电子电能表与电能测量技术讲座——第七讲 以MSP430设计.pdf

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1、仪 表 技术 2 0 0 3 年第 3期 电子电能表与电能测量技术讲座 第七讲 以 MS P 4 3 0设计 的电子 电能表 本 刊 编辑 部 摘要：介绍 1 6位 R I S C信 号处理芯 片 MS P 4 3 0的管脚 功能、内部 功能框 图、测量原理和 以 MS P 4 3 0 C 3 2 X设计 的 电子 电能表。关键词：电能表；微控 制器；测量 M S P 4 3 0是美国 r I I 公 司最近正在推广的 1 6位超低 功耗微控制器。它采用精简指令 集(R I S C)结构。这种 结构与分时复用数据线和指令线的集 中指令集(c i s c)结构不同，它将数据线和指令线分离，使得取

2、指令和取 数据可同时进行，执行速度很快；因这种微控制器的指 令多为单字节指令，故程序存储器的空间利用率也很 高。MS P 4 3 0有基于闪存的 F 1 系列、基于闪存且带 有 L C D驱动器的 F 4 系列、带有 L C D驱动器但基于 R O M O T P的 3系列等产品。管脚从 2 01 0 0条，以 S S O P、Q n,、P L C C、J L C C和 S O I C等形式封装。本讲介 绍 M S P 4 3 0 C 3 2 X和它在 电能表 中的应用。1 MS P 4 3 0 C 3 2 X 管脚 功能 M S P 4 3 0 C 3 2 X有 6 4条(或 6 8条)引脚

3、，以 Q F P等形 式封装。管脚排列如图 1 所示。P 1 A V c c，正模拟电源 电压，2 55 V；P 6 3 A V s s，模 拟 电路参 考地；P 2 D V c c，正数字 电源 电压，2 55 V；P 6 4 D V 数 字 电路 参考 地；1：6 1 A 0，A D转换 器输入 口 0或数字输 入 口0；1：6 2 A1，A D转换器输入 口 1或数 字输入 口 1；P 5一P 8 A 2一 A 5，A D转 换器 输入 口 25或数 字输 入 口 25；P 3 s V c c，接 A V c c 到 A D转换器；P 4 R 。，内部 电流源的编 程 电阻输入端；P 9

4、 X i，晶振输 入端；P 1 0 X。T C L K，晶 振输 出端或测试时钟输入；P l l C I N，允许计数 器 T P C N T 1(T i m e r P o r t)的输 入；P 1 2 一P 1 6 T P 0 0一T P 0 4，通 用 3态数字输入 口，T i m e r P o r t 位 0 4；P 1 7 T P 0 5，通用数 字输入 输出 口，T i m e r P o r t 位 5；P 1 8 P o 0，通用数字 I ，0；P 1 9 P 0 1 R X D，通用数字 I O，接收数字式输入 口；P 2 0 P O 2 T X D，通用数字 I O，发送

5、数据输 出口；P 2 1 一 P 2 5 P 0 3P 0 7，5位 通 用 数 字 I O，位 3一位 7；P 2 6 1 t 3 3，第一级正模 拟 L C D电平(V 1)的输 出；1 9 2 7 1 9 2 9 R 2 3、R 1 3、R 0 3，第二级、第三级、第 四级正模拟 L C D电 平(V 2、V v 4)的 输 入；P 3 0一P 3 1 S O、S 1，L C D 段 线 S 0、s l；P 3 2一P 3 5 S 2一$5 0 20 5，L C D段线 S 2一s 5或 数 字 输 出 口 0 2 0 5；P 3 6一P 3 9 S 6$9 0 60 9，L C D段

6、线 s 6一s 9或数字输 出口 0 60 9；P 4 0P 4 3 S 1 0 S 1 3 O 1 00 1 3，L C D段线 S 1 0一S 1 3或数 字输 出 口 O 1 0 O 1 3；P 4 4一P 4 7 S 1 4一S 1 7 O 1 4一O 1 7，L C D 段 线 S 1 4一 S 1 7或数字输出口 O 1 4一O 1 7；P 4 8一P 4 9 S 1 8一S 1 9 O 1 8 0 1 9，L C D段线 S 1 8、S 1 9或数字输 出 口 O 1 8、0 1 9；P S O S 2 0 O 2 0 C MP 1，L C D段线$2 0或 比较器输 入 口 C

7、 MP 1 (T i m e r P o r t)等；P 5 1一P 5 4 C O M 03，L C D公共 电极 的 输出；P 5 5 T D O T D I，数 据输 出或编 程期 间的数据端；P 5 6 T D I V P P，数据输入或编程 电压输入端；P 5 7 T MS，测试模式选择；P 5 8 T C K，器件编程和测试 的时钟输入 端；P 5 9 R S T N MI，复位输入或非屏蔽 中断输入端；P 6 0 X B U F，系统时钟 MC L K或 晶振时钟 A C L K输出端。2 3 A4 A5 翮 X o I r r C L K C T P O T P仉1 T Po-

8、2 T Pn3 T t 4 t O0 5 P O 1 R,X D 2 MS P 4 3 0 C 3 2 X内部功能框图和测量原理 M S P 4 3 0 C 3 2 X的内部功 能框 图如 图 2所示。它由 采用 R I S C结构的 1 6位 C P U、6 个模拟输入通道公用的 1 4位 A D转 换 器、8 1 6 K B R O M、2 5 6 5 1 2 B R A M、8 4段 L C D驱动器、看门狗定时器、F L L时钟 系统(片内 D C O +晶振电路)、具有中断能力的 I O口和多个定时器等 组成。这种微控制器的核心指令 2 7条，源操作数的寻 址模式 7 种，目的操作数

9、的寻址模式 4种，且具有丰富 的中断能力。被测 的模拟信 号从 A 0一A 5输 入，片内 A D转换器将它们转换成对应 的数字式数据，处理后 驱动 L C D显示器显示或经 串口传送给主机。M S P 4 3 0 C 3 2 X以简化扫描原理(R e d u c e d S c a n P r i n c i p i e)测量和计算负载消耗的电能。被测电压和被测 电流(已转换成对应 A D C量程的电压)接 A 0一 A 5，M S P 4 3 0在 软件程序的控制之下用 1 4位 A D转换器交替地测量这 些值。每个采样值都使用两次，分别 与前面的采样值、后面的采样值相乘，然后累加。为了减

10、少乘法次数，可 维普资讯 http:/ 2 0 0 3年第 3期 仪 表 技 术 一4 5 一 先求前后两次电压采样值的和，然后相乘。电能表的一种测量时序。被测电能 E为 瑚X a t a l O XB O F 图 3 是单相 使用 R S P测量的优点是很 明显 的，使用 1个 A D 转换器 就能测量几个模 拟量。对 M S P 4 3 0 C 3 2 X而 言，图 2 E=i (U 一 l+U )式 中，一 时刻的电流采样值(A)；U 一 l t 一 l 时刻的电压采样值(V)；U +l-t +l 时刻 的电压采样值(V)；一采样时间间隔(S)。I-一 I 电压 电瘴电压 电流 毒 =j

11、 _ 的 时 何 问 I卜 重 复 时 间 I 隅 使用 1 个 1 4位 A D C最多 能 测量 6个模拟量。3以 MS I 3 o设计 的 电能 表 M S P 4 3 0能 以 两 种 不 同 的角色在 电子 电能表 中使用(图 4)。图 4(a)中，M S P 4 3 0 的前端 接外 部模 数 转换 器，用其 测量 电能，输 出与 负载 消耗 的电能 相对 应 的脉 冲。MS P 4 3 0接 收 这 些 数 字 量 和 ,mn o一-，。对其 进 行 处 理。而 图 4(b)中，MS P 4 3 0利 用 自身所带 的 A D转 换 器测 量 负载 电流、电压，和对 其 进行 处

12、 理。很 明显，后者成本 比较低，电路 也比较简单。设 t 时刻的电压 U =U s i n t o t，则 电流为 i =s i n (m t+)，t A t 时刻的电压采样值 一 l=U s i n(c o t 一 口)，t+时刻 的电压 采样值。+l=U s i n(c o t+口)。其 中 a=t o At：2 7 r f A t，以弧度表示 的因测量方法引入 的固有相移；为被测电压和被测 电流之间的相位差。因此，因测 量方 法 引入 的测 量误 差 e为：采样值，正丽=匿 ：0 5 1 s i n(t o t+9)U s i n(o t-a)+U s i n(c ot+a)一】Us

13、i n c o t s i n(c o t+)=C O S O 一1=c o s(2 f Ar、一1 此 结果 意 味着 每 个 以 R S P采得 的电能 采 样值 的误 差都为恒定值 e。这个固有误差仅与电流和 电压采样 值之间的固有相移 a有关，与被测电压和电流之间的相 位差 及测量 正弦波的采样点无关。因此，对所有采 样值都能使用相同的校正值进行校正。实际运行期 间，累加的电能乘以校正因子 C(=1 c o s(2 f At)就能消除 这种误 差。图 4 图 5、图 6是 以 M S P 4 3 0 设 计 的 电子 电能 表 的两 种 方 案。图 5测 量单 相 电能。被测 电 压经

14、 电阻 分压 器 分 压后接 M S P 4 3 0 C 3 2 X的 A 1、A 5；被测 电流经分 流电阻(如1 0 r 1 Q)和 放 大 器 转 换 为 对 应 的 电 压 后 接 M S P 4 3 0 C 3 2 X的 A 0、A 5。为 了把来 自分压器 和分 流器 的正负交变的电压转变为 A D C量程 内的无符号 的电 压，使 用 了 2 5 V两个 电源。它们 的公共 地接 A 5，MS P 4 3 0以规定的时间间隔测量此 电压，并从 以后每次 测得的电压、电流采样值中减去它，以此法对有符号的 被 测量 进行 测 量。为了产生测量 的基准，图中使用 了 1个基准二极 管

15、L M 3 8 52 5。它 的稳定性应 优于要求 的电表精度 的 4倍。为了减少 电源 电流，L M 3 8 5能够仅在测量基 准期 间接通。如果 2 5 V电源 的精度 和稳定性足够 好，这个 基准 二极 管 可省 去。如前所述，被测 电流应先经分流器转变为电压，然 后用 MS P 4 3 0测量。因分流 电阻阻值较小(约为 0 3 3 0 r )，产生的电压降也较小，故需接运算放大器放 维普资讯 http:/ 4 6 仪 表 技 术 2 0 0 3年第 3期 图 5 后备电池 图 6 大。图示 电路输出的E g E,U。为=-，L =-1 7 R 此式对 应较 小的负 载 电流。若负 载

16、电 流较大，可令开关闭合，此时。u t：一，L Rs1 70 _ _-6：一(1 7 0 6)1 L R s 如果需要 的话，以类似方式可 以获得更 多 电流量 程。MS P 4 3 0 C 3 、M S P 4 3 0 F 4 内含 8 4 段 一1 6 0段 L C D驱动 电路，因此，测 量结果可直接送 L C D显示器显示。为了存储 校准数 据、查 阅表、常 数 及电源故障期间不能丢失的那些数据，M S P 4 3 0右边接 了一 片 E E P R O M。取 决 于需要存储 的数据量，E E P R O M 的容 量 一般 为 1 2 8字 节或 2 5 6字 节。M S P的 D

17、 V c c 端通过二极管接后 备电池；直流电 源电压下跌时向处理器供 电。M S P 4 3 0的左 下角 接预 付 费接 口。插入有效的预付 费卡后，电能表 自动接 通 A C供电电源。M S P 4 3 0的 P 0 2和 P 0 1接 M总 线 接 口 T S S 7 2 1，接 电能 表 接 入 网络。利 用 M总线接 口，主机可送入合适 的信息 规定实际的费率；能 以用户规定 的协 议读出实际 的能耗和其 他感兴 趣 的 值；测试时，起动基于 R O M 的测试程 序或者下载和起动基于 R A M的测试 程序；校准时接校准硬件。M S P 4 3 0的 P 0 3接红外接 口，双

18、向传送数据，用 于校准、测试和读出数据。M S P 4 3 O的 P o 5用于脉冲输 出，消耗了一定 的电 能量后改变输出状态；以此状态的变 化送机械显示器显示或用于校准。图 6是 测 量 三 相 电 能 的 电 能 表 线路。3根 相线 和 1根 中性 线接 负 载。R、S、T三 相 电 压 经 电 阻 分 压 器 分压，变换 到适合 M S P 4 3 0测量 的范 围；三相电流经 电流互感 器和次级电 阻变 换 为 电 压 后 接 M S P 4 3 0。因 为 M S P 4 3 0 C 3 2 X只有 6个模 拟 输 入端，只能 测 量 3个 电流 和 3个 电压，基 准 二极管的

19、 电压 或参考地 电压 则无法 测 量，因此，图中 增加 了 1片 T L C 4 0 1 6 开关 电路。分压 后 的三相 电压 经它 接 M S P 4 3 0，M S P 4 3 0以 3个 输 出(1 1 P 3 5)选择被测的相。测量时序如图 7所示。图中 a仍 为因测量方法引入的固有相移；与测量单相电能不同，(下转第 4 9页)维普资讯 http:/ 2 0 0 3年第 3 期 仪 表 技 术 一4 9 一 V R l：，c R l=(0 56)I s R l N 2 门极 G与源极 S间的电压为 V G S=5一V R l=5 一(0 5 6)I s R l 即 V R l=(0

20、 56)I s R l 1 显然，若满足 6，s R。1，则 必满足上式 条件。解 此不等式得 图 2使 用 光 电 耦 合 器 的 断 信 号 检 测 电路 I R F U 2 2 0的开启电压 G s(r H)最小值为2 V，最大值为 4 V，跨导 g 的典型值为 2 6 S。当 小于 2 V时，N 2中 无导电沟道，其漏极上无电流流过，继 电器线圈 K M 中 也无电流流过，继 电器不 动作；而 当 达到开启 电压 时，N 2 的漏极上就开始有 电流，D流过。从厂家的数据 资料可以查到，当 V G s 为 4 V时，D 至少可达到 6 0 m A，该 电流也流过继电器线圈 K M，从而使

21、继电器动作。当信号 电流，s较大 时，c和 R 也较 大，G s 较 小，若小于 2 V，则根据上述分析，继 电器 不动作，所 以 继 电器不动作的充分条件是 V G s 5一 VR l3 显然，若满 足 0 5，s R 1 3，则 必满 足上 式条 件。解此不等式得，s 赢 m A 6 m A 即当，大于 0 6 m A时，继 电器将不动作。当信号电流，s 较小时，c和 R。也较小，而 s 较 大，若达到 4 V以上，则继电器动作，所 以，使继 电器动 作的充分条件是 VG S 5一 VR l4 ，s 赢-_m A 一 0 0 1 7 m A 即当，小于 0 0 1 7 m A时，继电器将动

22、作。当断信号 时，s、，c和 R l 都近似 为零值，Gs近似为 5 V，继电器动作。综上 所述，在信号 电流大于 0 6 m A时，继 电器将不动作；而 当信号 电流小于 0 0 1 7 m A和 断信号时，继电器将 动作。所 以，该 电路既可有 效地检测 出断信号故 障，又允许信号零点偏移 到 1 m A以下也 不会 误 判。断信 号故障情况可直接用场效应管 N 2 的状态或 继 电器 的触点状态来指示。在智能系统 中应用时，还 可以将继电器 K M 的一对动 断触点 K M N C串接到输 出端，如 图 2中所示，若有 断信号故 障则使继 电器动 作，其动断触点将断开，转换 电路与输 出

23、端子 的连 接。由于接地 电阻的作用，输出端呈现零电压状态，智 能系统可根据输出端子上电压是否为零进行断信号故 障判别，这样做可以节省一个开关量 I O接 口。检测电路除了发光二极管 D 外，其他部分 与信号 回路没有任何联 系，从而也不会产生影响。T L P 5 2 1中 发光二极管的正 向压降典型值是 1 3 V，对信号 回路的 负 载 能力 影响很 小。3结论 实际光电耦合器的传输特性 是非线性 的，以上仅 是近似计算，但误差很小。电路 中 R 的阻值也可取得更大一些，如取 5 1 k Q。此时，当信号电流小至 0 2 m A时，继 电器也不会动作，因此，允许更大的信号零点偏移范围。实际

24、运行表明，上述断信号检测电路结构简单，工 作可靠，对信号回路影响小，而且，还允许较 大范 围的 零点信号偏移。(郁红编发)(上接第 4 6页)l 一 I I I t 咯 争 蟾 寺 ；-2 次 A D 转 换 之 问 的 时 问 问 隔；+时 间 重复时间 图 7 它与两次 A D转换 的时 间差所对 应 的相移不 相等。为了与 A C电网隔离和获得较高的准确度，被测 电流 使用 电流互感器或铁氧体磁芯变换。电流互感器次级 电阻上 的压降。为：u0 u t L Rl 若被测 电流大，M S P 4 3 0可通过 T P 02令量程开关闭 合，使 u 变为。=瓦NpI L(R I R 2)需要的话，以类似方式可获得更多量程。图 6未接后备 电池，但接了一根 A C下跌检测线。一旦此线激活，则立 即将实际消耗 的电能等不可丢失 的数据存入 E E P R O M 中。(黄丽丽编发)维普资讯 http:/