MAXQ3120多功能電表參考設計

為何要使用另一種電表

目前常用的機械結構的電表已經存在了約一個世紀。在此期間，它如實可靠地記錄著電能，因此電力公司能夠準確地向客戶收取費用。這種基于旋轉金屬圓盤的機械式千瓦-時電表不考慮輸入電壓或功率因數，只跟蹤記錄實際的用電量(圖1)。

多功能、多費率電表改變了這種狀況，從而對電能的利用更為有利。利用由微控制器控制的千瓦-時電表，電力公司可以跟蹤用戶在用電高峰時段的用電量或者超過合同規(guī)定的用電量，并據此收取更高的費用。如果用戶使用了大的感性負載，電力公司也可以收取更多費用，同時使用該數據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，不但可勝任這些任務，還可提供更多功能。本文提出一種基于maxq3120的電表參考設計，并能滿足國際電表市場的要求。

maxq3120電表參考設計

maxq3120電表參考設計為全功能、具有用戶定制功能的標準電表(圖2)。定制范圍由設計者根據市場需求而定。

maxq3120外設

maxq3120的核心是maxq20內核，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綽綽有余。因maxq3120內含兩個16位、-模數轉換器(adc)，可以精確測量瞬時電壓和電流。這兩個adc通道每48μs完成1次新的轉換，即轉換速率為20667采樣/秒。這些數據轉換器的前端帶可編程增益放大器(增益可達16倍)，非常適合監(jiān)測電壓和電流波形。要將原始電壓和電流采樣值轉換成可用的用電量信息，需要強大的數學運算能力。為此，maxq3120集成了1個帶40位累加器的16 x 16位乘法器。該乘法器在單個時鐘周期內即可完成一次運算，因與cpu內核緊密地集成在一起，所以效率極高。

maxq3120還提供一個堅固的通信模塊。包括兩路uart，其中一路具有特殊邏輯電路，可輕松實現(xiàn)紅外數據傳輸。另外，maxq3120集成了一個lcd控制器，可驅動的段數高達112段 - 與傳統(tǒng)的、常采用機電式計數器的電表相比，性能更好，更經濟。如果你需要根據每天的不同時段差異計費，則需要一個精確時鐘。maxq3120包含一個電池備份的時鐘模塊，具有亞秒計數器和報警功能。該時鐘具有數字微調功能，時鐘精度優(yōu)于4ppm (每月約10秒)。

通信 - 物理層

中國多功能電表標準規(guī)定兩種通信類型：一類是住宅樓內或小型街道的多個電表通過有線網絡連接，通過該網絡向主計算機(一般為pc)發(fā)送用戶數據；另一類是用于手持、非接觸抄表器的紅外連接。

有線網絡基于多點rs-485標準，工作速率為1200位/秒。rs-485標準將網絡規(guī)模限制為32個站點；然而，現(xiàn)在的rs-485收發(fā)器能夠支持更多的站點，遠遠超出了eia網絡規(guī)范給出的最多32個站點。例如，本參考設計使用的max3072 rs-485收發(fā)器為1/8單位負載器件，允許總線上最多掛接256個收發(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準。dl/t 645沒有使用標準紅外鏈路(如irda)來傳輸數據，而是規(guī)定了一種開/關調制技術，即有調制ir光束時表示0，無ir光束表示1。在這種方式下，通道空閑時為狀態(tài)1。字符信元的第一個1-0跳變表示起始位，與第一次探測到載波光束相對應。這一技術的細節(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。總是由主機啟動通信過程，而且每個網絡上只有一個主機。主機沒有地址。

網絡上的電表不能啟動通信過程。只有主機才能要求電表發(fā)送數據。主機不能協(xié)助解決任何意外情況，這是因為在許多情況下實際上沒有網絡。主機為手持終端，電力公司員工每個月會攜帶該終端到現(xiàn)場抄表。所有意外情況都必須由電表本身來處理。

主機到電表的數據包總長度規(guī)定不允許超過50個字符，從電表到主機的總長度不超過200個字符。在參考設計中，雙向包長度都保持為50個字符。
cmd域表示主機告訴電表如何操作。多數情況下，命令為讀或寫寄存器。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，或者設置時間或日期。

欲了解dl/t 645協(xié)議的完整說明，請參考電表參考設計規(guī)范。圖5所示為參考設計的軟件架構。

對于大多數寄存器讀操作，寄存器管理程序只需簡單地向readeeprom子程序發(fā)送請求。這一過程比表面上看起來的情況更復雜。如果eeprom仍忙于前一個寫周期操作，可能需要幾毫秒時間才能完成讀周期，cpu絕不能被任一個任務占用如此長的時間。在這些情況下，將掛起寄存器管理程序，所有其他任務繼續(xù)運行。隨后，一旦eeprom重新準備就緒，寄存器管理程序將恢復運行，并且一般會持續(xù)運行到任務完成。對eeprom的寫請求也如此處理。

非eeprom寄存器

一些寄存器讀操作所要讀取的數據并未存儲在eeprom中。對這些讀操作，寄存器管理程序必須調用一些其他資源，大多數情況下會是一些數字信號處理(dsp)程序。

例如，如果請求讀取寄存器0xb611(rms電壓，a相)，寄存器管理程序請求dsp函數來計算下一電源周期的rms電壓值。注意，在50hz電源頻率下，這可能需要長達40ms時間，因為dsp程序必須等待，直到電源電壓發(fā)生下一次正轉換，然后累計下一個周期的數據。同樣，寄存器管理程序必須發(fā)出dsp任務請求，并在dsp任務數據就緒之前處于掛起狀態(tài)。

另外，寫某些eeprom寄存器會使dsp的參數發(fā)生改變。例如，寫寄存器0xc030 (有功電表常數)必須更新eeprom來反應新數值，同時需要設置dsp程序的常數，這樣才能精確產生電表脈沖。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為電表的心臟，那么dsp子系統(tǒng)就是電表的大腦。dsp子系統(tǒng)處理絕大多數電表實際測量功能，包括：
電流和電壓的實時測量
有功功率和無功功率計算
功率因數計算
供電頻率估算
按需計算rms電壓和電流
產生電表脈沖
dsp函數是電表參考設計中惟一以中斷方式運行的代碼段。原因很清楚：要進行太多其他操作，以至軟件無法及時輪詢dsp子系統(tǒng)。該中斷每48μs產生一次，或者說8mhz時鐘頻率下每384個指令周期發(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據輸出。

中斷程序還檢測電壓通道的過零點。為避免過零檢測發(fā)生錯誤，將采樣值送給由軟件實現(xiàn)的單極點低通濾波器處理。注意，該濾波器只用于過零檢測；用于電能計算的采樣值不進行任何濾波。

產生電表脈沖

許多電表都在每使用一定量電能時產生一個脈沖。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，或采用觸點閉合方式驅動機械式計數器來指示千瓦-時用電量。參考設計中既提供了可見的脈沖led，又備有一個光耦實現(xiàn)觸點閉合功能。在給定負載下產生脈沖的速率稱為電表常數，常以每千瓦-時的脈沖數給出。因此，脈沖之間的間隔與負載的凈有功功率成反比。一般來說，產生的脈沖速率與負載功率之間的關系可由以下公式表示：
脈沖周期(秒) = 3600 / 電表常數(每kwh的脈沖數) x 負載(kw)

根據該式，對于1kw有功負載，電表常數為1600脈沖/千瓦-時的電表每2.25秒將產生一個脈沖。

本參考設計的標稱工作電壓為220v，支持的最大電流為40a。這就是說，在8.8kw的最大負載功率下，如果電表常數為1600脈沖/千瓦-時，則每256ms產生一個脈沖。所以，要在所有負載情況下保持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花費的處理能力最大，仍然需要關注其他軟件模塊。這些模塊為用戶提供需要的大多數元素，并在電表環(huán)境中執(zhí)行重要的任務。

通信子系統(tǒng)

如上所述，通信在多功能電表中至關重要。在軟件系統(tǒng)中，這一重要工作由5個任務完成，這5個任務是：串口驅動器、消息檢查器、消息譯碼器、消息格式器和消息構建器。

串口驅動器

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

但要記住：有兩個uart通道，而ram中只有一個通信緩沖器。我們必須提供一套機制來激活某一通道，并確保另一非活動通道不會對信息產生干擾。一般來說，當一個字符到達某一端口時，如果另一端口還沒有激活，則到達字符將激活該端口。

消息檢查器

消息檢查器就像哨兵一樣檢查輸入數據流，確保嚴格滿足條件的數據才能送達系統(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

消息譯碼器實際完成主機要求的操作。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要求的其他任務中起到重要作用。

例如，一個特定命令用于設置電表地址。另一特定命令用于清除電表的最大需量寄存器。有一個命令對時間和日期進行同步，還有一個獨立命令進行口令保存。其中一些操作會改變寄存器的內容，但并不是嚴格的寄存器寫操作。

消息譯碼器還必須處理多段響應數據包。因為主機可以采用單個命令以“通配符”方式讀多個相關寄存器，響應數據常常會超出通信緩沖器的容量。如果確實超出容量，電表必須發(fā)送一個標志，指示響應數據只是一部分，后續(xù)還有更多數據到達。消息譯碼器和消息格式器協(xié)同工作，使多消息響應機制平穩(wěn)運行。

消息格式器

發(fā)送寄存器數據時，消息格式器處理所有要求的格式轉換和分節(jié)。消息格式器也在寫請求之后發(fā)出應答消息。

消息構建器

作為響應信息發(fā)送前的最后一步，消息構建器對包進行格式化，并每次一個字節(jié)發(fā)送結果到串口驅動器。消息構建器是系統(tǒng)中較簡單的任務之一。它首先發(fā)送包頭字段，然后是數據，最后計算校驗和。

處理異步事件

這時，你也許會認為所有事件都是基于同一時鐘發(fā)生的，要么是驅動adc通道的采樣時鐘，要么是cpu時鐘。實際上，有許多事件無法和任何時鐘同步。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dsp子系統(tǒng)，確定何時更新eeprom。當dsp子系統(tǒng)累計到足夠的電能時，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還履行停電統(tǒng)計功能。根據dl/t 645電表標準，必須記錄每次停電情況。異步事件管理器剛好在斷電前，將時間保存到電池備份的cpu寄存器內，供電恢復后將信息恢復并存儲到eeprom中。通過這種方法，每次停電的時刻和持續(xù)時間都可以記錄下來。

時段表管理器

時段表管理器根據鐘點、日期或其他基于時鐘或日歷的標準改變計費率。

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

你也可以設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段表)，而全年中的某些天為“假日” (這樣每個假日都遵循特定的日時段表)。

結語

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