基于MSP430的智能电能表设计.docx
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基于MSP430的智能电能表设计
2011-2012德州仪器C2000及MCU创新设计大赛
项目报告
题目：
基于MSP430的智能电能表设计
学校：
山东科技大学
组别：
专业组
应用类别：
仪器仪表类
平台：
MSP430
题目：
基于MSP430的智能电能表设计
摘要
基于炬力公司的高精度电能计量芯片ATT7022B，本文以超低功耗单片机MSP430F149为控制器，设计了一款三相多功能电能表。
该电表围绕DL/T614-2007《多功能电能表》的技术要求和功能规范进行了设计。
文中详细介绍了该多功能电能表的软硬件设计方案。
Thispapertookultralow-powerconsumptionMCUMSP430F149asacontroller,designedathree-phasemulti-functionmeterbasedonthehigh-precisionenergymeasurementICATT7022BfromJuLicompany.ThismeterdesignedwiththetechnicalrequirementsandfunctionalspecificationsofDL/T614-200《Multi-functionMeter》.Thepaperintroducesthehardwareandsoftwaredesignofthemulti-functionmeterindetail.
引言
随着我国电力事业的蓬勃发展和人民群众生活水平的不断提高，电力已成为人们生活、工作中必不缺少的组成部分。
并且，用电的高峰和低谷存在的较大差距，对传统的供电和用电管理系统提出了更高的要求。
国家陆续提出了建设智能电网实现现代化供用电的管理方法，包括电能表具有阶梯电价和自动远程抄表功能。
随着电子技术的发展，电子式电能表以其高精确度、高可靠性和容易调校等优点逐渐取代了传统的机械式电能表。
目前，电子式电能表正朝着复费率、多功能的方向发展，如：
智能电表、费控电表及多功能电表等。
随着居民用户电表数量的增加，人工抄表已经无法满足电力系统的管理和服务的需求。
人工抄表的工作越来越繁重，效率低、误差大、成本高，数据的统计分析准确率低且滞后，无法实现实时抄表、分时计费、实时监测供用电情况。
电力系统迫切需要电力网络技术支持，以便及时准确的获得用电管理、收费管理、供用电线损统计、分析及电力安全运行等各方面的信息。
为了满足电力部门对电力网络信息系统的要求，现时段研究电能管理与自动抄表系统，可为智能电网的建设奠定良好的基础。
1.系统方案与论证
1.1电参量采集方案对比
方案一采用多通道数据采集+CPU运算处理
本方案采用传统的数据采集方案，将三相电压、三相电流信号通过分时较高频率的采样后，经12位以上的A/D转换芯片变成数字量送给MCU，MCU测量各相电压与电流之间的相位差，再通过功率、电能数学公式的大量乘加计算，从而得到系统要求的各种电参数。
经网上查询，这种方案约15年前在设计较为简单的电子式电能表中得到过应用，但电路原理极其复杂，MCU运算量十分庞大，性能不高，造价却很高。
方案二采用智能电能计量芯片
与传统的电参数采集处理方法相比，智能电能计量芯片具有专用性极高、价格低廉等显著优点，采用智能电能计量芯片作为电能表的核心元件是目前电能表行业的标准设计方法。
MCU只需通过SPI串行接口把电参数从该芯片中读出，再经简单处理即可完成操作，这大大减轻了MCU的负担。
该方案具有成本低廉、性能优越、外围电路简单、调试简单等优点。
本设计选用方案二，以TI公司的MSP430F149单片机为控制器，炬力公司的ATT7022B为电能计量芯片，控制器通过SPI总线与ATT7022B进行通信，获取电能、功率等相关参数。
同时系统还包括时钟、通信及LCD显示等外围电路。
电能表主要功能特点如下：
1）测量、记录并显示电能表的总及各分相电压、电流、功率以及功率因数等参数；
2）支持分时计量功能，可实现多时段复费率计费功能；
3）支持广播校时功能，可以自动完成时钟的调校，保证计费的精确度；
4）具有485、红外通信接口，方便实现远程抄表、远程调校及手持抄表等功能；
5）具有停电抄表、失压、失流及断相监测功能；
6）具有多功能测试接口，可输出日记时误差信号、电能脉冲信号等；
7）充分利用MSP430单片机的低功耗特性，实现了三相断相情况下可长时间正常运行的要求。
1.2系统设计
根据功能要求，设计了如下的整体方案：
系统包括三相多功能智能电表、红外遥控抄表器以及上位机抄表软件。
系统结构框图如图1所示。
图1系统结构框图
红外遥控抄表器通过红外通信的方式完成对电能表内数据的抄取，通过RS485总线与电能表通信，实现对电能表的监测。
电能表主要由电能计量单元、电源管理、微控制器、通信单元、时钟、显示模块、报警模块、广播校时模块等组成，系统结构框图如图2所示，
图2电能表系统结构框图
1、互感器完成大电压和大电流信号到小电流信号的转换。
2、电能计量模块采集互感器转换的电流信号，完成对电能的计量。
3、电能管理模块为系统提供3V、5V电源，并且完成对时钟电池和系统后备电池的充电管理。
4、显示模块完成对相关数据的显示。
5、报警模块主要完成断相、失压、电池欠压等报警功能。
6、通信模块包括红外和485通信两部分，提供了红外收发和RS485两种通信接口，辅助完成实现远程抄表、手持抄表等功能。
7、广播校时模块通过接收中国人民广播电台的整点报时信号，完成对内部时钟的校准。
8、时钟模块为系统提供一个准确的时间，辅助完成分时计量功能。
2.系统硬件设计
2.1微控制器
系统主控制器选用了MSP430F149单片机，该芯片是一种超低功耗微处理器，采用精简指令集结构，内部具有ESD保护，抗干扰能力强。
同时，MSP430F149采用16位总线，寻址范围可达64K，片内集成有1个硬件乘法器、2个16位定时器、2路USART、48个I/O口等丰富资源。
凭借高可靠性和超低功耗的特点，MSP430系列单片机被广泛应用于电子产品的设计开发。
2.2电源模块
整个系统需要两个等级的电压：
5V、3V。
电源模块的结构框图如图3所示。
图3电源模块结构框图
为满足国标中提出的“三相三线断一相、三相四线断两相时，电能表能正常工作”的要求，本系统电源采用了今升阳科技研发的LO10-26D0512-04型三相四线制电表专用开关电源。
该电源模块具有超宽输入范围：
65～460VAC/90～650VDC，具有输出过流、短路、过压保护功能，具有输入欠压、过压关断保护，效率可高达78%，+5V输出。
为满足国标“断电后应保持内部时钟正确工作时间累计不少于5年”和“备用时钟电源容量≥1.2Ah”的要求，本设计采用1500mAh的环保型锂离子电池。
该电池额定电压为3.7V，最高电压为4.2V。
本设计选用的时钟芯片PCF8563正常工作电压为1.0V～5.5V,该锂电池可直接为PCF8563供电。
如图4所示，本设计采用TI公司研发的BQ24202型锂离子充电管理芯片对锂电池进行管理。
BQ24202是单片式锂电池充电管理芯片，内部集成最大电流可达500mA的powerFET,具有充电状态指示功能。
BQ24202体积小、功耗低、外围电路简单，使用十分方便，是一款非常好的锂电池充电管理芯片。
图4锂电池充电电路及3V电源
由于锂电池的额定电压为3.7V,考虑到断电后需继续提供3V电源，并且为了最大程度的利用锂电池电量，本设计选用了TI研发的一款低压差线性稳压电源TLV70230。
TLV70230具有非常低的跌落电压，其输出电流为300mA时，跌落电压仅为200mV。
TLV70230输出+3V电源，可在外部线路断电后为CPU、LCD、红外抄表、报警电路、JTAG、BSL等供电。
系统+3V电源电路如图4所示。
为实现RS485接口与电能表内部电路的电气隔离，本设计使用了B0505LM型隔离式DC-DC电源模块及光耦PC817。
B0505LM输出的5V电源单独为485通信电路供电。
另外，广播校时和电能计量部分直接由开关电源输出的5V电源供电。
2.3电能计量
专用电能计量芯片以电路简单、精度高、编程方便、简化电表结构等多种优势，目前已经成为电子式电能表设计的基本思路。
目前国内常用的电能计量芯片有美国ADI公司的ADE775X系列、深圳炬力公司的ATT7022X系列等。
ADE775X计量芯片可提供各分相参数，但不提供功率因数、相角及合相电能等参数；而ATT7022X可以提供详细的电能参数。
根据多功能电能表的设计要求，系统采用炬力公司高精度的三相电能专用计量芯片ATT7022B。
该芯片适用于三相三线和三相四线制应用，集成了7路二阶Σ-ΔADC、参考电压电路以及功率、能量、有效值、功率因数和频率测量等数字信号处理电路，充分满足了三相多功能电能表的设计需求，其外围电路如图5所示。
图5ATT7022B计量电路
通过将SEL引脚拉高，使ATT7022B工作于三相四线制计量方式；同时，利用CFx引脚输出有功和无功脉冲，进行校表；电路采用6路测量通道，分别对三相电压、三相电流进行采样，并实时监测失压、失流及断相等异常运行状态。
在电压电流采样电路中，系统采用互感器接入方式，通过电流型电压互感器将电压信号转化为电流信号，再经电阻转化为电压信号，同时用电流互感器获得电流信号，经电阻转化为电压信号。
每相的电压、电流采样电路如图6所示。
图6电压、电流采样电路
由于ATT7022B的电压通道对应的ADC的输入为0.5V、电流通道的ADC输入为0.1V左右时精度最高，故针对不同的额定工作值，可通过改变互感器变比、互感器二次侧的并联电阻值或ATT7022B的电压放大倍数等，使ATT7022B进入最佳的计量状态。
图6中，针对额定电压220V、额定电流1A的工作条件，电压采样电路选用1:
1的电流型电压互感器，通过在互感器一次侧串联110KΩ的电阻，并在互感器二次侧并联240Ω的电阻，使电压采样信号在0.5V左右；电流采样电路选用1A/1mA的电流互感器和100Ω的并联电阻，使电流采样信号在0.1V左右。
实际运行中，通过监测采样电压、电流的大小，并改变ATT7022B的电压放大倍数使其工作在最佳计量状态。
2.4通信
针对电能表的手持抄表功能的需要，系统引入红外通信方式。
与其它通信方式一样，红外通信容易受到环境条件的干扰，其干扰源主要是白炽灯光与太阳光。
而采用高发射功率的红外发射管及使用带有滤光器的接收器可以大大提高通信的抗干扰能力。
设计中，选用高效率的TSAL6200作为发射管，一体化红外接收器HS0038作为接收管。
其中，TSAL6200的光功率达35mW，能有效增强红外通信的抗干扰能力；HS0038接收器将光敏二极管、前置放大器和解调器封装为一体，具有接收红外信号、内置信号放大、38KHz滤波、波形检测输出的作用。
发送电路中，控制器的输出信号与38KHz调制信号经74HC02调制并反相，调制输出信号再经9013反相后驱动发射管TSAL6200。
其中调制信号由38KHz晶振通过计数器CD4060产生。
接收电路中，HS0038的输出信号直接送入控制器接收引脚。
目前，远程抄表正逐渐成为主流抄表方式，为使系统具备远程抄表及远程调校功能，设计采用差分数据收发器SN75LBC184构成RS485通信电路。
相比MAX485收发芯片，SN75LBC184内置高能量瞬变噪声保护装置，显著提高了抵抗数据同步传输电缆上的瞬变噪声的可靠性；同时，SN75LBC184允许在总线上挂接64个设备，而MAX485只允许挂接32个设备。
在RS485通信电路中，控制器通过光电耦合器用的PC817与SN75LBC184接口，有效地隔离了通信电路中的干扰，同时实现了微控制器与SN75LBC184之间的电平转换。
2.5广播校时
为保证时钟芯片计时准确，系统引入广播校时功能以完成自动校时。
如图9所示，广播校时电路由收音机芯片和解码电路组成。
收音机芯片采用的是飞利浦公司生产的TEA5767，其收音频率范围为87.6MHz～108MHz，内置调频中频选择，I2C总线控制。
图9广播校时电路结构图
校时信号采用中央人民广播电台的整点对时信号，该校时信号由五声频率为800Hz的信号和一声频率为1600Hz的信号组成。
设计采用LM567音调译码器对上述信号解码。
LM567为通用锁相环电路音调译码器，当LM567的3脚输入幅度≥25mV、频率在其带宽内的信号时，8脚由高电平变成低电平。
收音机信号经滤波电容由LM567的3脚输入，锁定频率由5脚和6脚间的电阻、电容值决定。
通过调节5脚和6脚之间的电阻值可以改变锁定频率。
2.6时钟
按照国标的分时计量要求，实现多时段的复费率计费功能，系统选用低功耗的CMOS时钟芯片PCF8563。
PCF8563是PHILIPS公司推出的一款工业级内含I2C总线的具有极低功耗的多功能时钟/日历芯片。
PCF8563的多种报警功能、定时器功能、时钟输出功能以及中断输出功能能完成各种复杂的定时服务。
是一款性价比极高的时钟芯片。
2.7显示
针对国家电网宣贯材料的显示要求，系统采用深圳普瑞翔电子的国网电表段码液晶。
该液晶可对四象限有功、无功电能、各分相电压、电流、需量以及尖峰平谷等参数进行显示，满足多功能电表的显示要求。
LCD驱动芯片选用罗姆公司的BU9799KV，该芯片可驱动多达4*50段，正常工作电压为2.5V～5.5V，完全符合本设计的要求。
BU9799KV可通过I2C总线接口与MCU进行连接，内部集成有晶振电路，不需要任何外部器件，具有等待模式和闪烁功能。
图10LCD显示屏
3.系统软件设计
3.1多功能电表的程序设计
程序上电后，首先对系统资源进行初始化，包括对PCF8563的时间设置，初始化液晶显示器LCD，对电能芯片ATT7022B的各寄存器设置，红外及485通讯使能，广播校时端口初始化等。
主程序中是对各种功能标识的判断，符合则进行该项功能的设置，例如：
切换波特率、切屏显示、红外抄表、485通讯、广播校时等。
所有功能的标识均在定时器中断、串口中断、外部中断等中断服务函数内置位。
目前存储电能的间隔时间为1分钟，LCD循环显示间隔约5s，液晶主要显示当前的日期时间、电压电流，电能及红外通讯或485通讯状态等。
主程序采用程控扫描是否有键操作，可通过按键修改波特率。
接收上位机或者红外通信的抄表命令都是通过串口中断实现的，设计中，发送数据采用查询方式，接收数据采用中断方式。
3.2红外遥控器的程序设计
红外遥控器在键盘的操作下向多功能电表发送抄表命令，然后等待多功能电表返回数据，返回的数据显示在LCD液晶模块1602上，目前只能抄收电能值。
图11抄表上位机软件界面
3.3简易上位机抄表软件
简易抄表软件采用C++语言编写，由于时间关系，没有实现数据库的历史存储等功能，抄表软件目前具有密码验证功能，能抄收三相电压、电流、三相有功功率、无功功率、总有功功率、总无功功率、功率因数、电网频率、有功电能、无功电能等信息，能修改波特率等通信参数，抄表界面如图11所示。
3.4通信协议的制定
3.4.1与上位机抄表软件的协议
上位机（PC）与电能表，电能表与上位机的数据字节格式均为：
帧格式参照2009年10月国家电网公司发布的1级三相智能电能表技术规范中的格式，见表1。
上位机（PC）与电能表的通信协议和电能表与上位机（PC）的通信协议帧格式基本一致，主要是控制码和数据域长度和数据有差别。
表1上位机与电能表的通信帧格式
说明
代码
帧起始符
68H
地址域
A0
控制码
C
数据域长度
L
数据域
DATA
校验码
CS
结束符
16H
应答
FEH
①帧起始符68H
标识一帧信息的开始，其值为68H=01101000B。
②地址域A0
地址域由1个字节组成，地址长度可表示0~255个下位机地址，与物理层信道无关，每个电表都具有唯一地址，本设计由于只有一个电表，其地址域暂定为01H。
③控制码C
D7=1,上位机（PC）发送给电能表；
D7=0，电能表发送给上位机（PC）。
④数据域长度L
一帧数据的长度。
由于上位机无需发送数据域，所以此数据域长度L=0。
⑤传输
前导字节：
在主机发送帧信息之前，先发送2个字节FEH，以唤醒接收方。
⑥校验码CS
从第一个帧起始符开始到校验码之前的所有各字节的模256的和，即个字节二进制算数和，不计超过256的溢出值。
⑦结束符16H
标识一帧信息的结束，其值为16H=00010110B。
⑧应答
被动接收方接收完主动发送方发送的一帧数据后，先回发一个应答信号，原主动发送方通过检查到该应答信号，确认被动接收方已正确接收到数据，完成一帧数据通信；否则主动发送方继续发送本帧数据，当连续5次没有接收到被动接收方发送的应答信号后，则发出通通信错误信息。
⑨通信速率：
标准速率：
9600bps。
3.4.2与红外抄表器之间的协议
红外遥控器与电表的通信数据字节格式和上位机与电表的通信数据字节一样。
这里简单介绍一下红外遥控器与电表的过程。
①遥控器发送时，发送：
起始字符“AAH”+控制字+校验和+结束符。
②电表将接收到的命令进行校验，经校验正确后延时100ms,回发：
起始字符“AAH”+数据长度+数据+校验和+结束符。
③电表接收到的命令进行校验后如不正确，则不作出响应。
④遥控器在发送完命令后的0.5s内收不到电表发来的数据，则重发命令。
⑤遥控器在收到后经校验，如校验正确，则显示新的数据并存储，如校验失败，则重发命令。
4.系统创新
①主控器采用MSP430F149，显示采用段码式液晶，大大降低了系统的功耗。
②编制了简易的上位机抄表软件，通过RS485总线即可完成抄表，系统向工业化贴近。
③增加了日历时钟功能，实现了复费率电能计量；同时增加了广播校时功能，使得系统时钟更加精确。
④使用了大容量锂离子电池，可实现在系统未掉电时充电，掉电后自动切换电池供电，使用方便且节能环保。
⑤采用BQ24202型智能单片式锂电池充电管理芯片，降低成本，缩小了系统体积的同时降低了系统功耗。
⑥实现了电网线路失压、失流、断相等异常的监测；并且在异常事件发生时可以发出报警信号。
⑦在线路断电后，系统能够自动存储系统电能运行参数，并能通过红外抄表器抄取电能数据。
5.评测与结论
根据对多功能电表的理解和ST9001D5-3三相多功能电能表检定装置的操作方法，拟定的测试步骤如下：
①首先进行校表，校表过程根据ATT7022B用户手册上要求，先进行ATT7022B参数设置，然后按照A相校正，B相校正，C相校正的顺序逐一校正，校正是ST9001D5-3三相多功能电能表检定装置进行的。
②参数设置，我们主要是对高频脉冲输出、失压阈值设置进行设置，其他的如电压通道ADC增益选择、起动电流设置、能量累加模式等都采用默认值。
③A相校正，是按照功率增益校正（Pf=1）、角差校正（Pf=0.5L）、电压校正（额定电压）、电流校正（额定电流1A）的顺序逐一进行校正。
④B、C两相的校正通A相校正。
⑤然后进行误差测试。
误差测试将在ST9001D5-3三相多功能电能表检定装置和ST8200电能表检定软件配合下完成的，但由于时间关系，还未进行此项测试。
主主板正面主板反面
电能计量模块
红外收发模块
BSL下载器
自制小电台
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