前，由于近年來能源的日益緊張，電力供應(yīng)時常出現(xiàn)短缺現(xiàn)象，各地紛紛采取了各種應(yīng)對措施，很多地區(qū)不約而同地出臺了峰谷分時電價和避峰電價政策，因此，多費(fèi)率表市場需求進(jìn)一步加大，尤其是大工業(yè)用戶，對三相多費(fèi)率表的需求快速增長。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，電能計量系統(tǒng)正在向智能化、多功能的方向發(fā)展，可以測量多種參數(shù)，并可實(shí)現(xiàn)自動抄表、分時費(fèi)率、實(shí)時費(fèi)率、預(yù)付費(fèi)等多種功能的測量電路和集成化、模塊化已成為未來發(fā)展的趨勢。本設(shè)計中的電能計量系統(tǒng)正是基于這一背景，集檢測、計量、控制、存儲、顯示、通信等模塊于一身，并且可實(shí)現(xiàn)峰谷分時的復(fù)費(fèi)率計量。

1 電能計量系統(tǒng)的總體設(shè)計方案
電能計量系統(tǒng)最重要的功能是精確測量各種電能參數(shù)，如電壓、電流、有功功率、無功功率、頻率、功率因數(shù)、欠壓和斷相檢測、諧波分析等。本系統(tǒng)采用專用計量芯片來檢測電信號，同時配以CPU編程來實(shí)現(xiàn)多種功能。系統(tǒng)主要由檢測、計量、控制、存儲、顯示、鍵盤、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)時數(shù)據(jù)輸入到計量芯片中。計量芯片通過對各個輸入信號進(jìn)行計量，可將計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)過處理后送到存儲器中儲存，同時送到顯示部分進(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個字符。如果需要實(shí)現(xiàn)分時費(fèi)率的功能，則可以在編程時將各時段的電價編入程序中，然后通過實(shí)時時鐘測量時間，以確定此時段的電價并加以分時計費(fèi)。通信接口采用RS-485通信模塊來和上位機(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個引腳而且使用簡單、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量設(shè)計的8位MCU，是基于HC08架構(gòu)的通用器件，具有12K字節(jié)的Flash存儲器、512字節(jié)的RAM，以及一個紅外通信接口、一個串行外設(shè)接口、一個AD轉(zhuǎn)換器、8個鍵盤輸入中斷和一個LCD驅(qū)動器模塊。電能計量芯片可選擇三相電能計量芯片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)部的電壓檢測電路可以保證加電和斷電時正常工作，它提供有一個SPI接口，可以方便地與外部MCU之間進(jìn)行計量參數(shù)以及校標(biāo)參數(shù)的傳遞。存儲器則可采用帶有SPI接口的鐵電存儲器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SPI接口進(jìn)行。SPI接口(即串行外圍設(shè)備接口)是一種時鐘和數(shù)據(jù)同步的串行接口，共使用四個引腳：CS、SCLK、DIN、DOUT，芯片通過它可以與任何具有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接口能支持多個器件掛在同一個總線上，并通過片選信號區(qū)分每一個器件，因此，F(xiàn)M33256和ATT7022B都可通過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)時時鐘RTC包括一個32．768 Hz的晶振、時鐘分頻器和供用戶訪問的寄存器系統(tǒng)。它由晶振提供時基信號以獲得時間，其內(nèi)其部的靜態(tài)寄存器可為用戶提供對時間的讀寫訪問，寄存器包括秒、分、時、星期、日、月、年。時間寄存器則可通過位于00H的R、W位與時間內(nèi)核同步。R位用于讀時間，將R位從0改變?yōu)閘時，時間信息從內(nèi)核傳入保持寄存器以供用戶讀取，如果R位被設(shè)置時，內(nèi)核時間更新正在進(jìn)行，那么在時間更新結(jié)束才能裝載用戶寄存器，同時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)時間內(nèi)核。在實(shí)際布線時，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加入地環(huán)，且晶振引線長度應(yīng)小于5 mm。并對地線底層鋪銅。該電能表系統(tǒng)充分利用了實(shí)時時鐘的特點(diǎn)，可在正常工作時，用它為系統(tǒng)提供精確的時間。另外，當(dāng)系統(tǒng)掉電時，可啟用后備3．6 V電源，以記錄實(shí)時掉電時間。并在系統(tǒng)中將它存儲在FM33256中。