基于att7037的电参量表的设计.docx

基于att7037的电参量表的设计.docx

《基于att7037的电参量表的设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于att7037的电参量表的设计.docx（33页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

基于att7037的电参量表的设计

本科生毕业设计（论文）

题目：

基于ATT7037的电参量表的设计

基于ATT7037的电参量表的设计

摘要

随着电力系统自动化水平的日益提高，电力信息的获取和管理越来越重要，研制高精度、多参数、多功能、数字化、带通信接口的多功能电参量仪表已经成为一个热门的课题。

本次设计选用低功耗高性能的单相多功能计量SOC芯片ATT7037为核心，设计一款可检测多种电参量，并具有串行通信功能的单相电参量仪表。

该芯片内集成单相计量（3路ADC）、CPU是51内核处理器、LCD驱动、电源管理，时钟管理，RTC模块，温度/电池电压测量模块，PLL，JTAG调试等功能。

本次设计主要是硬件电路的设计还有串行通信的设计。

硬件的设计主要是ATT7037最小系统、电源模块、交流电量采集模块、RS232串行通信、LCD显示电路、按键电路、报警电路等电路的设计以及参数大小的选定，并将这些电路用Protel画成原理图。

串行通信的设计主要是对SBUF寄存器、串行口控制寄存器、PCON寄存器进行设置、选择串口的工作方式、设计波特率、定时器初值、最后完成串行通信的编程。

软件的设计是由同组其他同学设计完成，主要介绍其程序流程、各个模块的初始化、及一些基本情况。

在完成了硬件电路的设计以及通信程序的编写之后，与同组其他同学合作完对程序和实物进行调试、并做精度测量实验、实现了电参量的显示，并对实验结果进行分析和对实验误差进行分析从而得出结论。

该设计方案结构简单、成本低、功耗低、可靠性高，具有广阔的市场前景和应用价值。

关键词：

电参量表;单片机;硬件电路设计;通信显示;

ThedesignofelectricalparametertablebaseonATT7037chip

Abstract 

Withtheincreasinglevelofpowersystemautomation,accessandmanageinformationmoreandmoreimportantpower.Developmentofhigh-precision,multi-parameter,multi-functional,digital,multi-functionelectricalparametersoftheinstrumentwithacommunicationinterfacehasbecomeahottopic.

Theselectionofalow-powerhigh-performancedesignofsingle-phasemeteringSOCchipATT7037multifunctionalcore,designedtodetectavarietyofelectricalparameters,andhasaserialcommunicationfunctionmetersingle-phaseelectricalparameters.Thechipisintegratedwithinasingle-phasemetering（3-wayADC）,CPUisa51-coreprocessor,LCDdrivers,powermanagement,clockmanagement,RTCmodule,temperature/batteryvoltagemeasurementmodules,PLL,JTAGdebuggingfunctions.Thisdesignismainlydesignedhardwaredesignaswellastheserialcommunicationcircuit.

HardwareisdesignedprimarilyATT7037minimumsystem,powermodules,ACpowercollectionmodule,RS232serialcommunication,LCDdisplaystheselectedcircuit,keycircuit,alarmcircuitdesignandcircuitparameterssuchassize,andthesecircuitsintoProtelpaintingschematics.SerialcommunicationisprimarilydesignedforSBUFregister,serialportcontrolregister,PCONregistersettings,selecttheserialwork,designbaudrate,timerinitialfinalizeprogrammingserialcommunication.

Softwarewasdesignedbythesamegroupofotherstudentstocompletethedesign,introducesitsprogramflow,initializationofeachmodule,andsomebasicinformation.

Afterthecompletionofthepreparationofthehardwarecircuitdesignandcommunicationprogram,completedincollaborationwithotherstudentsofthesamegroupandin-kindprogramdebugging,andmakeprecisionmeasurementexperimenttoachievetheelectricalparametersofthedisplay,andtheexperimentalresultswereanalyzedandtheexperimentalerrorsareanalyzedtodrawconclusions.

Thedesignissimple,lowcost,lowpowerconsumption,highreliability,andhasbroadmarketprospectsandvalue.

Keywords:

Electricparametertable;Singlechip;Hardwarecircuitdesign;Commuipnicationanddisplay

第1章绪论

1.1课题研究背景和意义

电能表的发展最早可追溯到1880年汤姆斯.爱迪森根依据电解的原理发明了计量直流电的电能表。

1889年匈牙利岗兹公司研制出第一块感应式电能表。

十九世纪末形成了较完整的感应式电能表的基本制造理论。

20世纪50年代我国开始生产感应式电能表，20世纪90年代我国研发并自主生产电子式电能表[1]。

随着我国经济的飞速发展，各行各业对电的需求越来越大，电力系统越来越趋于现代化，电网与电力市场、客户之间关系日益密切。

客户对用电质量要求逐步上升，传统电网已经无法满足市场发展的要求。

电能的生产，传输和使用同时进行，因此，电能作为一种不可储存商品的流通使用过程中，对其准确计量具有重要的意义。

为调节负荷用电时段，以解决Et渐突出的电力供求矛盾，在不增加设备，不扩大设备容量的大前提下，可以通过以下两种方法来解决：

一是在用电高峰时限、拉电；二是实行分时电价，即提高用电高峰时段电能的价格，降低用电低谷时段电能的售价。

为此，电力部门广泛地使用有多个计度器能在不同费率时段内记录交流有功或无功电能的复费率电能表。

世纪初，国家在保持电价总水平基本稳定的前提下，大力推行峰谷分时计电价，鼓励人们合理移峰填谷用电。

同时，要求完善两部制电价制度，扩大多功能表应用范围，使多费率和多功能电能表具有广阔的前景[1]。

我国的通信子系统发展水平相对较落后。

在西方发达国家，电能计量的自动抄表技术研究起步较早，低压电力线的载波技术也已被广泛地运用，而我国，多使用电话线作为通信信道。

近年来国内电子工业迅速发展，通信系统作为自动抄表技术的关键，也成为被关注的重点。

现代电力营销系统中的一个重要环节是电量计量。

为克服传统人工抄读电量数据，实现实时性，准确性和应用性，同时提高电力部门电费实时性结算水平，所有电力部门都将建立一种新型抄表方式作为共识。

电能计量自动抄表系统克服了传统人工抄表模式的不确定性和低效率，能电能计量数据自动采集、传输和处理。

不断推进电能管理的现代化发展进程。

目前国内外研究电能计量和串行通信的技术已经相当成熟[2]。

多功能电表是智能电网（尤其是智能配电网络）的重要数据采集设备之一，它是基于电子式技术研发出的新型电表，不仅具有传统电表的基本功能，还有很多额外的实用功能。

例如：

电能测量、电能统计、电能监测、信息上传下载及数据管理等功能。

多功能智能电表是智能电网的智能终端，在智能用电信息采集系统（包括系统主站、采集设备、通信信道及智能电表三部分）中，它是智能电网数据采集的重要基础设备[3]。

多功能电能表集计算机技术，通讯技术等综合技术形成以智能芯片为核心，具有电功率计量计时，计费，能与上位机通信和用电管理等多种实用功能的电度表。

多功能电能表的现代化和智能化技术已经成为国内外学者研究的重点[4]。

1.2主要研究内容

本此设计选用低功耗高性能的单相多功能计量SOC芯片ATT7037为核心。

在对芯片处理器，片内外设，电能计量和电路保护各个方面做了分析，完成硬件电路设计，实现了各个电参量的检测。

1.2.1基本功能

多功能电参量表的主要功能如下：

1.多电参数的检测功能：

包括：

电压有效值、相电流有效值、频率、有功功率、无功功率、功率因数。

2.实时时钟功能：

可显示年、时、分、秒；3.通信功能：

支持RS-485通信。

4.按键显示功能：

通过按键切换显示电压、电流、频率、有功功率、无功功率、功率因数以及当前日期和时间等参数。

5.报警功能：

当电能表出现故障时，能进行相应的报警[5]。

1.2.2研究内容

1.通过对我国电网和多功能电参量表的发展以及现状的研究，并根据规定的多功能标的基本功能和技术参数，确立本课题的设计。

2.硬件电路的设计是多功能电表的重要组成部分，设计的好坏直接影响电表的可靠性和使用的方便及其功能的实现。

硬件电路设计是本次设计的的主要任务，其组成主要包括：

ATT7037最小系统、电源模块、交流电量采集模块、RS232串行通信、LCD显示电路、按键电路、报警电路等。

这些模块的主要实现的功能如下：

（1）ATT7037最小系统是整个设计方案的核心，主要完成电能的计量；

（2）电源模块为单片机提供+3.3V电源信号；

（3）交流电量采集模块采集三路交流信号供单片机使用；

（4）RS232串行通信实现pc机与单片机的通信；

（5）LCD显示电路用来显示各个电参量、日期以及时间；

（6）按键电路通过切换按键来帮助实现显示；

（7）报警电路在电路出现故障时能自动报警；

3.系统软件是本次设计的灵魂，由本组其他同学完成，其结构组成包括：

电源与时钟模块、电能计量模块（EMU）、控制单元（MCU）、中断系统、定时器模块、串行通信模块、WTD、RTC等。

4.在硬件设计和软件完整的情况下，完成单片机和pc机的通信，对系统进行调试，对各个参数进行测试，并做精度测试。

第2章基本理论基础

在课题研究内容确定之后，需要结合一些理论知识进行分析，本课题所涉及的理论基础知识主要有单片机的基础理论、ATT7037芯片的基础知识、原理图设计的基础理论知识，以及一些基础的电路知识。

2.1单片机理论

2.1.1单片机概述

单片机也叫单片微型计算机，它将中央处理器（cpu）、随机存储器、只读存储器、中断系统、定时器/计数器以及I/O接口电路等微型计算机的主要部件集成在一块芯片上，使其具有计算机的基本功能。

单片机的发展分为四个阶段：

1.4位单片机阶段，4位单片机主要应用于家用电器、电子玩具等领域；2.8位单片机阶段，其中高档8位单片机的寻址能力达到64KB，片内ROM容量达到4~8KB，片内除带有并行I/O口，甚至有些还有A/D转换器功能。

8位单片机由于功能强大，被广泛用于工业控制、智能接口、仪器仪表等领域；3.16位单片机阶段，16位单片机的功能被推向一个新的阶段，集成度可达十几万只晶体管，片内含16位cpu、8KBROM、232字节RAM、5个8位并行I/O口、4个全双工串行口、4个16位定时器/计数器、8级中断处理系统。

16位单片机可用于高速复杂的控制系统；4.32位单片机阶段：

近年来，各计算机生产厂家已经进入更高性能的32位单片机研制、生产阶段。

但是由于控制领域对32位单片机需求并不十分迫切，所以32位单片机的应用并不是很多。

单片机的特点：

1.单片机的存储器ROM和RAM是严格区分的；2.采用面向控制的指令系统；3.单片机的I/O引脚通常是多功能的；4.操作功能强，运行速度快;5.电压比较低，功耗少，便于生产便携式产品;6.控制功能强大;7.环境适应能力强;8.可以方便的实现多机和分布式控制，提高系统的效率和可靠性[6]；

2.1.2ATT7037芯片介绍

ATT7037是一款单相多功能计量SOC（SystemonChip）芯片，高性能，低功耗。

片内集成单相计量（3路ADC）、CPU51内核处理器、LCD驱动、电源管理、时钟管理、RTC模块、温度/电池电压测量模块、PLL、JTAG调试等功能。

工作电压范围2.7V~3.6V，基于8位8051单片机设计的，具有8052兼容指令集和总线结构。

单周期的CPU，具有电源监测功能，片内集成PLL倍频电路，低频晶振电路时钟fosc=32.768KHz，系统时钟最高频率fpri=11.010048MHz。

片内集成丰富的存储器资源，包括：

60K的FLASH程序存储器，4K可配制的Flash数据存储器；256字节带有写保护操作的InfoFLASH存储器；256字节内部数据寄存器；4K字节外部数据寄存器，其中前256字节在掉电时，可由后备源保持数据不丢失。

片内集成可永不关断的硬件看门狗电路、片内集成温度传感器和电池电压检测电路、片内集成RTC（时钟日历）模块和温度传感器，可输出秒脉冲进行校验，实现每秒时钟补偿、片内集成按键、串行通讯、LCD、PWM、红外调制、SPI、I2C等外设。

电流和电压采样通道具有4级模拟/数字增益可调，支持分流器和互感器直接接入、提供有功、无功、视在电能脉冲输出[7]。

2.1.2.1控制单元（MCU）

ATT7037采用R8051XC内核，具有和8051兼容的体系架构。

R8051XC有两条总线：

Memory总线和SFR总线。

Memory总线用于在片内扩展程序和数据存储器，如扩展片内ROM、Flash、XRAM等。

SFR总线用于和片内的外设寄存器接口，除了工作寄存器R0～R7、程序计数器（PC）和指令寄存器（IR）外，所有控制、配置和状态寄存器都映射到SFR空间，R8051XC可通过直接寻址的方式访问这些寄存器，控制系统工作[6]。

与51单片机一样的ATT7037片内存储器分为三个地址空间，程序存储器（PM）：

寻址空间0000H-FFFFH；内部数据存储器（IRAM）：

寻址空间00H-FFH；扩展数据存储器（DM）：

寻址空间0000H-FFFFH；但是ATT7037不支持片外扩展存储器。

ATT7037的指令系统、寄存器都与51单片机类似，其中寄存器包括累加器ACC、B寄存器、程序状态字PSW、栈指针SP、数据指针DPTR、CKCON程序和数据存储器的读写延迟控制寄。

2.1.2.2中断系统

ATT7037支持13个中断，其中7个通用中断：

外部引脚中断INT0、INT1，定时器中断T0、T1、T2和串行口中断UART0、UART1。

这几个中断均和8051内核中断一致。

另外6个中断为R8051XC的扩展中断：

计量中断、按键中断、RTC中断、I2C中断、PMU中断、CC_ES2中断。

ATT7037可以设定4个优先级中断，不支持对单个中断源的优先级进行调整。

与8051一样，定时器0和定时器1都有4种工作模式，一般采用模式1：

16位定时器/计数器。

定时器2是一个16位的定时器/计数器，包含比较/捕获单元，可完成比较/捕获功能[7]。

2.1.2.3电能计量单元EMU

电能计量单元包括三路完全独立的Σ-ΔADC以及数字信号处理部分：

三路ADC完成两路电流信号和一路电压信号的采样；数字信号处理部分完成有功功率与有功电能、无功功率与无功电能、视在功率与视在电能、电压有效值、电流有效值及频率计算等计量功能。

通过SFR寄存器和中断的方式，可以对数字信号处理部分进行校表参数配置和计量参数读取；计量的结果还通过PF/QF/SF引脚输出，也即校表脉冲输出，可以直接接到标准表进行误差对比。

femu=5.505024MHz为EMU单元的固定时钟，ADC的采样时钟fadc默认为femu的6分频，fadc=917KHz，可以通过EMU内部间接寄存器EMU_Ctrl（5BH）配置。

电能计量模块的功能多种多样，主要包括：

1.模数转换器；ATT7037AU有三路完全独立的二阶Σ-ΔADC，每路ADC都有一个模拟增益放大器（PGA），内部有一个1.18V的高稳定度片内基准电压，每路ADC可以独立开关，通过寄存器EMU_Ctrl进行设置。

模拟增益放大器（PGA）完成输入差分信号的幅度放大，放大后的信号再送给ADC进行采样，

2.有功功率、无功功率和视在功率；ATT7037AU同时输出两路计量通道的有功功率、无功功率，并提供两路独立的校验参数，提供视在功率输出寄存器。

3.有效值；ATT7037AU同时输出两路电流和一路电压的有效值。

有效值可以保证在动态范围为1000：

1时，精度达到0.1％。

4.电能脉冲输出；ATT7035AU/37AU提供有功能量寄存器ENERGY_P（0DH）、无功能量寄存器ENERGY_Q（0EH）和视在能量寄存器ENERGY_S（0FH），同时提供相应的脉冲输出引脚PF、QF和SF。

脉冲输出前的内部电能累加方式可以通过EMCON（53H）的QMOD、PMOD选择正向计量、绝对值计量、代数和计量三种累加方式。

内部功率值寄存器对功率进行累加，溢出后会发送一个溢出脉冲到快速脉冲寄存器PFCNT（55H）、QFCNT（56H）和SFCNT（57H）。

快速脉冲计数寄存器对溢出的次数进行累加计数。

当快速脉冲寄存器中的计数绝对值大于等于输出脉冲频率设置寄存器HFConst（4FH）的设置时，即发出一个CF脉冲，同时相应能量寄存器的值增加1。

5.窃电检测；可以通过防窃电模块对两路电流或者两路功率大小进行比较，选用较大的一路电流或功率进行计量。

TampSel（51H.7）选择防窃电的方式。

当TampSel=1，选择功率防窃电；当TampSel=0，选择电流防窃电。

FLTON（52H.5）设置是否开启自动防窃电功能。

FLTON=0时选择关闭自动防窃电功能，用户可以根据当前有效电流通道状态CHNSEL（51H.4）进行通道选择；FLTON=1时开启自动防窃电功能，防窃电单元根据窃电阈值的设置，自动选择相应的通道进行计量[8]。

2.1.2.4时钟管理

系统时钟管理模块包含系统时钟生成和系统时钟控制两部分。

系统时钟fsys有两种生成形式：

一是低频晶振输出fosc频率为32KHz，二是PLL输出高频fpri频率。

由时钟配置寄存器CLKCFG的SYSCK位决定。

上电复位后，片上低频振荡电路开始工作，OSC产生32.768KHz的时钟，系统时钟来自片上低频晶振电路fosc,此时钟电路一值保持开启；高频时钟频率由PLL电路产生；芯片外围单元RTC、LCD、WDT、PMU、TBS部分的时钟直接来自低频晶体振荡电路的输出fosc，外围单元SPI、I2C、PWM和处理器R8051XC的时钟都来自系统时钟fsys，即可选择低频时钟fosc，也可选择高频时钟fpri。

电能计量单元EMU的时钟来自于fpll分频后的固定频率5.505024MHz。

红外38K模块时钟由fpll分频提供[9]。

外部低频晶体振荡电路是为外部32.768KHz的晶体而设计的，OSCI是晶体振荡电路的输入引脚，OSCO是晶体振荡电路的输出引脚。

上电复位后，外部低频晶体振荡电路开始工作，输出32.768KHz时钟，振荡电路的工作不受复位的影响，也不受系统运行模式的影响，外部低频晶体振荡电路提供RTC的时钟，也可作为系统节电模式的系统时钟源[6]。

2.1.2.5WDT

WatchdogTimer是一个特殊的定时器，计时计满预定时间则发出溢出脉冲，产生WDTR复位信号；在溢出脉冲发生前将WatchdogTimer清零，则不会发出WDTR复位。

特点如下：

采用硬件狗设计；SLEEP模式下WDT开启/关闭可选；可以通过外部引脚JTAG_WDTEN进行控制。

2.2AltiumDesigner原理图设计基础

2.2.1电路设计的一般步骤

一般情况下，一个产品的的电路设计目的就是获得印制电路板。

这个过程的电路设计有5个主要步骤如下：

1.原理图的设计，主要依靠AltiumDesigner的原理图设计系统来实现。

2.生成网络表，通过网络表连接原理图设计和印制电路板设计，网络表可以从原理图和印制电路板中的任何一个中获得。

3.印制电路板的设计，印制电路板的设计是基于AltiumDesigner另外一个部分pcb来实现的，在这个过程中完成电路板的板面设计，并完成想对复杂的布线工作。

4.生成印制电路板报表和板图印制电路板完成后，其有关报表和打印印制电路板图也是重要的步骤。

5.生成钻孔文件和光绘文件，在pcb制造之前，生成钻孔文件和光绘文件也是必不可少的[10]。

2.2.2原理图设计的一般步骤

原理图的设计是电路设计的基础，原理图设计的质量关系到后续设计的进展。

一般来说原理图的设计包括：

1.设置原理图图纸尺寸和版面在绘制原理图之前，应该根据实际电路的大小来设置图纸的尺寸。

2.在图纸上放置原理图的元件，根据电路的具体情况，从元件库中选取电路中需要的元件逐一放在工作平面上。

再根据实际情况调整元件在工作平面上的位置，并定义、设置元件的封装。

3.对元件进行布局走线,利用AltiumDesigner的工具和指令进行走线，用具有电气意义的导线和符号将各个元件按电路需要连接起来，构成一个正确的原理图。

4.对元件进一步调整,为了保证原理图的正确和美观，需要对所绘制的原理图做进一步的调整，包括导线位置的调整，图形大小、属性、以及排列的调整。

5.保存文档并生成智能pdf文件，这个过程是管理设计的图形文件输出[10]。

第3章硬件电路的设计

在整体方案的指导下，本次设计主要做硬件电路的设计运用模块化的设计方法去进行硬件电路的设计。

本次设计硬件电路主要包括以下几个部分:

单片机最小系统、电源模块、交流电量采集模块、RS232串行