本文闡述了電子式多功能電能表的設計方法、硬件設計的技術關鍵和軟件設計流程。并以NEC的μPD78F0338單片機為例，實現(xiàn)了一款具有四種費率、六條負荷曲線和兩套費率結構的三相四線電子式多功能電能表
電子式多功能電能表主要針對國內市場三相用電的工業(yè)用戶。隨著電力行業(yè)改革深入，工業(yè)三相用電對多功能電能表的需求大量增加。目前國內多功能表種類少、價格較高、功能不完善,往往僅是針對某些地區(qū)的特定要求開發(fā)，缺乏通用性，某些產(chǎn)品未能完全達到國標的要求。本文介紹的電子式多功能電能表正是為了適應這種市場需求而設計的。
這是一款智能型高科技電能計量產(chǎn)品，該表可以同時計量正/反向有功電能、正/反向無功電能、四象限無功電能，還具有多費率控制，負荷曲線記錄，各相失壓、過壓、頻率超限記錄，數(shù)據(jù)LCD顯示等多種功能。主站可以通過RS-485總線或手持紅外抄表器對該電表進行查表、設表、抄表等操作。
軟件代碼全部采用C/C++語言編寫，編碼效率高，可維護性好，便于實現(xiàn)模塊化設計，可根據(jù)用戶的需求方便地對功能模塊進行裁剪。而且代碼經(jīng)過優(yōu)化，其生成的目標代碼大小和執(zhí)行效率已與匯編代碼相差無幾。該產(chǎn)品的技術指標全面符合 GB/T 17215-1998 《1級和2級靜止式交流有功電度表》、DL/T 614-1997《多功能電能表》和 DL/T 645-1997《多功能電能表通信規(guī)約》的要求。
多功能電能表的總體結構和硬件設計
多功能表總體結構
電子式多功能電能表硬件的核心MCU主控制器，它負責按鍵輸入掃描、工作狀態(tài)檢測、計量數(shù)據(jù)的讀入、計算和存儲、電表參數(shù)的現(xiàn)場配置以及與外界的通信控制等。其主要功能單元包括MCU主控制器單元、電量計量模塊、紅外和RS-485通信模塊、校表模塊、EEPROM存儲陣列等；其他輔助模塊主要有：時鐘日歷電路、工作異常報警電路、按鍵輸入電路、復位和看門狗電路、開關電源模塊和后備電池電路、大屏幕液晶顯示模塊和LED顯示模塊。多功能表總體結構框圖如圖1所示。
圖1 多功能電能表總體結構框圖
高性能主控制器單元
主控制器采用NEC公司8位單片機中的高檔產(chǎn)品μPD78F0338。該款單片機為120腳QFP封裝，單片集成有60kB Flash、一個異步通信串行口、40×4段LCD驅動器、高達10MHz的總線時鐘和10路10位精度的ADC，并可通過簡單的接口進行在系統(tǒng)編程，極大地方便在線調試和軟件升級。并且支持高級語言，較好地滿足了多功能表任務繁多、數(shù)據(jù)量龐大、算法較復雜的功能要求。
串口復用通信單元
通信電路模塊主要包括TSOP1838紅外接收頭、紅外發(fā)射二極管、載波電路、MAX487專用485收發(fā)電路、驅動/開關二極管和其他元件。
本電能表為便于用戶抄表，設計有紅外本地抄表和RS-485集中抄表兩種串行抄表方式，因為μPD78F0338僅有一個串口，故通信電路設計時采用串口復用技術。由9012、9014和若干電阻等器件組成互補開關，由MCU的一個I/O口來控制紅外和RS-485通信方式的切換，如圖2所示。
圖2 通信串行口復用電路
高精度電量計量模塊
計量模塊由高精度專用電能計量芯片SA9904、電流互感器和其他外圍電路元件組成。SA9904是Sames公司生產(chǎn)的一款三相雙向功率/電能計量芯片，可以計量有功/無功功率、電壓、頻率、相序異常等，可以單獨計量每一相的用電信息，符合IEC521/1036標準，可達到1級交流電能表的精度要求，各數(shù)據(jù)寄存器具有24位精度，可通過三線SPI接口與CPU交換數(shù)據(jù)。從而可以較好地適應多功能表需要計量多種電量數(shù)據(jù)的要求。SA9904引腳及其外圍電路圖如圖3所示。
圖3 SA9904引腳及其外圍電路圖
其中，CLK、DO、DI構成與MCU控制器的接口,用于傳輸控制命令和測得的電量數(shù)據(jù)，IIPs、IIPt、IIPr用來對電流取樣，IVP1、IVP2、IVP3用來對電壓取樣。
時鐘日歷模塊
時鐘電路采用EPSON生產(chǎn)的RTC-4553實時時鐘芯片。內部集成了32.768kHz的石英晶體振蕩器，簡化外圍電路，并可以根據(jù)需要進行自由設置以得到較高的頻率；同時集成有時鐘和日歷計數(shù)器；可選擇24或12小時顯示模式；時鐘可通過軟件方式進行間隔30秒的調整；并提供0.1Hz或1024Hz的定時脈沖輸出，以便于在電能表的外部對時鐘精度進行定期檢查。RTC-4553引腳及其外圍電路圖如圖4所示。
圖4 RTC-4553引腳及其外圍電路
其中，SCK、Sin、Sout與主處理器接口，用于發(fā)送控制指令或者傳輸日期時間數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)日歷時鐘模塊采用電池作后備電源，以確保在停電狀態(tài)下，日期時間的準確無誤。
多功能電能表的軟件設計
數(shù)據(jù)結構設計
多功能電能表涉及的數(shù)據(jù)類型種類繁多。按字節(jié)分包括單字節(jié)、雙字節(jié)、三字節(jié)、四字節(jié)和六字節(jié)等；按表征的意義分有時間、時刻、電壓、電流、有功功率、無功功率、有功電能、無功電能、次數(shù)、功率因數(shù)、門限、狀態(tài)字、系數(shù)、表號等。復雜的數(shù)據(jù)類型對數(shù)據(jù)結構的設計提出了較高的要求，本實現(xiàn)方案通過采用多種數(shù)據(jù)尋址方式和多種類型存儲器較好地解決了這一問題。
數(shù)據(jù)結構設計要點
系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存放方式有：內部ROM、RAM和外掛EEPROM。
內部ROM用來存放大量的常數(shù)表格；RAM用于存放臨時變量和堆棧，本方案需要2.5kB左右的RAM；串行EEPROM則存儲各種用戶電量數(shù)據(jù)和設表參數(shù)，通過I2C總線與CPU交換數(shù)據(jù)，電能表按設計需求的最大要求大約需要250kB的EEPROM，本方案采用8片256位EEPROM通過級聯(lián)來實現(xiàn)。
數(shù)據(jù)尋址方式
EEPROM數(shù)據(jù)訪問采用兩種方式：直接地址訪問,通過數(shù)據(jù)的EEPROM地址直接讀寫數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)ID尋址，通過數(shù)據(jù)的編碼讀寫數(shù)據(jù)。
通信口復用功能設計
紅外通信和RS-485共用一個串行口（RxD/TxD）通信，由于串行口通信開始都有一低電平位（0），因此將紅外接收端（與485接收端用一三極管隔開）引到一中斷引腳INTP1，通過其引發(fā)的中斷可判斷串行口數(shù)據(jù)是否來自紅外。發(fā)送時按對應方式發(fā)送，使其不互相干擾。由于紅外通信和遙控接收用同一接收管，因此在判斷紅外來源的中斷中啟動定時器INTTM4檢測紅外接收端，如果檢測到脈沖寬度為9ms或0.56ms,則判斷為紅外遙控，并根據(jù)定時檢測遙控編碼；否則判定為紅外產(chǎn)生的串行口接收中斷，并將定時檢測關閉。
紅外38.4kHz調制信號由CPU內部分頻輸出（P05/PCL）。
f=fx/27=4.9152/128=38.4kHz。
因紅外發(fā)送字節(jié)之間可選有15～20ms的延時，而485通信則不需要延時。數(shù)據(jù)發(fā)送在發(fā)送中斷中進行，紅外通信在發(fā)送操作后立即關閉發(fā)送中斷允許，待延時時間到后再允許發(fā)送中斷。
多功能表程序流程圖
多功能表主程序流程主要包括初始化、數(shù)據(jù)校驗、負荷曲線修補和事務處理等，其流程圖如圖5所示。
圖5 主程序流程圖
日常事務處理流程集中體現(xiàn)了多功能表的大部分主要功能，包括費率處理、計量數(shù)據(jù)采集及處理、自動抄表、電能脈沖輸出、校表模塊和掉電檢測及處理模塊等，其流程圖如圖6所示。
圖6 日常事務處理流程圖
