基于MSP430單片機(jī)遠(yuǎn)程電能表設(shè)計(jì)

廣州南方電力集團(tuán)科技發(fā)展有限公司 榮垂凱

1.引言

無線抄表功能電能表組成配變遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)。無線抄表終端采集多功能電能表的數(shù)據(jù)信息；上行通道采用GPRS無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸，管理中心通過網(wǎng)絡(luò)即可實(shí)現(xiàn)對(duì)公變用戶和專變用戶多功能電能表的實(shí)時(shí)監(jiān)控，帶控制終端可以實(shí)現(xiàn)預(yù)付費(fèi)功能。

本設(shè)計(jì)具有以下特點(diǎn)：

1）采用高可靠、低功耗微處理器MSP430，運(yùn)行穩(wěn)定，使用壽命長；

2）終端即時(shí)登陸數(shù)據(jù)服務(wù)器，建立TCP連接，永久在線，斷線自動(dòng)重連；

3）支持實(shí)時(shí)抄收數(shù)據(jù)功能：電壓、電流、有功功率、無功功率等；

4）支持凍結(jié)數(shù)據(jù)采集功能：日凍結(jié)電量，曲線數(shù)據(jù)采集功能；

5）支持遠(yuǎn)程升級(jí)調(diào)試功能。

2.msp430單片機(jī)簡介以及ADE7755、GL868簡介

2.1 MSP430F149簡介

MS P430F 149是一種新型的混合信號(hào)處理器(如圖1)，采用了美國德州儀器(Texas Instruments)公司最新低功耗技術(shù)，它將大量的外圍模塊整合到片內(nèi)，特別適合于開發(fā)和設(shè)計(jì)單片系統(tǒng)。MS P430 F149單片機(jī)主要具有如下特點(diǎn)：

圖1 MSP430框圖

1）低電壓、超低功耗；

2）具有12位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC12)，可以得到很高的精度，并且省去了使用專門的模數(shù)轉(zhuǎn)換器給設(shè)計(jì)電路板帶來的麻煩；

3）擁有大容量的存儲(chǔ)空間，存儲(chǔ)器方面包括多達(dá)60k Flash ROM和2k RAM，如此數(shù)量的存儲(chǔ)空間完全可以滿足程序及數(shù)據(jù)的需要；

4）兩通道串行通信接口，可用于與計(jì)算機(jī)進(jìn)行異步或同步串行通信；

5）硬件乘法器，該乘法器獨(dú)立于CPU進(jìn)行乘法運(yùn)算的操作，在提高乘法運(yùn)算速度的同時(shí)也提升了CPU的利用效率；

6）串行在系統(tǒng)編程，通過仿真器對(duì)程序進(jìn)行下載，并通過專用軟件對(duì)程序及單片機(jī)的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，極大地方便了程序的調(diào)試。

2.2 高精度電能計(jì)量芯片ADE7755簡介

ADE7755是一款適用于單相配電系統(tǒng)的高精度電能計(jì)量IC（如圖2）。采用AD7755設(shè)計(jì)電子式電能表是一種電能測量的低成本單片解決方案。AD7755內(nèi)部包含兩路模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），一個(gè)基準(zhǔn)電壓源和用來計(jì)算有功功率的全部信號(hào)處理電路。AD7755還包含直接驅(qū)動(dòng)機(jī)電式計(jì)度器（即電能記錄器）的數(shù)字頻率轉(zhuǎn)換器（F1、F2）和用于校驗(yàn)和通信的高頻脈沖輸出電路（CF）。

圖2 ADE7755框圖

它可提供基于輸電線電壓和電流計(jì)算的瞬時(shí)有功功率和平均有功功率。該器件規(guī)范超過IEC61036標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的精度要求。ADE7755中使用的唯一模擬電路是ADC和參考電壓電路。所有其它信號(hào)處理（例如乘法和濾波）都是在數(shù)字域?qū)崿F(xiàn)的。這種信號(hào)處理方法可在隨環(huán)境條件和時(shí)間變化的很大范圍內(nèi)提供優(yōu)異的穩(wěn)定性和精度。

電流通道提供高增益模式，可直接連接低阻值分流電阻器而不損失動(dòng)態(tài)范圍。兩通道之間的增益校準(zhǔn)在器件外部進(jìn)行調(diào)整。ADE7755采用SSOP封裝。在各種負(fù)載條件下提供低頻（F1/F2）和高頻（CF）同步輸出。

ADE7755是一種高準(zhǔn)確度電能測量集成電路，其技術(shù)指標(biāo)超過IEC1036規(guī)定的準(zhǔn)確度要求。ADE7755只在ADC和基準(zhǔn)源中使用模擬電路，所有其它信號(hào)處（如相乘和濾波）都使用數(shù)字電路，這使ADE7755在惡劣的環(huán)境條件下仍能保持極高的準(zhǔn)確度和長期穩(wěn)定性。ADE7755引腳F1和F2以較低頻率形式輸出有功功率平均值，能直接驅(qū)動(dòng)機(jī)電式計(jì)度器或與微控制器（MCU）接口。引腳CF以較高頻率形式輸出有功功率瞬時(shí)值，用于校驗(yàn)或與MCU接口。ADE7755內(nèi)部包含一個(gè)對(duì)AVDD電源引腳的監(jiān)控電路。在AVDD上升到4V之前，ADE7755一直保持在復(fù)位狀態(tài)。當(dāng)AVDD降到4V以下，ADE7755也被復(fù)位，此時(shí)F1，F(xiàn)2和CF都沒有輸出。內(nèi)部相位匹配電路使電壓和電流通道的相位始終是匹配的，無論通道1內(nèi)的高通濾波器（HPL）是接通的還是斷開的。內(nèi)部的空載閾值特性保證ADE7755在空載時(shí)沒有潛動(dòng)。

2.3 GPRS模塊GL868簡介

無線模塊GL868-DUAL最新的GL868-DUAL產(chǎn)品是目前市場上最小的、采用表面黏貼式封裝技術(shù)的GSM/GPRS模塊。GL868-DUAL是一個(gè)支持900/1800雙頻的GSM/GPRS設(shè)備，它采用無引腳城堡形包裝技術(shù)，擁有極低功耗、超寬的溫度范圍和緊湊的外型。使得GL868-DUAL適合應(yīng)用于各種非常緊湊的設(shè)計(jì)中。其他一些附加的特性，比如集成TCP/IP協(xié)議棧、串行多路復(fù)用器和遠(yuǎn)程AT命令，都可以擴(kuò)展應(yīng)用的功能，而不需要增加額外成本。GL868-DUAL允許在模塊內(nèi)運(yùn)行用戶自己的應(yīng)用。

產(chǎn)品特點(diǎn)：

1）雙頻EGSM 900/1800 MHZ；

2）串行接口多路復(fù)用器3GPP TS 27.010；

3）通過AT命令訪問TCP/IP協(xié)議棧；

4）支持DARP/SAIC；

5）輸出功率-Class 4(2W)@ 900 MHZClass 1(1W)@ 1800 MHz；

6）提供電壓范圍：3.22-4.5V DC(推薦電壓：3.8V DC)；

7）電流(標(biāo)準(zhǔn)值)-關(guān)機(jī)時(shí)：<5uA-空閑時(shí)(已注冊(cè)，省電模式)：1.5mA @ DRX=9-工作時(shí)：230mA @最大功耗-GPRS cl.10:360mA @最大功耗；

8）靈敏度：-108dBm(typ.)@ 900MHz-107dBm(typ.)@ 1800MHZ；

9）擴(kuò)展溫度范圍-40°Cto+85°C(操作時(shí))-40°Cto+85°C(儲(chǔ)存溫度)；

10）接口最多8個(gè)輸入/輸出接口模擬音頻（平衡），數(shù)字音頻2個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器和1個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換器蜂鳴器輸出通過CMOS UART實(shí)現(xiàn)ITU-T V.24串行連接：-波特率：300到115，200bps-自動(dòng)波特率高達(dá)115，200bps；

11）短消息點(diǎn)對(duì)點(diǎn)移動(dòng)電話發(fā)起和終止短信息支持短信息連接短信息廣播文本和PDU模式通過GPRS發(fā)送短信息。

3.系統(tǒng)方案

如圖3所示，系統(tǒng)電源采用直接測量，引入的電源，用交流變壓器降壓，經(jīng)過硅橋整流成直流電壓。人機(jī)交互部分采用工業(yè)液晶，以及4個(gè)方向按鍵以及4個(gè)功能按鍵。電能信號(hào)采集部分AD7755，采集相關(guān)的電壓、電流、有功、無功功率等信息。時(shí)鐘源采用DS1302標(biāo)準(zhǔn)I2C接口時(shí)鐘芯片。歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)采用SPI接口FALSH。

圖3 系統(tǒng)方案

4.硬件設(shè)計(jì)

4.1 ADE7755部分硬件電路設(shè)計(jì)

本文介紹了用美國Analog Devices Inc.（ADI）公司生產(chǎn)的AD7755設(shè)計(jì)的一種低成本、高精度電能表。本電能表是為單相。兩線制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的，但也容易適合特殊地區(qū)的設(shè)計(jì)要求，例如美國的配電系統(tǒng)通常要求居民電表采用單相、三線制系統(tǒng)。采用AD7755設(shè)計(jì)電子式電能表是一種電能測量的低成本單片解決方案。AD7755內(nèi)部包含兩路模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），一個(gè)基準(zhǔn)電壓源和用來計(jì)算有功功率的全部信號(hào)處理電路。圖4是ADE7755部分硬件電路設(shè)計(jì)。

設(shè)計(jì)參數(shù)為：

電壓精度≦±1%；電流精度≦±1%；功率精度≦±1%；功率因數(shù)精度≦±2%。

4.2 電源管理部分電路

電源部分采用測量的220V直接作為電源的輸入，進(jìn)過變壓器變換為交流9V，經(jīng)過硅橋整流直接輸入到與濾波。

LM2576的特性如下：

1）輸出電壓可調(diào)的范圍為1.23V～37V(HV型號(hào)的可達(dá)57V)，負(fù)載電壓的輸出容差最大為±4%；

2）最少只需要4個(gè)外圍元件，可達(dá)3A的輸出電流；

3）寬的輸入電壓范圍，HV型號(hào)甚至可達(dá)40V～60V；

4）內(nèi)部振蕩器產(chǎn)生52KHz的固定頻率；

5）可用TTL電平關(guān)閉輸出，低功耗待機(jī)模式，典型待機(jī)電流為50μA；

6）BUCK式降壓器，較高的轉(zhuǎn)換效率；

7）過熱和過流保護(hù)。

圖5是直流部分電源轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)圖。

圖5 直流部分電源轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)

4.3 Msp430f149電路設(shè)計(jì)

最下系統(tǒng)設(shè)計(jì)，包括供電設(shè)計(jì)，復(fù)位電路設(shè)計(jì)，以及相關(guān)的外圍接口分配。

低電平復(fù)位電路當(dāng)供電電壓擾動(dòng)低于2.93V時(shí)，MAX809STR強(qiáng)制系統(tǒng)復(fù)位。

圖6是Msp430f149電路設(shè)計(jì)圖。

圖6 Msp430f149電路設(shè)計(jì)

4.4 GPRS電路設(shè)計(jì)（如圖7所示）

圖7 GPRS電路設(shè)計(jì)

5.結(jié)語

本設(shè)計(jì)思想是結(jié)合了豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)，并不注重技術(shù)，同事考慮的實(shí)際工程應(yīng)用，以及批量生產(chǎn)的可行性。多功能電能計(jì)量系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)，整個(gè)系統(tǒng)硬件配置分為輸入單元、電源管理、單片機(jī)單元、通信接口單元、顯示單元和外圍接口等部分，完成數(shù)據(jù)采集、自檢、電能計(jì)量、通訊控制、輸出顯示功能。

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