DDSF系列电能表的设计方案

广州周立功单片机发展有限公司Tel：(020)3873097738730977Fax：[phone]系列电能表的硬件电路设计由电源电路设计、计量电路设计、通讯电路设计、MCU及其它部分电路设计四大部分组成。其中核心部分是计量电路的设计，它是电能表计量准确性的关键部分，是电能表计量功能的体现，但是其他部分也是缺一不可的，特别是单片机控制器，它是电能表系统的灵魂，实现系统中各个部件协调控制，人机交互，多费率控制等等重要的功能。MCU及其相关部分电源电路计量电源电路RS485通讯电源电路电源电路部分MCU部分（）89LPC931/922被测电压拾取电路被测电流拾取电路计量芯片电路（）ADE7755LCD显示器LCD驱动器（）PCF8566/PCF8576指示灯存储器EEPROM24WC08实时时钟R8025温度传感器LM75通讯信道切换电路CD4066RS485通讯信道红外通讯信道电池欠压检测系统掉电检测ICP电路I2C总线RS232及切换控制图1.1DDSF系列电能表硬件组成框图由上图所示，电源电路为了提高系统的抗干扰性、可靠性，分为三个独立的电源，使计量电路，RS485通讯和MCU的电源相互隔离，达到互不影响的目的，但是它们使用同一个变压器，所以应注意变压器的选择。在计量电路部分，ADE7755芯片是一个数模混合的电路，因此设计较为困难，要到达良好的计量效果，要采取一定的抗干扰措施（比如数字地和模拟地应在PCB板上单点连接），特别是在对电流、电压采样的电路直接接在外部线路上，干扰比较严重。I2C总线在整个系统中占有重要的地位，它关系到LCD显示、电量数据存储、时间和日期的读取等等，它是MCU与外部设备的接口，是MCU获取信息的窗口，并且根据外部信息作出相应的判断和动作（比如冻结时间到，MCU作出冻结电量事件发生）。在通讯电路中，电能表有两个通讯信道（红外信道、RS485通讯信道），在通讯发生时MCU要判断是那个信道进行通讯，并且接收通讯帧，判断是否正确，并执行通讯命令。从上面可以看出1广州周立功单片机发展有限公司Tel：(020)3873097738730977Fax：[phone]的作用，它是系统的控制器，起着决定性的作用。DDSF系列电能表的软件系统是整个电能表系统的灵魂，它是系统的神经中枢，它是整个系统的控制、指挥中心。电能表软件系统的算法设计在整个电能表系统设计中占有重要的一个环节，控制算法的优劣对整个系统正确、可靠的运行有决定性的影响，因此在进行电能表软件系统的算法设计时，要仔细、反复地进行设计、论证，考虑各个方面地因素，使控制算法正确、可靠。程序数据结构内存数据结构EEPROM数据结构程序初始化MCU初始化电表部件初始化、时钟显示处理模块时钟及相关处理、费率电量结算处理电能反向时间处理显示处理通讯处理模块通讯接收处理通讯命令执行处理通讯发送处理电量处理模块电量恢复处理电量脉冲累计处理电量小数及整数累计处理电量掉电保护处理图1.2DDSF系列电能表的软件系统结构框图DDSF系列电能表的软件系统包括程序数据结构模块、程序初始化模块、时钟及显示处理模块、通讯处理模块和电量处理模块五大部分组成，各个部分都其特殊的任务，在电表系统中完成它们相应的功能。程序数据结构模块是对程序中的数据进行分析，合理的分配数据内存，定义程序涉及的变量。它是根据整个程序的算法来制定的，同时一个好的数据结构对整个程序的写作有非常重要的作用，因此根据电能表软件系列实现的功能及其算法制定合理的数据结构。DDSF系列电能表的数据结构包括两个部分：MCU内存数据结构和EEPROM数据结构。程序初始化模块是对整个程序进行初始化，它包括两个部分：MCU初始化和电表各部件初始化。MCU初始化是对MCU各部件进行初始化，为各部件在程序工作时提供合适的初始状态，它包括配置I/O口工作模式、看门狗初始化、定时器初始化、键盘中断初始化、串口中断初始化、比较器中断初始化等等。电表各部件初始化是对电能表系统各部件进行配置工作状态，初始化它们的工作方式，为程序工作提供电表部件初始状态，它包括指示灯初始化、LCD显示初始化、实时时钟初始化、电量恢复、通讯信道、历史电量处理等等部件的初始化。时钟、显示处理模块是程序系统中进行时钟和显示处理的模块，是通过对当前时钟的比较，对有关时钟事件是否发生进行判断，程序对时钟事件作出处理，可以说时钟就是这个程序模块的节奏，告诉程序哪个事件在什么时候发生。比如说显示数据刷新事件，它是1S的时间对显示数据进行刷新，当时间间隔1S时，显示数据刷新事件发生，程序进行显示数据刷新处理。它包括时钟及其相关处理、显示事件处理、电能反向时间事件处理、费率和电量2广州周立功单片机发展有限公司Tel：(020)3873097738730977Fax：[phone]结算事件处理等等部分组成的。通讯处理模块是电能表系统进行外界通讯的模块，它是依照国标的通讯规程编写的一个软件模块，它包括通讯接收处理、通讯命令处理及通讯发送处理，当通讯接收到一帧正确的数据时，通知程序通讯命令处理事件发生，执行通讯命令解释及执行命令操作，当命令要求发生通讯数据时，通讯发送事件发送，进行通讯数据发送。同时由于通讯信道有红外信道和RS485信道两个信道，在通讯时应判断是哪一个信道进行通讯的。电量处理模块是电能表系统中实现电能计量的程序，是实现其基本功能的程序，这部分程序也是电能表软件系统中最为关键的程序，其计量的正确性，可靠性及电量数据储存的正确性是关乎到整个系统的成败，关系到全局，因此这部分计量的算法要设计正确、合理。它包括MCU上电对各电量值的恢复、对各电量脉冲的累计、对各电量小数整数累计、及对电量掉电保护等程序，在电量脉冲累计一定值是，电量小数加1事件发生，当电量小数累计一定值时，电量整数加1事件发生，执行电量整数累计程序。由上可知，DDSF系列电能表的软件系统是由五大部分组成的，每一个部分完成其特定的任务，而且是缺一不可的，同时各个模块之间存在着一定的联系，存在着数据交换的可能，它们不是相互独立的，而是相互联系、统一，形成整个电能表软件系统。1.2DDSF系列电能表硬件系统1.2.1电源电路部分DDSF系列电能表的电源电路分为三个部分：电量计量电源电路、RS485通讯电源电路、MCU及其相关部分电源电路。电源电路提供系统运行的能量，所以在进行电源电路设计时保证原理正确的前提下考虑电源容量并保证一定的工程余量，同时计算各个元件的电流、电压值，选择合适的元件参数。+5VC130.1uFE5220uF/25VVin1GND2Vout378L05D2IN4007C140.1uFE4220uF/35VZ1RH356008DGNDMOV10D681K23486715TR1BD2801AN_inL_inRST3图1.3电量计量电源电路AB22W10Vin1GND2Vout3W378L05G485V485C150.1uFC160.1uFE7220uF/25VE6100uF/35VG485MOV120D681K23486715TR1BD2801AN_inL_in图1.4RS485通讯电源电路以上两个电源电路是一种标准设计的电源电路，通过降压、整流、稳压和滤波四个环节，得到5V的直流电压。整个电源电路是以78L05这种稳压芯片进行设计的，是一种串联的稳压电路。3广州周立功单片机发展有限公司Tel：(020)3873097738730977Fax：[phone](a)(b)(c)231VCCGNDRESETU7MAX809图1.5MCU及其相关部分电源电路1．a部分电路原理说明通过电网输入220V的交流电源，通过变压器TR1降压，在5、6端产生12V的交流电源，通过AB1全波整流集成块及C1、TR2、C2、E1滤波（C1、TR2、C2构成差分滤波网络），产生一个带有一定脉动分量的直流电。在通过并联稳压集成电路LM317，同时调整R1、R2的比值，得到所需电压值（3.9V）。2．b部分电路原理说明LPC900系列单片机存在着一个问题：在电源上电的时候，如果上电缓慢时，单片机出现复位错误，程序不能正确运行。为了解决这个问题，采用快速上电的方法，利用MAX809电源监控芯片，当上电电源达到电压门槛时，T1三极管导通，开通电源通道，达到MCU快速上电的目的，VCC的电压为V3.9减0.7V得到3.3V电压值。3．c部分电路原理说明由于有后备电池的原因，要解决实时时钟芯片电源的问题，采取的原则是：电网正常供电时，从电网吸收电能，但是不能进行对电池充电，电网停电时，电池只对时时钟芯片供电。采用二极管或逻辑的方式，对V3.9和电池电压进行选择。当电网正常供电时，V3.9的电压为3.9V，大于电池电压，由于VD1器件的作用，VDD选择V3.9电源供电。当电网停电时，由于VD1器件的作用，VDD选择电池电源供电，同时电池通过R7限流对时钟芯片供电。电路中有电池电压检测网络，检测网络有R5、R6和C10组成的，由于R5、R6远远大于R7，所以可以忽略R7的影响，检测网络的电流几乎等于零，也不消耗电池的能量。1.2.2计量电路部分DDSF系列电能表的计量电路部分主要是针对ADE7755计量芯片的电路设计，主要包括：抗混滤波器的设计、电压通道电路设计、电流通道电路设计、其它电路部分设计。4广州周立功单片机发展有限公司Tel：(020)3873097738730977Fax：[phone]图1.6电压通道电路图从电路理论分析，电压通道电路实际上是一个分压电路，通过电阻分压，确保ADE7755电压通道中信号电压在其工作的范围内。由于电能表工作的实际环境和元件参数的误差，在电压衰减网络中，设计一个电阻调整网络，可在一定范围内调整信号电压的大小，校验ADE7755电能输出脉冲的频率，调整电能表的精度，因此电压衰减网络又称校验网络。DVDD1AC/DC2AVDD3NC14V1P5V1N6V2N7V2P8RESET9REF10AGND11SCF12S113S014G115G016CLKIN17CLKOUT18NC19REVP20DGND21CF22F223F124AD7755U1ADE7755R271K1%R281K1%C1933nF/50VC2133nF/50V1