基于MC68HC908LJl2的新型三相電能計量系統(tǒng)設計

摘要：介紹了一種新型的三相電能計量系統(tǒng)的設計方法，該系統(tǒng)用MCU+專用計量芯片的設計模式，集檢測、計量、控制、存儲、顯示、通信等模塊于一身，并可實現(xiàn)復費率功能。實際應用結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有精度高、維護方便等優(yōu)點。
關鍵詞：電能計量；三相；校準；MC68HC908IJl2

0 引言
    電能計量系統(tǒng)是衡量電能消費數(shù)量的計量儀器，其技術性要求很高。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，電力供應時常出現(xiàn)短缺現(xiàn)象，各地紛紛采取了各種應對措施，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，多費率表市場需求進一步加大，尤其是大工業(yè)用戶，對三相多費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)，并可實現(xiàn)自動抄表、分時費率、實時費率、預付費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，并且可實現(xiàn)峰谷分時的復費率計量。

1 電能計量系統(tǒng)的總體設計方案
    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。如果需要實現(xiàn)分時費率的功能，則可以在編程時將各時段的電價編入程序中，然后通過實時時鐘測量時間，以確定此時段的電價并加以分時計費。通信接口采用RS-485通信模塊來和上位機進行通信，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，這樣便可以實現(xiàn)自動抄表和遠程控制等功能。

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)核心部件的單片機可選擇飛思卡爾半導體公司的MC68HC908LJl2。MC68HC908IJl2是一款適用于電能計量設計的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之間進行計量參數(shù)以及校標參數(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系統(tǒng)的常用功能，非常適合用于先進的多功能電能表。

3 系統(tǒng)電路
    MC68HC908IJl2與ATT7022B、FM33256的通信可通過SPI接口進行。SPI接口(即串行外圍設備接口)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MC68HC908LJ12相連，并將MC68HC908LJ12的PTC5引腳與FM33256的片選端相連接，以實現(xiàn)片選。具體的連接電路如圖2所示。FM33256內(nèi)部集成的實時時鐘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位被設置時，內(nèi)核時間更新正在進行，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位重新設置為0。W位用于設置新的時間值，設置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時間內(nèi)核。在實際布線時，為了提高RTC的抗干擾能力和準確性，應在外接晶振引腳焊盤加入地環(huán)，且晶振引線長度應小于5 mm。并對地線底層鋪銅。該電能表系統(tǒng)充分利用了實時時鐘的特點，可在正常工作時，用它為系統(tǒng)提供精確的時間。另外，當系統(tǒng)掉電時，可啟用后備3．6 V電源，以記錄實時掉電時間。并在系統(tǒng)中將它存儲在FM33256中。

4 系統(tǒng)校準
    校準就是對各相電流增益、電壓增益、功率增益和相位進行補償。功率增益一般不要分段，相位校正可根據(jù)精度要求，考慮分段或不分段進行。分段式按電流的大小來分，對相位校正，最多可分五段進行。一般在ATT7022B做軟件校表時，電壓和電流的校正、啟動電流設置、斷相閾值電壓設置均無順序上的要求，但在進行功率增益校正時，應先設置合相能量累加模式(這個步驟也可省去，直接使用缺省值)、電壓通道ADC增益和高頻輸出參數(shù)，這是功率校正的條件，而后作功率增益校正，再進行相位校正。相位校正應在完成功率增益校正后進行。所有校正都應在相應的校表寄存器參數(shù)為零的條件下進行。
    ATT7022B先設置成全波表狀態(tài)進行校正，可將基波測量使能控制寄存器設置為EnLineFreq=0x000000，校正好后，再將該寄存器根據(jù)需要填入相應值以使芯片進入基波表、諧波表或是在電能計量功能狀態(tài)。校表程序開始后，首先寫電壓通道ADC增益UADCPga(Ox3F)，以設置電壓通道ADC放大倍數(shù)，然后寫高頻脈沖輸出參數(shù)到校表寄存器20H，再寫啟動電流到校表寄存器1FH (否則默認的啟動電流值為基本電流的0.1％)，接著再寫A相功率增益，進行A相相位校正。然后分別進行B相和C相的功率增益校正和相位校正，最后分別寫A、B、C相電壓校正和電流校正。
    限于篇幅，下面給出部分校表程序：
   

5 結(jié)束語
    本設計中的三相電能計量系統(tǒng)以MC68HC908LJ12為核心MCU。并通過模擬開關控制電流互感器的高低變比切換，從而來實現(xiàn)精確計量和復費率。該系統(tǒng)具有精度高、功能全、可靠性高、維護簡單、成本低、體積小等特點，并具有很好的擴展能力，可以根據(jù)用戶的實際需要設定其它功能，具有良好的發(fā)展前景。目前，系統(tǒng)的網(wǎng)絡化功能及其與上位機的通信模塊正在進一步調(diào)試和完善之中。