...1/67畢業(yè)設(shè)計基于mps430電能表的原理設(shè)計摘要電能是現(xiàn)代社會中國民經(jīng)濟和人民生活的重要保障，隨著社會的快速發(fā)展往往導(dǎo)致電能的供應(yīng)與使用之間產(chǎn)生矛盾。為了解決這一矛盾，電能計量的分時計費方式可以通過調(diào)節(jié)人們的用電行為，對提高電能利用的合理性和緩解電力供需矛盾具有重要價值。但是傳統(tǒng)的機電式電能表無法執(zhí)行分時計量和分時計費的功能，因此基于單片機技術(shù)設(shè)計的新型數(shù)字電表是實現(xiàn)新型電能管理方式的前提。本文首先介紹了電能表發(fā)展的歷程以與現(xiàn)狀，闡述了各種抄表計費方式并討論了各自的優(yōu)缺點，介紹了電能表技術(shù)發(fā)展的未來趨勢。然后論述了網(wǎng)絡(luò)電能表的目標(biāo)功能，對比了國外各種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計方案優(yōu)缺點，確定本課題中電能表的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。針對功能的需要，選用了TI公司的MSP430E427為MCU設(shè)計網(wǎng)絡(luò)電能表的檢測和控制系統(tǒng)，簡化了電能表的電路設(shè)計，提升了系統(tǒng)的處理能力：數(shù)據(jù)采集部分采用二相電能計量專用芯片ADE77_58，以提高電能表的精度：點陣LCD模塊的使用，則提供了友好的人機交互界面：在分析目前常用的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和嵌入式接入方案的優(yōu)缺點的基礎(chǔ)上確定了電能表的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和嵌入式接入方案，運用MC39i無線GPRS通訊模塊，嵌入TCP/IP協(xié)議棧，實現(xiàn)電能量參數(shù)的遠程傳輸：對網(wǎng)絡(luò)電能表進行校準(zhǔn)，確保了電能表的精度。關(guān)鍵詞：ADE7758MSP430FG4619液晶顯示GPRS通訊MC39iAbstractTheelectricenergyisaguaranteetonationaleconomyanddailylifeinmodernsociety.Withthefastdevelopmentofthesociety，contradictionbetweenthedemandandproductionofelectricalenergyoccurs.Time-scheduledtariffsystem，thatchangesuser'sbehaviorinenergyconsumingandrationalizestheelectricalenergyutilization，isaneffectiveandvaluablemeasuretosolvethisproblem.Fortheenergymeasurementthetraditionalmechanicalelectricitymeternolongercanmeettherequirementsofthisnewtariffsystem，andmicrocontroller-baseddigitalE-meterbecomestheprerequisiteandbackboneofthistariffsystem.Thepaperfirstintroducedenergymeterdevelopment'scourseaswellasthepresentsituation，andelaboratedeachkindwayofenergymeterreadinganddiscussedtherespectiveadvantagesanddisadvantages.Briefedthefuturetendencyoftheenergymetertechnologicaldevelopment.Thenthetopicelaboratedthenetworkenergymeter'sgoalfunction，comparedtotheadvantagesanddisadvantagesofvarioussystemconstruction'sdesignproposalathomeandabroadtodeterminetheissueoftheenergymeterconstruction'sdesign.Accordingtoneedoffunction，TI'sMSP430E427isselectedasenergymeter'sMCUanddesignenergymeter'stestingandcontrolsystemtosimplifythedesignofenergymeter'scircuitandimprovethesystem'shandlingability：Dataacquisitionpartuseselectricalenergymeasurementspecial-purposechipADE7758toimprovethenetworkenergymeter'sprecision：theuseofLCDmoduleprovidesfriendlypeople-machineinterface：Intheanalysisofcurrentcommonlyusedsystemnetworkconstructionandthedisadvantageandadvantageoftheembeddedturningonplan，thetopicdeterminethesystem'snetworkconstructionandtheembeddedturningonplan，communicationmodulerealizestheelectricalenergyquantityparameterlong-distancetransmissionthroughthewirelessGPRSMC39iandembeddedTCP/IPprotocolstack：Thecalibrationofenergymeterensuretheaccuracyofenergymeter.ThepaperintroducedindetailtheprocessofGPRScommunicationrealization.Accordingtosystem'sownneed，carriedontheappropritecuttingouttoTCP/IPprotocolstacknotonlysimplifiedtheTCP/IPprotocolbutalsosatisfiedthenetworkcommunication'srequestofenergymeter.KeyWords：ADE7758MSP430FG4619LCDGPRSMC39i目錄第一章緒論11.1課題背景11.2數(shù)字儀表的發(fā)展歷程11.2.1智能儀表的概念21.2.2智能儀表的特點31.2.3電子技術(shù)、計算機技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進步對智能儀表發(fā)展的推動41.2.4虛擬儀表是智能儀表發(fā)展的新階段51.3國外電能表技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀61.4本章小結(jié)8第二章總體方案102.1測量的概念與原理102.2電能參數(shù)的測量102.2.1電壓、電流測量102.2.2功率測量112.3多費率電能表的原理132.4單項電能表原理152.5有功電能計算162.6最大需求量172.7多費率電能表開發(fā)過程172.8本章小結(jié)18第三章電能表的硬件設(shè)計193.1硬件總體方案193.2MSP430C3XX系列單片機203.3中斷與部分資源的應(yīng)用設(shè)計243.3.1MSP430的中斷系統(tǒng)243.3.2定時器的應(yīng)用243.3.3通用定時器/口263.3.4通用口PO273.3.4中斷和部分資源的綜合運用273.4ADC14的原理與電壓電流輸入通道的設(shè)計283.4.1MSP430的ADC14模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊283.4.2電壓電流輸入通道的設(shè)計303.5LCD接口模塊與其應(yīng)用323.6串行E2PROM接口343.7串行通信接口的實現(xiàn)343.8本章小結(jié)36第四章電能表的軟件設(shè)計374.1軟件開發(fā)過程與手段374.2MSP430的指令系統(tǒng)394.2.1指令系統(tǒng)的運行環(huán)境394.2.2指令系統(tǒng)簡述394.3電能表的主流程與模塊化程序設(shè)計404.4實時時鐘的產(chǎn)生424.5電能測量模塊的設(shè)計434.5.1計量原理的選擇434.5.2采樣頻率和采樣時間長度的選擇444.5.3簡化掃描原理444.5.4電能計費模塊的軟件設(shè)計484.6E2PROM讀寫模塊的設(shè)計494.6.1I2C接口的模擬494.7液晶顯示模塊494.8串行通信協(xié)議504.9本章小結(jié)52第五章總結(jié)與結(jié)論53致55參考文獻56第一章緒論1.1課題背景電能是社會生產(chǎn)、人民生活必需的重要能源之一，隨著國民經(jīng)濟的不斷發(fā)展，電力需求急驟上升，電力供應(yīng)與電力需求出現(xiàn)了不平衡。目前，全國一些省份存在電力供應(yīng)不足，這不但阻礙了經(jīng)濟的發(fā)展，也妨礙了人民的生活。在世界常規(guī)能源日趨貧乏的今天，電能的節(jié)約與電能的有效利用具有重要意義。電能表是當(dāng)前電量計量和經(jīng)濟結(jié)算的主要工具，隨著現(xiàn)代檢測技術(shù)、電氣與電子技術(shù)的不斷發(fā)展，使人們能夠開發(fā)出功能更多、準(zhǔn)確度更高的電能計量裝置。本課題研制了基于MSP430的單相多功能電能表，它具有分時計費功能，即對每天的用電量進行分段計量，實行分時計價，通過利用經(jīng)濟杠桿調(diào)節(jié)人們的用電行為，促進對電能的節(jié)約和有效的使用。1.2數(shù)字儀表的發(fā)展歷程儀表技術(shù)的發(fā)展過程和一般事物發(fā)展的趨勢一樣，經(jīng)歷了一個從低級到高級的過程。它隨著其他學(xué)科如微電子技術(shù)、計算機技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展。二十世紀(jì)五十年代，儀表技術(shù)發(fā)展取得突破，數(shù)字技術(shù)的出現(xiàn)使得各種數(shù)字儀表得以問世，將模擬儀表的精度、分辨力和測量速度提高了好幾個數(shù)量級，為實現(xiàn)測試自動化打下堅實的基礎(chǔ)。六十年代中期，l拍著計算機技術(shù)的引入，測一試技術(shù)又獲得重大進展，開始了儀表數(shù)字化、數(shù)顯化的歷程，但是儀表還不具備記憶、數(shù)據(jù)處理、可控與人機對話等高級功能。進入七十年代，計算機技術(shù)進一步滲入，使儀表在傳統(tǒng)的時域與頻域之外，出現(xiàn)了數(shù)據(jù)域測試，被測系統(tǒng)的信息載體為二進制數(shù)據(jù)流，儀表前面板向鍵盤化方向發(fā)展。二十一世紀(jì)七十年代后期，出現(xiàn)了完全突破傳統(tǒng)儀表的、全新的一代儀表。它含微處理器，以微處理器為核心，具有信息、處理、數(shù)據(jù)處理、顯示記錄、傳輸與測量過程自動控制等一系列功能，甚至還具有輔助專家推斷分析與決策，人們習(xí)慣上把這種儀表稱為智能儀表。智能儀表的出現(xiàn)，極擴充了儀表的應(yīng)用圍。智能儀表憑借其體積小、功能強、功耗低等優(yōu)勢，迅速地在科研領(lǐng)域和運用領(lǐng)域得到廣泛的運用。1.2.1智能儀表的概念智能儀表是以微處理器或微控制器芯片(如單片機)為核心的可以存儲大量測量信啟、并具有對測量結(jié)果進行實時分析、綜合和做出判斷能力的儀表。智能儀表一般具有自動測量的功能和強大的數(shù)據(jù)處理能力，具有進行自動調(diào)零和單位換算的功能。能進行簡單的故障指示，具有操作面板和顯示器，有簡單的報警功能。從結(jié)構(gòu)上看，智能儀表是一個專用的微控制系統(tǒng)。它主要由硬件和軟件組成，圖1-1是其典型的硬件組成圖。圖1-1智能儀表的系統(tǒng)框圖硬件部分包括輸入通道、微控制器與其外圍模塊、標(biāo)準(zhǔn)通信接口和輸出通道。一般的工作過程是：傳感器拾取被測參量的信號轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)濾波去除干擾后送入多路模擬開關(guān)：由微控制器選通模擬開關(guān)將各輸入信號逐一送入放大器，放大器的信號經(jīng)A/D處理后變換成相應(yīng)的數(shù)據(jù)送入微控制器中：微控制器根據(jù)儀表所設(shè)定的初值進行相應(yīng)的運算和處理：運算結(jié)果送入顯示和打?。何⒖刂破靼堰\算結(jié)果與存儲于片的FLASHROM或E2PROM設(shè)定的參數(shù)進行比較后，根據(jù)運算結(jié)構(gòu)和控制要求，輸出相應(yīng)的控制信號：與計算機相聯(lián)，使儀表可以接受計算機的程控命令，由計算機進行全局管理。智能儀表的軟件部分主要包括測控程序和接口管理程序兩部分。測控程序通過控制數(shù)據(jù)采集，對數(shù)據(jù)進行預(yù)定的設(shè)置：對數(shù)據(jù)存儲器所記錄的數(shù)據(jù)和狀態(tài)進行各種處理：以數(shù)據(jù)、字符、圖形等形式顯示各種狀態(tài)信息以與測量數(shù)據(jù)的處理結(jié)果：通過鍵盤操作輸入，并存儲所設(shè)置的功能、操作方式與工作參數(shù)。接口管理程序主要面向通信接口，其容是接受并分析來自通信接口的各種有關(guān)功能操作方式與工作參數(shù)的程序操作碼，并通過通信接口輸出儀表的實時工作狀態(tài)與測量數(shù)據(jù)的處理結(jié)果，響應(yīng)計算機的遠程控制命令。1.2.2智能儀表的特點與傳統(tǒng)儀表相比，智能儀表主要具有以下特點：操作自動化。儀表的整個測量過程如鍵盤掃描、量程選擇、開關(guān)啟動閉合、數(shù)據(jù)的采集、傳輸與處理以與顯示和打印都用單片機來控制操作，實現(xiàn)測量過程的自動化。具有自動調(diào)整功能。包括自動調(diào)零、自動故障與狀態(tài)檢測、自動校準(zhǔn)、自動診斷與量程自動轉(zhuǎn)換等。具有數(shù)據(jù)處理功能。這是智能儀表的主要優(yōu)點之一。由于采用單片機或微處理器，使得原來許多硬件邏輯難以解決或根本無法解決的問題可以通過軟件靈活地解決。測量精度高。可以利用單片機或微處理器執(zhí)行指令的快速性和A/D轉(zhuǎn)換時間短等特點對被測量進行多次測量求其平均值，排除一些偶然的誤差和干擾，還可以進行數(shù)字濾波，剔除粗大誤差和隨機誤差。具有友好的人機界面，智能儀表通過使用鍵盤代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀表中的切換開關(guān)，操作人員只需通過鍵盤輸入命令，實現(xiàn)預(yù)定功能。顯示屏可將儀表的運行狀態(tài)、工作狀態(tài)和對數(shù)據(jù)的處理結(jié)果與時反映出來，使儀表的操作更方便和直觀。具有可程控操作的能力，智能儀表一般配有GPIB，RS232，RS485以與現(xiàn)場總線等標(biāo)準(zhǔn)的通信接口，可以很方便地和計算機或其他儀表組成用戶需要的多種功能的測量系統(tǒng)，來完成復(fù)雜的測試任務(wù)。1.2.3電子技術(shù)、計算機技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進步對智能儀表發(fā)展的推動1.微電子技術(shù)的發(fā)展對儀表智能化的影響微電子技術(shù)是微電子學(xué)中各種工藝技術(shù)的總稱，它包括系統(tǒng)和電路的設(shè)計、工藝技術(shù)、材料設(shè)備、自動測試等一系列技術(shù)。自從二十世紀(jì)五十年代末第一塊集成電路問世以來，集成電路從在一個芯片上只有幾個晶體管發(fā)展到今天有幾十億個晶體管的規(guī)模。微電子技術(shù)的發(fā)展基本遵循摩爾定律(每隔18個月集成度增長一倍)高速發(fā)展，七十年代芯片的線寬為5um，八十年代為1um，目前處于0.35um到0.25um之間，甚至已經(jīng)達到0.13um。過去一塊PCB板、一個機箱、一個機柜的儀表，今天可以集中在單個芯片上，系統(tǒng)設(shè)計已經(jīng)從傳統(tǒng)的PCB設(shè)計進展到專用VLSI芯片的設(shè)計，這對儀表技術(shù)的智能化有著重大影響。對儀表來說，把一些性能要求很高的單元線路設(shè)計成專用的集成電路具有重大意義。專用集成電路ASIC的出現(xiàn)，為這一要求的實現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。現(xiàn)在可以把ADC、DAC、運算放大器、比較器等模擬電路、微處理器、DSP等功能部件以與閃速存儲器、SRAM等大規(guī)模存儲器集成在一塊芯片中，從而減少了儀表開發(fā)中微處理器外圍電路的擴展要求，減少了由于電路分散引起的外部干擾，提高了儀表的可靠性。2.計算機技術(shù)的發(fā)展對儀表智能化的影響自從迅猛發(fā)展的計算機技術(shù)與微電子技術(shù)滲透到儀表技術(shù)領(lǐng)域，便使該領(lǐng)域的面貌不斷更新。通過計算機，人機交互的信息傳送可以分為三個階段：單純文字、字符、數(shù)據(jù)交互：多媒體信息、交互：虛擬現(xiàn)實的信息交互。數(shù)據(jù)信息也稱為數(shù)字信息或數(shù)值信扁、文字字符信息又統(tǒng)稱為非數(shù)字信息。這是傳統(tǒng)的計算機信息交互方式。3.網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展對儀表智能化的影響進入二十一世紀(jì)，以Internet為代表的計算機網(wǎng)絡(luò)的迅速發(fā)展與相關(guān)技術(shù)的日益完善，突破了傳統(tǒng)通信方式的時空限制和地域障礙，使更大圍的通信變得十分容易，Internet擁有的硬件和軟件資源正在越來越多的領(lǐng)域中得到應(yīng)用，與此同時，高性能、高可靠性、低成本的網(wǎng)關(guān)、路由器、中繼器與網(wǎng)絡(luò)接口芯片等網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)設(shè)備的不斷進步，又方便了Internet、不同類型測控網(wǎng)絡(luò)、企業(yè)網(wǎng)絡(luò)間的互聯(lián)。利用現(xiàn)有Internet資源而不需建立專門的拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)，使組建測控網(wǎng)絡(luò)、企業(yè)部網(wǎng)絡(luò)以與它們與Internet的互聯(lián)都十分方便。伴隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，Internet技術(shù)正在逐漸向智能儀表設(shè)計領(lǐng)域滲透，實現(xiàn)智能儀表基于Internet的通訊能力以與對設(shè)計好的智能儀表進行遠程升級、功能重置和系統(tǒng)維護。1.2.4虛擬儀表是智能儀表發(fā)展的新階段虛擬儀表是基于計算機的軟硬件測試平臺，利用現(xiàn)有的計算機，加上特殊設(shè)計的儀表硬件和專用軟件，形成既有普通儀表的基本功能，又有一般儀表所沒有的特殊功能的高檔、低價的新型儀表。虛擬儀表由計算機硬件、應(yīng)用軟件和儀表硬件三部分構(gòu)成，通過軟件將計算機硬件資源與儀表硬件有機融合為一體，把計算機強大的數(shù)據(jù)處理能力和儀表硬件的測量、控制能力結(jié)合在一起，通過軟件實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的顯示、存儲以與分析處理。虛擬儀表的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)構(gòu)成和傳統(tǒng)的儀表一樣，也由三部分構(gòu)成：數(shù)據(jù)輸入，進行信號調(diào)理并將輸入的被測模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號便于處理：數(shù)據(jù)處理，按測試要求對輸入信號進行各種分析與處理：數(shù)據(jù)輸出，將量化的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成模擬信號并進行必要的調(diào)理。虛擬儀表的主要特征是：1.靈活性。虛擬儀表把儀表功能交付給用戶去實施。隨著測量需要的變化，用戶可以方便地增加硬件或軟件組成部分，或者重新配置現(xiàn)有的硬件與軟件組成部分。特別是當(dāng)用戶轉(zhuǎn)移到下一個研究開發(fā)項目時，不必拋棄其硬件和軟件，只需制作一種新的虛擬儀表：2.功能強大。虛擬儀表既有儀表硬件的功能，又有計算機硬件的功能，更有計算機軟件的功能，現(xiàn)有硬件發(fā)展迅速，軟件技術(shù)也在不斷發(fā)展，所以虛擬儀表比傳統(tǒng)儀表功能大為增強：3.使用方便，易于維護。虛擬儀表具有很友好的用戶界面，窗口接口，這為使用和維護提供了有利條件：4.高性能價格比。虛擬儀表由需要部分專用硬件和軟件，目前比較貴，但是由于虛擬儀表主要采用量大面廣的普通計算機硬件和強大而成熟的軟件環(huán)境，可實現(xiàn)靈活的儀表功能而具有重用性，所以具有優(yōu)異的性能價格比和良好的應(yīng)用前景。虛擬儀表的出現(xiàn)是儀表發(fā)展史上的一次革命，代表儀表發(fā)展的最新方向和潮流，將對儀表技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生不可估量的影響。1.3國外電能表技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀1.電能表概述1880年，湯姆斯.愛迪生根據(jù)電解原理發(fā)明了電能表，但它只適用于對直流電能的測量。1888年，隨著交流電的應(yīng)用，人們開始研究交流電表。1889年，人們根據(jù)意大利的費拉里斯教授提出的感應(yīng)式電能表原理成功地制造出了交流電能表即感應(yīng)式電能表。當(dāng)有交流電流通過時，其電壓與電流線圈將交變的電壓與電流轉(zhuǎn)變成交變的磁通，驅(qū)動轉(zhuǎn)動部分(圓盤)旋轉(zhuǎn)，記錄轉(zhuǎn)動部分所轉(zhuǎn)過的圈數(shù)，將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電能。到十九世紀(jì)末，經(jīng)過諸多科學(xué)家的努力，研究出較完整的感應(yīng)式電能表制造理論。隨著電力事業(yè)的發(fā)展和人們對能源的有效利用使得感應(yīng)式電能表在使用過程中暴露出它固有的缺點：功能單一、準(zhǔn)確度低、頻率適應(yīng)圍窄等。二十世紀(jì)六十年代，為了擴充電能表的使用功能，出現(xiàn)了感應(yīng)式脈沖電能表。它依然采用感應(yīng)式電能表的測量機構(gòu)，只是利用光電傳感器將電能轉(zhuǎn)換成電脈沖信號，通過電子電路對脈沖信號進行處理和計算，完成電能的計量工作。但并沒根本上改變感應(yīng)式電能表的缺點。二十世紀(jì)七十年代，研制成功電子式電能表，也稱為靜止式電能表。電子式電能表利用電子線路把單相或三相交流功率轉(zhuǎn)換成脈沖或其它數(shù)字量。根據(jù)轉(zhuǎn)換方式不同，全電子式電能表主要有熱電變換型、時分割乘法器型和模擬/數(shù)字變換（ADC)型。熱電變換型利用電能的熱效應(yīng)產(chǎn)生熱量，再利用熱電元件把熱能轉(zhuǎn)換成一個正比于電功率的電信號，熱電變換型電能檢測方式成本較高，適用于制造高精度儀表，不適合大規(guī)模生產(chǎn)。時分割乘法器型的核心是時分割乘法器，它實質(zhì)是一個脈寬、幅度調(diào)制器，輸入時分割器的兩路輸入信號分別被進行脈寬和幅度調(diào)制，調(diào)制后得到的脈動信號的直流分量即為兩路輸入信號的乘積。時分割乘法器型電能表因其成本低，精度好而得到廣泛運用，但一般適用于生產(chǎn)普通電能表，它的主要障礙在于功能擴展比較困難。模擬/數(shù)字變換型電能表將電壓、電流瞬時值轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，由微處理器對它們進行分析處理，ADC檢測到的是反映電量的最基本的量，微處理器對它進行各種數(shù)字處理，計算出瞬時功率、無功功率、視在功率、電能累計值、功率因素，電壓電流的大小等。模擬/數(shù)字型電能表在精度、功能擴展、啟動電流、頻率的響應(yīng)等方面都適于研制開發(fā)多功能電能表，因此獲得廣泛運用。電子式電能表與感應(yīng)式電能表相比，有了質(zhì)的飛躍，它具有測量精度高、功能擴展容易、可測頻帶寬等優(yōu)點。2.我國電能表技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀我國20世紀(jì)70年代開始用電子式電能表，先是依靠進口，到80-90年代國已經(jīng)能夠生產(chǎn)0.05%級電子式電能表。經(jīng)過十多年的發(fā)展，現(xiàn)在我國的電能表技術(shù)水平在大部分領(lǐng)域已經(jīng)達到國外同類產(chǎn)品的先進水平。在市場經(jīng)濟下，人們對電能的計量的準(zhǔn)確度越來越高，對用電的管理要實現(xiàn)智能化和自動化，這些都是感應(yīng)式電能表無能為力的。近年來，高準(zhǔn)確度、多功能、長壽命且能實現(xiàn)遠程抄表的多功能全電子式電能表的出現(xiàn)，為電子式電能表取代感應(yīng)式電能表創(chuàng)造了條件。3.國外電能表技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀國外電能表技術(shù)的發(fā)展主要集中在電子式電能表的計量芯片上，而計量芯片的核心是乘法算法的實現(xiàn)方式。目前，乘法器與相關(guān)算法的實現(xiàn)主要有三種方式：1.采用硬件搭建構(gòu)成部運算乘法器：2.通過外部MCU軟件編程實現(xiàn)乘法運算處理：3.采用DSP或?qū)Ｓ糜嬃啃酒瑢崿F(xiàn)乘法處理，如采用ADC+DSP+MCU+計量軟件或?qū)Ｓ糜嬃坎考?MCU的解決方案，前者如由ATMEL公司的AT73C500和AT73C501制成的電能表，后者如由TI公司MSP430F42x制成的電能表。電能表未來的發(fā)展趨勢是計量部分模塊化，并能直接給出所有高精度的測量參數(shù)，以與控制部分功能擴展。在電能表的制造技術(shù)上，越來越多的新技術(shù)得到使用，如EDA(電子設(shè)計自動化)、CAM(計算機輔助制造)、CAT(計算機輔助測試)、SMT(表面貼裝技術(shù))等。1.4本章小結(jié)本選題所要研制的單相多功能電能表擬解決以往此類電表普遍存在的精度差、功能有限、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本偏高等問題，本課題選擇美國儀表公司(TI)的MSP430單片機作為電能表的微處理器，MSP430是超低功耗的16位單片機，采用精簡指令集。它具有豐富的片外設(shè)，功能強大，并且具有很低的電能消耗，特別適合在電池供電的設(shè)備中運用，圖1-2是本選題開發(fā)的電能表的結(jié)構(gòu)原理圖。本單相多功能電表由輸入轉(zhuǎn)換部分、單片機部分、通信部分和輸出部分組成。其中，電壓電流經(jīng)輸入轉(zhuǎn)換變成單片機可以處理的信號，單片機采用MSP430X3XX，通信采用紅外通信方式，輸出部分則是有關(guān)數(shù)據(jù)送LCD顯示和脈沖輸出。在研制過程中，精度、可靠性、功耗是側(cè)重點，并充分考慮產(chǎn)品化的需要，采取了一些有利于推廣的措施。參照電能表的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，本電能表實現(xiàn)以下功能：圖1-2多功能電能表結(jié)構(gòu)1.電能計量：對市電的電壓，電流采樣處理，得到電壓有效值，電流有效值，有功功率和無功功率等電能參數(shù)；2.費率管理：每天有3種費率可供選擇；3.時間管理：具有日歷、計量和閏年自動切換功能；4.通信：利用紅外通信方式，與電能表手持抄錄器交換數(shù)據(jù)；5.顯示：可顯示上月、本月總電量與各費率時段的電量。第二章總體方案電能表實際上就是一個自動化測控系統(tǒng)，設(shè)計時需要一個總體設(shè)計方案，以便后面具體設(shè)計工作的開展。2.1測量的概念與原理人們借助于專門的設(shè)備，通過實驗方法對客觀事物取得數(shù)量信息的過程稱為測量。它與計量的區(qū)別在于：計量是以確定值為目的的一組操作。一般認(rèn)為，以國家法定計量單位為計值單位進行的測量屬計量的疇。按被測量值的獲取方法，測量可以分為三類：直接測量、間接測量和組合測量法。直接測量法是不需對被測量有函數(shù)關(guān)系的其它量進行測量而獲得被測量值的一種方法。間接測量法是通過對被測量有函數(shù)關(guān)系的二個或三個以上的相關(guān)量的測量而得到被測量值的測量方法。組合測量法是當(dāng)各未知量能以某些可測量的組合形式表示(或改變測量條件未獲得這種不同的組合)時，根據(jù)直接測量和間接測量所得的數(shù)據(jù)，通過一組聯(lián)立方程而求出各未知量的數(shù)據(jù)。2.2電能參數(shù)的測量2.2.1電壓、電流測量周期性電壓、電流的瞬時值是隨時變化的，所以一般用有效值表征它們的作功能力并度量其“大小”，如電流有效值的定義是一個周期性電流的作功能力和直流電流的作功能力相比，則有：在一樣時間T周期電流I流過電阻R所做的功與直流電流I流過電阻所做功相等，就稱此直流電流的量值為此周期電流的有效值。直流電流I流過電阻R在時間T所做的功為：周期性電流l流過電阻R，在時間T，電流l所作的功為：根據(jù)以上定義，即于是，周期電流1的有效值為：(式2-1)同理，電壓有效值V為：(式2-2)上面兩式(2-1)和(2-2)式，即是對電流、電壓求均方根值的運算。根據(jù)周期性連續(xù)函數(shù)有效值的定義，將電壓、電流函數(shù)離散化，得(式2-3)(式2-4)式中u(n)和I(n)分別表示被測電壓、電流信號離散采樣值。2.2.2功率測量電路由有源元件和無源元件組成，有源元件包括電源和反電動勢，而無源元件可以分成兩類：一類是耗能元件電阻R，另一類是儲能元件電感L和電容C，工作中的電路中時時刻刻都在進行著電能和其它形式能量的相互轉(zhuǎn)換。在含有儲能元件電感L或電容C的正弦交流電路里，電阻元件(以與反電動勢負(fù)載)的端電壓與端電流方向總是一樣的，其瞬時功率都為正，它把電能轉(zhuǎn)化成其它形式的能量。而電感和電容上電壓與電流的瞬時值在一個周期里有半個周期二者的方向一樣，電能轉(zhuǎn)化為磁場能或電場能儲存在電感或電容：另外半個周期中電壓與電流的實際方向是相反的，磁場能或電場能轉(zhuǎn)化為電能回饋電路。所以，儲能元件能量的轉(zhuǎn)換是雙向的、可逆的，在一個周期的平均功率等于O。有功功率定義為一周期瞬時功率的平均值，由于儲能元件一周期瞬時功率的平均值為0，所以實際元件的有功功率也就是電路中電阻上耗能的規(guī)模。無功功率反映了儲能元件L或C在一周期能量交換的規(guī)模，即電能與磁場能或電場能交換的規(guī)模，其規(guī)模大小用能量交換的最大速率來表示。一般周期信號電路的有功功率為：（式2-5）其中T為周期信號的周期。式(2-5)經(jīng)離散化可得（式2-6）注意((2-6)式對正弦電路是完全適用的。由于儲能器件的存在，單相正弦電路中的有功功率的定義為：其中v，了分別為電壓、電流有效值，?為功率因數(shù)，它反映了有功功率與視在功率S=叮的比值，而在物理上功體現(xiàn)為正弦的電壓波形與電流波形之間的相位差。單相正弦電路的無功功率的定義式為：（式2-8）在這里會面臨以下兩個有待解決的問題：1)如何得到式((2-8)的離散化表達式：2)因為非正弦電路的無功功率不能簡單地體現(xiàn)為電壓波形與電流波形之間的相位差，因此不能以Vlsin?表示，在這種情況下如何求得非正弦電路的無功功率。下面就是解決上述問題的兩個方法：1.數(shù)字移相法(2-8)式可以變換為：（式2-9）由式(2-9)可以看出，用電壓采樣值乘以滯后電壓90“的電流采樣值然后累加可以求得無功功率，即無功功率的離散化計算公式為：（式2-10）這種計算稱為無功功率的簡單數(shù)字移相法，它要求被測號為嚴(yán)格的正弦波情況，換句話說，它不能對含有諧波的電路進行準(zhǔn)確的無功功率測量。2.視在功率法實際運用中，電網(wǎng)還存在一些諧波成分，用式(2-10)計算無功功率將產(chǎn)生較大誤差，因此應(yīng)該用下述方法進行無功功率的計算。用(2-3)和((2-4)分別求出有效值v，r，然后求出視在功率S=vl則有：(式2-11)這種方法只要滿足采樣定理，在原理上可以實現(xiàn)對含有諧波的電路的有功和無功功率的測量，并進而可推演出其它的一些被測量。2.3多費率電能表的原理多費率電能表又稱為分時計費電能表或復(fù)費率電能表，它可按預(yù)定的峰、谷、平時段的劃分，分別計量高峰、低谷、平段的用電量，從而對不同時段的用電量采用不同的電價。多費率電能表由電能測量單元和具有分時計量功能的電路組成，對電子式電能表而言，測量為了實現(xiàn)分時計量，電表設(shè)計的關(guān)鍵是設(shè)有計時準(zhǔn)確、時段誤差和日誤差小、接通/切換準(zhǔn)確的時鐘和時控電路，多費率電能表原理如圖2-1。多功能電能表的費率結(jié)構(gòu)按照電能表的技術(shù)要求，主要規(guī)定了不同的費率結(jié)構(gòu)，采用不同的費用結(jié)算方式，對電能表來說，需要存儲費率結(jié)構(gòu)的各種數(shù)據(jù)表格，包括日費率表、周費率表、季節(jié)費率表和節(jié)假日費率表等，這些表格不是孤立存在，而是一個有機的整體，通過軟件判斷，選擇合適的費率，實現(xiàn)分時計費的功能。圖2-1多費率電能表結(jié)構(gòu)圖2.4單項電能表原理圖2-2單項電能表測量時序被測電能E為（式2—11）式中時刻的電流采樣值(A)：時刻的電壓采樣值(V)：U時刻的電壓采樣值(V)：—采樣時間間隔(s)。t時刻則電流為（式2-12）時刻電壓采樣值（式2-13）時刻電壓采樣值（式2—14）為被測電壓和被測電流之間的相位差測量方法引入測量誤差為：（式2-15）2.5有功電能計算設(shè)在t時刻負(fù)載兩端的交流電壓和流過負(fù)載的交流電流的表達式為：（式2-16）（式2-17）其中u時刻電壓瞬時值：時刻電流瞬時值：—電壓峰值：-電流峰值：U—電壓有效值：I—電流有效值：—電壓與電流相位差：一角頻率。則在一個周期平均有功功率P為（式2-18）一個周期的電能W為（式2—19）電子式電能表中起主要作用的是電能測量單元，其作用是將輸入電壓與電流變換成與功率成一定比例關(guān)系的脈沖信號，送至分頻和計數(shù)。它是電子式電能表的關(guān)鍵，其測量精度直接決定電能表的精度和準(zhǔn)確度。電子式電能表的電能測量單元種類繁多，其中乘法器是該單元的核心組成部分。乘法器的類型決定了電子式電能表電能測量單元的結(jié)構(gòu)。乘法器大體可分為模擬乘法器和以數(shù)字乘法器兩類，模擬乘法器的又分為熱電轉(zhuǎn)換型、霍爾效應(yīng)型和時分割型等：數(shù)字乘法器則包括以微處理器為核心的高精度A/D型和DSP型乘法器。不管哪種乘法器，都是以式(2—19)為理論基礎(chǔ)形成的。初期的電子式電能表以時分割型為主的較多，目前的電子式電能表則以數(shù)字乘法器為主。當(dāng)用計算機處理時，需要將連續(xù)量離散化，用和式代替積分。若以t的時間間隔對電壓和電流進行采樣，用N表示每周期采樣的次數(shù)(即T=N*t)，則有功電量公式可以表示為：（式2—20）式中u(k)，i(k)分別代表電壓、電流的第k次采樣值，N為采樣總點數(shù)，計算機軟件就可按公式(2—20)計算出被測的有功能量。街取得越小，則計算結(jié)果越準(zhǔn)確。對三相計量來說，三相有功功率或者三相負(fù)載吸收的平均功率都等于它們各相的平均功率之和，即：（式2-21）2.6最大需求量最大需量定義為一個月平均30分鐘或15分鐘消耗的功率的最大值。計量最大需量是為了調(diào)節(jié)用電負(fù)荷，作到負(fù)荷平衡，有利于提高電網(wǎng)設(shè)備利用率。其中為時刻，的差等于15或30分鐘。在一段時間，，記錄下的最大值和發(fā)生的時刻。一般情況下采用滑差方式，每過一分鐘增加，但的差值保持不變，固定為15或30分鐘。2.7多費率電能表開發(fā)過程本選題以美國儀表(TexasInstruments)公司生產(chǎn)的以超低功耗16位單片機MSP430X32X系列為核心開發(fā)多費率電能表，其開發(fā)過程遵循以下步驟：1.根據(jù)任務(wù)需求與單片機所能提供的資源(外圍I/O接口、定時器、中斷和計算時間等)在MSP430系列中選擇最適當(dāng)?shù)男吞枺?.對硬件電路進行完整的設(shè)計，并按工作條件選擇單片機外部器件：3.根據(jù)設(shè)計任務(wù)對單片機的RAM單元進行分配和定義：4.設(shè)計完整軟件的流程圖：5.軟件模塊化匯編語言編程，匯編與糾錯：6.仿真調(diào)試與修改完善：7.現(xiàn)場試驗和測試。2.8本章小結(jié)本章主要式闡述了電能測量的原理與其感念，以與電能的一些常用參數(shù)的計算。電能表的收費原理與其結(jié)構(gòu)，電能表的開發(fā)過程，設(shè)計電能表的趨勢以與主要任務(wù)。第三章電能表的硬件設(shè)計3.1硬件總體方案圖3-1給出了電能表的硬件框圖。圖3-1單相電子電能表的結(jié)構(gòu)模塊圖3-1中的硬件按功能可分為測量、單片機、顯示器、串行E2PROM存儲、通信和電源等單元。1.測量：其功能是把市電中的電壓、電流高電平信號轉(zhuǎn)換成單片機AID轉(zhuǎn)換器能處理的低電平信號，市電經(jīng)過電壓互感器和電流互感器轉(zhuǎn)換成交流低電平信號后輸入單片機。2.單片機：數(shù)據(jù)處理、計算、顯示和通信的控制中心：3.顯示：采用LCD顯示累計電能或其它數(shù)據(jù)：4.串行EZPROM：單片機部RAM掉電時將丟失隨機存取的數(shù)據(jù)。故外接一片EZPROM。主要用來存儲各個時段的用電量、電能表常數(shù)、時間參數(shù)。5.通信：利用紅外通信實現(xiàn)電能表與或手持抄錄器之間的數(shù)據(jù)傳輸。6.電源：電源的提供可采取兩種方案，一是市電經(jīng)過整流、濾波、穩(wěn)壓，得到穩(wěn)定的直流低電壓，向表供電。這種方案的缺點是需要復(fù)雜的電源電路，導(dǎo)致造價、功耗和停電數(shù)據(jù)保護和電氣隔離等一系列問題。另一種方案是采用電池供電，這在電表采用低功耗設(shè)計時是可行的，并且?guī)碇T多好處。對于電表來說，這兩種供電方式都是可行的。但是對于某些過程儀表(如遠程壓力、溫度流量儀表等)，采用電池供電的低功耗設(shè)計就具有更大的優(yōu)勢。本選題也探索了電池供電方案，并采用下列措施降低電表的功耗：1.采用低功耗MSP430系列單片機：2.使用低功耗外圍器件(如運放等)：3.數(shù)據(jù)的采集和功率的計算按一定周期(如每秒種一次)喚醒，電表大部分時間處于休眠狀態(tài)。3.2MSP430C3XX系列單片機單片機是電能表的數(shù)據(jù)處理部分的核心器件，系統(tǒng)要求在短時間處理大量的數(shù)據(jù)，因此要求單片機有較高的運算速度。本選題在對多種單片機進行了解后，決定采用MSP430系列單片機MSP430X32X作為電能表的核心。MSP430系列單片機是美國儀表(TexasInstruments)公司生產(chǎn)的以超低功耗為主要特色的16位單片機MSP430X32X系列屬于外圍較為豐富且支持LCD的中檔產(chǎn)品，其部結(jié)構(gòu)如圖3-2MSP430X32X系列的部結(jié)構(gòu)圖3-2所示，主要特點如下：2.5-5.5V工作電壓：消耗電流0.1(備用模式)一400uA(1MHz，3V)，5種低功耗方式：16位RISC體系，僅27條核心指令，指令周期300nS：采用32KHz晶振，部時鐘達3.3MHz：圖3-3MSP430X32X系列管腳片LCD驅(qū)動器多達84段片12+2位A/D轉(zhuǎn)換靈活強大的處理能力看門狗定時器定時器口(具有比較器的2個八位或1個16位定時器，5個輸出一個I/O適于作斜坡AD轉(zhuǎn)換)基本定時器((2個八位或1個16位定時器)I/O口0（8個I/O均有中斷能力)。圖3-3由此可見它特別適合用于智能儀表、智能化家用電器、電池供電便攜式設(shè)備等產(chǎn)品之中。MSP430X32X系列包括ROM版本C323(8KBROM，256BRAM)與C325(16KBROM，512BRAM)，OTP版本P325A和EPROM版本E325A。MSP430使用的時鐘有ACLK，MCLK和SMCLK，其中ACLK是晶體振蕩器的頻率，一般使用32768Hz的晶振，這樣就允許低頻時鐘方式工作，從而降低功耗：MCLK通過鎖相環(huán)(FLL)和數(shù)控振蕩器(DCO)得到，其頻率在復(fù)位后的初始化中自動設(shè)置為ACLK的32倍即1.048MHz，然而可通過軟件設(shè)置為ACLK的2-128倍SMCLK是子系統(tǒng)時鐘，取決于外圍模塊的要求，可來自晶振或MCLK的分頻。MSP430系列的工作力一式支持超低功耗的多種需求，這些需求通過對不同模塊的工作方式和CPU工作狀態(tài)的管理來實現(xiàn)。在CPU中有R0-R15共16個16位寄存器，可用來存儲地址或數(shù)據(jù)，可對64K空間進行尋址。其中RO}-R3為專用寄存器，分別是程序計數(shù)器(PC)，堆棧指針(SP)、狀態(tài)寄存器(SR)和常數(shù)發(fā)生器(CG)。其它R4-R15為12個通用工作寄存器。在狀態(tài)寄存器SR有幾個影響CPU電流消耗和從低功耗狀態(tài)快速返回的標(biāo)志位，分別是SCGI，SCGO，OSCOff和CPUOff，其中：1.CPUOff：置位時，關(guān)閉CPU(禁止MCLK)：2.SCGO：置位時，禁止FLL+環(huán)路控制：3.SCG1：置位時，禁止DCOCLK信號：4.OscOff：置位時，禁止LFXT1晶體振蕩器。因此，通過對這些狀態(tài)位的控制，可實現(xiàn)如下6種工作方式：1.活動方式(AM)：SCG1=0，SCGO=0，OscOff=0，CPUOff=0：2.低功率方式0(LPMO)：SCG1=0，SCGO=0}，OscOff=0，CPUOff=1：3.低功率方式1(LPM1)：SCG1=0，SCGO=1，OscOff=0，CPUOff=14.低功率方式2(LPM2)：SCG1=1，SCGO=0，OscOff=0，CPUOff=15.低功率方式3(LPM3)：SCG1=1，SCGO=1，OscOff=0，CPUOff=16.低功率方式4(LPM4)：SCG1=X.SCGO=X，OscOff=1，CPUOff=1由此可見在低功率方式下，CPU均停止了工作。MSP430系列在電源為5V時活動方式下的工作電流大約為0.9mA，而在LPM3下則可低到2uA，僅相當(dāng)于電池的自放電電流。在任何低功率方式下均支持中斷操作，一旦中斷發(fā)生即可將系統(tǒng)從當(dāng)前工作方式中喚醒進入活動方式，而且可在中斷處理結(jié)束后返回原先的低功率方式。在LPM3方式下，RAM，32768Hz晶振、ACLK，8位定時器、基本定時器、復(fù)位邏輯和部分選定的外設(shè)保持工作，本設(shè)計利用這種方式來降低電池的消耗。MSP430系列的低功耗方式在其它過程智能儀表中也大有可為。MSP430X32X中的各個模塊，這些模塊包括ADC、EPROM、晶振緩沖器、系統(tǒng)時鐘、定時器/口、八位定時器/計數(shù)器、基本定時器、LCD驅(qū)動器、PO口和特殊功能寄存器等，這些模塊統(tǒng)稱為外圍(Peripheral)，創(chuàng)門的編程和應(yīng)用要用到一些特定的存儲單元(寄存器)，這些單元占有相應(yīng)的地址。MSP434X32X的存儲空間分配3.3中斷與部分資源的應(yīng)用設(shè)計3.3.1MSP430的中斷系統(tǒng)MSP430C32X的各中斷矢量和加電時起始地址位于OFFFFh-OFFEOh的ROM中，中斷矢量包含一個相應(yīng)的中斷處理指令序列的16位地址。在16級中斷中，某些級別是為MSP430C32X不具有的模塊提供的。為中斷系統(tǒng)服務(wù)的4個寄存器：中斷允許寄存器IE1和IE2，中斷標(biāo)志寄存器IFG1和IFG2屬于特殊功能寄存器模塊。3.3.2定時器的應(yīng)用MSP430C32X具有看門狗定時器(WDT)、基本定時器I(BasicTimerI)，8位定時器/計數(shù)器(8-bitTimers/Counter)等定時器模塊，在電能表的設(shè)計可根據(jù)需要加以運用。MSP430的復(fù)位電路可產(chǎn)生兩種部復(fù)位信號，一個是POR(Power-onReset)，一個是PUC(Power-upClear)。前者是器件復(fù)位，由上電過程或(設(shè)置為復(fù)位方式的)復(fù)位引腳上的低電平信號引起：而后者則有如下三種產(chǎn)生途徑：POR、WDT溢出、WDT編程安全碼出錯和(設(shè)置為復(fù)位方式的)復(fù)位引腳上的低電平信號。POR信號必然產(chǎn)生PUC信號，而PUC則不會產(chǎn)生POR信號。上電(POR/PUC組合)后的初始狀態(tài)如下：所有的1/O引腳處于輸入方式：狀態(tài)寄存器復(fù)位：程序計數(shù)器從OFFFEH單元取得地址，并從該地址執(zhí)行程序：所有的I/O標(biāo)志清零和各外圍模塊與其寄存器的初始化則各有特點，用戶程序可對各種標(biāo)志進行分析以確定復(fù)位的來源并采取相應(yīng)的措施?？撮T狗定時器(WDT)其主要功能是當(dāng)程序發(fā)生故障時，能夠在一定時間使失控系統(tǒng)恢復(fù)正常。其中有一個16位計數(shù)器WDTCNT，用于確定一個定時時間，如果在該定時時間不對其進行清零的話，則將發(fā)生PUC信號。WDT具有2種工作模式，既可作看門狗也可作定時器。如果應(yīng)用中不需要看門狗功能，則可以把它當(dāng)作定時器用，當(dāng)選定的時間到了后會產(chǎn)生中斷。定時器模式用WDTCTL的TMSEL位置位來選擇。這一模式產(chǎn)生選定時間的周期性中斷，定時時間可以通過軟件對WDTCTL寄存器的CNTCL位置位來開始。對看門狗控制寄存器WDTCTL寫入需要口令才可執(zhí)行，即控制字的高字節(jié)必須為O5Ah，否則會PUC：上電或系統(tǒng)復(fù)位后，看門狗定時器自動進入看門狗模式。此時，在看門狗控制寄存器WDTCTL中各位和看門狗計數(shù)器WDTCNT中各位復(fù)位。WDTCTL寄存器中的初始狀態(tài)的定時時間是32ms(在系統(tǒng)時鐘頻率為1.048MHZ時)。由于系統(tǒng)時鐘發(fā)生器中的數(shù)字控制振蕩器DCO置為以最低頻率工作，軟件有大約32600個時鐘周期的時間來改變這一設(shè)置，這些設(shè)置涉與對看門狗控制器WDTCTL的下列操作：1.通過SSEL，IS1和ISO三位可選擇8種不同的定時時間，在ACLK為32768HzMCLK為1.048MHz時，最短為64s，最長為1s：2.在WDTCTL的CNTCL為寫“1”3.通過TMSEL位選擇看門狗方式或定時器方式：4.通過對NMIES和NMI的編程選擇RSTINMI引腳的作用是產(chǎn)生復(fù)位還是產(chǎn)生非屏蔽中斷：5.通過HOLD暫停計數(shù)器的計數(shù)。可以采用停止模式來支持器件的超低功耗特性。基本定時器1基本定時器(Basictimerl)有兩個8位計數(shù)器(BTCNTI與BTCNT2)和一個控制寄(BTCTL)。它可以工作在2個獨立的8位定時器/計數(shù)器或1個16位定時器/計數(shù)器。(BTCTL)。它可以工作在2個獨立的8位定時器/計數(shù)器或1個16位定時器/計數(shù)器。BTCNT1的時鐘由ACLK提供，通常用于向其它外圍模塊提供低頻控制信號，如電能表液晶顯示模塊的時鐘信號。控制寄存器中的SSEL和DIV控制BTCNT2的時鐘源在ACLK，MCLK和BTCNT1的最高位輸出即ACLK/256中進行選擇。如果選擇后者作為時鐘源，則即是運行于16位模式。控制寄存器BTCTL中的低3位IP2-IPO決定一個定時中斷的時間間隔，即是建立中斷請求標(biāo)志BTIFG的間隔時間。由圖3-4可知，一個定時器中斷頻率可設(shè)置為BTCNT2的輸入時鐘的2n（n=1-8）次分頻?？刂萍拇嫫鰾TCTL中的FREQ1和FREQO選定LCD的驅(qū)動頻率?？刂萍拇嫫鰾TCTL中的HOLD可以停止計數(shù)操作。八位定時器/計數(shù)器八位定時器/計數(shù)器，主要包含以下模塊：8位帶預(yù)置數(shù)寄存器的增計數(shù)器：8位控制寄存器：輸入時鐘選擇器：沿檢測電路(如檢測異步通信的起始位)由8位計數(shù)器的進位信號觸發(fā)的輸入輸出數(shù)據(jù)鎖存器3個主要功能是串行通信或數(shù)據(jù)交換：脈沖計數(shù)或脈沖累加：定時器。由于在MSP430C323單片機中沒有硬件串口通信功能，利用8位定時器/計數(shù)器的實現(xiàn)軟件串口通信功能。在這種應(yīng)用中將定時器/計數(shù)器用作波特率發(fā)生器，將P0.1和P0.2分別用作異步串行通信的RXD和TXD引腳。在該模塊的控制寄存器中的最低2位用于通信，其中RXD是一個只讀位，它在計數(shù)器產(chǎn)生進位時將P0.1引腳上的數(shù)據(jù)予以鎖存：而TXD的數(shù)據(jù)由軟件寫入，而在計數(shù)器產(chǎn)生進位時將這個數(shù)據(jù)送到P0.2引腳。3.3.3通用定時器/口通用定時器/口模塊具有2個八位計數(shù)器TPCNT1和TPCNT2，一個用于觸發(fā)TPCNT1的輸入引腳CIN和6個3態(tài)數(shù)字輸出TP0.0-TP0.5。兩個計數(shù)器的時鐘都可以在外部信號和部時鐘(ACLK和MCLK)中進行選擇。兩個計數(shù)器可串接為一個16位計數(shù)器。兩個計數(shù)器共用一個中斷矢量，中斷可由門控信號或計數(shù)器的溢出產(chǎn)生。該模塊的控制結(jié)構(gòu)擁有5個寄存器，除了2個8位計數(shù)器外，控制寄存器TPCTL、數(shù)據(jù)寄存器TPD和允許寄存器TPE用于對模塊進行設(shè)置。定時器/口模塊很容易實現(xiàn)脈沖(包括PWM)波形的輸出，例如產(chǎn)生紅外通信所需的38.4KHz的載波。3.3.4通用口PO通用口PO包含8個通用I/0引腳，這8個引腳均可以單獨控制并具有中斷能力。PO通過8位存儲器數(shù)據(jù)總線和存儲器地址總線與處理器的核連接。PO具有自己的6個寄存器：輸入寄存器POIN、輸出寄存器POOUT、方向寄存器PODIR、中斷標(biāo)志寄存器POIFG、中斷標(biāo)志寄存器P01ES和中斷運行寄存器POIE，這些寄存器為PO的輸入輸出的配置提供了最大的靈活性。與系統(tǒng)的中斷標(biāo)志寄存器IFG1和中斷允許寄存器1E1一起合作進行配置和控制。PO的8個引腳除均可以單獨控制并具有中斷能力外，其中還有3個引腳具有一定的特殊性；—P0.3～P0.7為通用I/O—P0.2的結(jié)構(gòu)與P0.3-P0.7略有不同，其輸出可由POOUT.2確定，或者在8位定時器/計數(shù)器的輸出控制寄存器中的TXE位置1時，輸出UART的TXD信號；—P0.1也具有單獨的中斷矢量，其中斷源可以是引腳上的電平，也可以是8位定時器/計數(shù)器的進位信號。一旦8位定時器/計數(shù)器中的控制寄存器TCCTL中的中斷源控制位ISCTL被置位，P0.1的中斷源就被切換到8位定時器/計數(shù)器的進位信號，這一性能使得P0.1能被用作DART的RXD信號輸入：—P0.0具有單獨的中斷矢量。3.3.4中斷和部分資源的綜合運用中斷和定時器資源的應(yīng)用設(shè)計中考慮了如下的因素：在任何長期運行的實用儀表中，看門狗的使用是必須的：在儀表的設(shè)計中考慮采用電池供電，因此要充分利用低功耗方式：要提供輸入和輸出數(shù)據(jù)的手段，以便實現(xiàn)儀表數(shù)據(jù)(儀表系數(shù)，實時時刻，分時計費標(biāo)準(zhǔn)等)的輸入和使用數(shù)據(jù)(己用電能、電費等)的輸出：在電能測量中要提供高速的數(shù)據(jù)采樣和快速的電能計算。為此，本設(shè)計對中斷和定時器資源的應(yīng)用有如下的設(shè)想：1)看門狗設(shè)置每秒種動作一次并導(dǎo)致系統(tǒng)復(fù)位并執(zhí)行主程序，在完成一次電能計量和實時時鐘更新后進入LPM3方式，等待下一秒種的看門狗復(fù)位：2)基本定時器的BTCNTI提供LCD的驅(qū)動脈沖，BTCNT2產(chǎn)生高速定時中斷，對電壓和電流進行采樣：3)八位定時/計數(shù)器和P0.1與P0.2協(xié)同用于采用紅外的異步串行通信。4)P0.6與P0.7用于模擬I2C3.4ADC14的原理與電壓電流輸入通道的設(shè)計3.4.1MSP430的ADC14模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊在電能表設(shè)計中，A/D的選擇十分重要，它直接影響了電能表的準(zhǔn)確度。而正確選擇A/D轉(zhuǎn)換器的關(guān)鍵是合理選擇A/D的字長(位數(shù))和轉(zhuǎn)換速率。AID轉(zhuǎn)換器位數(shù)決定了其分辨率，n位A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率為1/2n。在儀表設(shè)計中，A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率通常應(yīng)比總精度要求的最低分辨率高一個等級。電能表在一般測試系統(tǒng)中要求的最高精度為一級(1%)，14位A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率在理論上可以達到0.0061，可見14位A/D轉(zhuǎn)換器完全可以滿足測量精度的要求。MSP430X32X系列單片機采用的14位數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊ADC14有以下特點：AO-AS為6路AID轉(zhuǎn)換的模擬量輸入引腳，然而這6個引腳也可以作為數(shù)字量的輸入口：有4路模擬輸入端用于可編程電流源：建采樣/保持電路：在轉(zhuǎn)換結(jié)束時提供中斷信號，同時有轉(zhuǎn)換結(jié)果暫存器用于暫存結(jié)果，直到下次轉(zhuǎn)換開始：低功耗，可將模塊的供電開啟或關(guān)閉：4個部通道，可用于溫度、AVcc與外部參考電平的采樣：整個轉(zhuǎn)換過程由模塊獨立完成，不需要CPU的額外開銷：可選12位或14位分辨率，且有較快的轉(zhuǎn)換速度。ADC14的基本原理可通過其控制寄存器ACTL來加以描述。ACTL是對ADC進行編程的主要寄存器ACTL中各位意義如下：1)啟動轉(zhuǎn)換(SOC)該只寫位啟動由ACTL寄存器其它各位所定義的轉(zhuǎn)換，其讀出總是O。2)電壓基準(zhǔn)位(VREF)該位決定采用外部的或是部的電壓基準(zhǔn)用于轉(zhuǎn)換。VREF=0時使用外部基準(zhǔn)，基準(zhǔn)電壓輸入端SVcc上外接可提供80A電流的基準(zhǔn)電壓：VREF=1時采用部電壓基準(zhǔn)，此時在AVcc和SVcc之間的一個晶體管導(dǎo)通，這時SVcc輸出端子直接連接到AVcc上，SVcc上無須外接基準(zhǔn)電壓。SVcc。端上的電壓是所有ADC的基準(zhǔn)，代表(16384)。3)轉(zhuǎn)換輸入選擇(ADInputSelect)BS=1時不選擇任何ADC通道：BS=0時，B2-B4選擇AO-A7等8個輸入端之一(MSP430X32X系列無A6，A7輸入端)。4)電流源輸出選擇(CurrentSource)選擇AO-A3中的某一個作為電流源的輸出。5)量程選擇(RangeSelect)定義模擬量的輸入圍如表3-8所示。整個模塊可以設(shè)置為兩種工作模式：12位模式和14（12+2)位模式。轉(zhuǎn)換模式由ACTL寄存器中的第11位的狀態(tài)決定。在14位模式下，輸入信號將被采樣兩次：一次是確定電壓圍的高2位，后一次是12位精度轉(zhuǎn)換，這樣轉(zhuǎn)換的結(jié)果就是14(12+2)位結(jié)果。對于12位轉(zhuǎn)換模式，與其它MSP430單片機12位A/D轉(zhuǎn)換原理一樣，只是需要預(yù)先設(shè)定轉(zhuǎn)換電壓圍。在兩種模式下，當(dāng)一個轉(zhuǎn)換完成時，都將自動給出中斷標(biāo)志EOC=1，表示完成了一次轉(zhuǎn)換。6)掉電位(PowerDown-PD)PD=1時關(guān)掉比較器、SVcc開關(guān)和電流源等，使ADC功耗最少。7)時鐘頻率選擇(ClockFrequencySelect)ACTL.13和ACTL.14用于選擇A/D轉(zhuǎn)換的時鐘頻率ADCLK為MCLK除以1，2，3或4。14位ADC完成一次轉(zhuǎn)換總共需要132個ADCLK周期。若MCLK為3276832=1048576Hz，并且選定ADCLK等MCLK，則每次A/D轉(zhuǎn)換所需的時間為：132/1048576Hz=125.885。在電能表的設(shè)計中需要通過定時器中斷來穩(wěn)定采樣頻率，定時中斷的間隔必須大于125.885。ADC14模塊除了輸入端口外，還有RC型模數(shù)轉(zhuǎn)換器、控制電路與時序電路等。通過設(shè)置模塊中的轉(zhuǎn)換控制寄存器(ACTL)、輸入允許寄存器(AEN)和數(shù)據(jù)寄存器(ADAT)的各位實現(xiàn)對ADC14的控制。A/D轉(zhuǎn)換模塊的供電可以控制，當(dāng)關(guān)閉模塊的供電時，模塊將停止電流的消耗，以節(jié)省系統(tǒng)能耗。供電信號可以將模塊激活，但不能馬上就轉(zhuǎn)換，它需要6的準(zhǔn)備時間。3.4.2電壓電流輸入通道的設(shè)計本選題的設(shè)計是面向戶用型電能計量的，其成本的控制是能否進入市場的關(guān)鍵。為此采用如下具有特色的輸入通道設(shè)計，即摒棄傳統(tǒng)電能表的雙線圈感應(yīng)盤結(jié)構(gòu)，也不采用昂貴的電壓和電流互感器，而是直接采用電阻獲取電壓和電流信號，這一設(shè)計雖然沒有儀表與被測電路的隔離，但是可以大大降低儀表的成本。電壓、電流采集通道實現(xiàn)將交流高電平信號轉(zhuǎn)換成單片機能夠處理的低電平信號。圖4-3電壓電流采集電路交流被測電壓經(jīng)電阻分壓器分壓后連接單片機的AID轉(zhuǎn)換輸入A1，AS，注意其中AS接入的是單相電壓的中線電平。交流被測電流經(jīng)與中線連接并與負(fù)載串聯(lián)的采樣電阻Rs（其大小取決于電表的最大負(fù)載電流)轉(zhuǎn)換為電壓，然后接入MSP430C323的A0、A5。本設(shè)計在采集通道的設(shè)計中注意到以下問題，并采取了針對性的特殊措施。1.分解電源的使用AO，A1相對于A5(即中線電平)的兩個低電平電壓信號代表電流和電壓，相對于A5是交變信號。因為單片機的ADC模塊只能進行單方向電平的轉(zhuǎn)換，因此CPU的電源需采用所謂分解電源（SplitPowerSupply)的由兩個串聯(lián)的2.5V電源組成的雙電源設(shè)計。如果把這兩個電源看作士2.5V的話，那么+2.5V接DVcc和AVcc，而-2.5V則接到DVss和AVss，其公共端與220V交流輸入的中線連接在一起。這樣上述電壓電流信號雖然相對于A5是交變信號，只要其峰值不超過2.5V則相對于DVss和AVss均是單向信號。這種電源配置同時滿足5V的工作電源要求。2.AID轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)電壓的選取。如前所述，ACTL寄存器中的電壓基準(zhǔn)位(VREF)決定采用外部的或是部的電壓基準(zhǔn)用于轉(zhuǎn)換。本設(shè)計采用VREF=I，即采用部電壓基準(zhǔn)，此時在AVcc和SVcc之間的一個晶體管導(dǎo)通，這時SVcc輸出端子直接連接到AVcc上，SVcc上無須外接基準(zhǔn)電壓。這時電壓基準(zhǔn)即是兩個電源電壓之和，以Vcc表示。這個SV左右的電壓，代表(16384)。A/D轉(zhuǎn)換采用比較高的基準(zhǔn)電壓可望在保證分辨率的同時減少噪聲的影響。3.基準(zhǔn)電壓的修正措施。無論電能表采用電網(wǎng)供電還是電池供電，以電源電壓Vcc作A/D轉(zhuǎn)換的基準(zhǔn)都是不理想的，因為這個電壓值會隨時間而變化，導(dǎo)致同樣的電壓電流在不同的時刻得到不同的數(shù)值。當(dāng)Vcc變低，得到的AID值會偏大，反之則偏小。因此必須采取必要的修正措施。本設(shè)計中采用了一個集成的微功耗電壓基準(zhǔn)LM385B-2.5，該器件最低可僅消耗20電流即可提供高穩(wěn)定度的2.5V電壓。把這個電壓通過A4輸入，同樣對它進行AID轉(zhuǎn)換。顯然在電源電壓Vcc亦即A/D轉(zhuǎn)換的基準(zhǔn)變化時，對LM385電壓的轉(zhuǎn)換值也是變化的。設(shè)LM385B的電壓(假定為準(zhǔn)確的2.5V)經(jīng)轉(zhuǎn)換得到，則有：（式3-1）由此可得到一個修正系數(shù)：（式3-2）則在同樣的Vcc下得到的不準(zhǔn)確的電壓電流A/D值Du’和Di'可利用Kc進行修正，得到正確的A/D值Du和Di。（式3-3）（式3-4）上述修正過程可消除電源電壓的影響并且無須測量電源電壓的具體數(shù)值，使得不管電源電壓如何變化，一樣的電壓電流總是得到一樣的轉(zhuǎn)換值。兩個前提之一為A/D轉(zhuǎn)換是線性的，二為輸入信號電平不得越出0-Vcc的圍。3.5LCD接口模塊與其應(yīng)用數(shù)據(jù)顯示是電能表不可缺少的組成部分，智能儀表最為節(jié)能的顯示器非液晶顯示器(LCD)莫屬。液晶顯示器必須由交流電壓驅(qū)動，而直流電壓加到LCD上將導(dǎo)致?lián)p害。因此自行設(shè)計LCD的驅(qū)動電路是一件復(fù)雜的工作。如前所述，MSP430系列圖3-4LDC接口技術(shù)單片機特別適用于智能儀表以與電池供電儀表中，它的一大特色就是含有液晶驅(qū)動模塊，可以大大簡化電路的設(shè)計。液晶的驅(qū)動方式有四種：靜態(tài)：MUX或1I2占空比、1/2偏壓：MUX或113占空比、1/3偏壓：MUX或114占空比、1/4偏壓：MS0430X3XX單片機的液晶驅(qū)動模塊段極有21個段極(So-Sza)、4個公共極(COMO-COM3)輸出，在4路復(fù)用(MUX)的情況下夠驅(qū)動84個LCD顯示段。作為外圍模塊，LCD驅(qū)動器占有16個8位寄存器，其中1個(30h)用作LCD控制與方式寄存器，另外IS個((31h}-3Fh)用作顯示存儲器。本電能表采用TI公司生產(chǎn)的液晶顯示器T218010作為電能表顯示器。該顯示器具有符號顯示和7位數(shù)字顯示，具有14個段位引腳和4個COM引腳，滿足配合單片機的液晶驅(qū)動模塊顯示電能測量數(shù)據(jù)的需求。T218010的引