闪存MCU在实现农网表方案的应用
国内民用单相表一般可分为机械式电能表（感应式电能表）和电子式电能表两大类。过去机械式电能表的市场保有量比较大，但由于机械式电能表存在重量大、成本高、信息采集不方便等缺点，因而正在逐渐退出市场；而电子式电能表经过近20年的发展，在技术上正日趋成熟。 新一代电子式电能表也称智能电表，该产品具备诸多优点，例如功能扩展方便；便于信息化集中管理；节约材料能源；灵敏度高；精度高；一致性好；误差曲线平稳；便于自动化生产；耐机械振动能力强；重量轻等。因此随着技术日趋成熟，此类产品的市场认知度显著提升，现已经成为国内民用单相表的主流。 HR6P71F芯片特点 1、内核 采用高性能哈佛型RISC CPU内核，具有48条精简指令，工作频率为DC~16MHz，8级PC硬件堆栈，复位向量位于000H，默认中断向量位于004H，支持中断向量表，支持中断处理，共有14个中断源。 2、存储资源 具有4Kx15位FLASH程序存储器和224x8位SRAM数据存储器；程序存储器支持直接寻址和相对寻址；数据存储器支持直接寻址和间接寻址。 3、I/O端口 共有15个I/O端口，包括PA端口（PA0~PA4，PA6~PA7）和PB端口（PB0~PB7）。 4、外设 一个8位定时器T8；一个8位PWM时基定时器T8P；一个16位定时器T16N；一路通用异步收发器UART；7通道8位模拟数字转换器ADC；两个模拟比较器ACP和一个参考电压模块。 5、特殊功能 有一个高精度内部4M振荡器，出厂时精度校准为±5%；支持低功耗休眠模式及唤醒操作；内嵌上电复位电路和低电压复位电路；支持外部复位；支持独立硬件看门狗定时器；支持在线编程（ISP）接口；支持编程代码保护；工作电压范围为3.5V~5.5V；工作温度范围为-40℃~85℃。 系统方案设计 1、基本功能 基于微控制器HR6P71F的农网表方案主要实现有功电能信号的采集、电量存储与显示，并通过RS485或者红外的方式通信，实现信息传输等功能。 1） 有功电能信号的采集 该方案的电能计量部分采用ADE7755芯片，通过对电压电流回路信号的采集，将电能值转换成相应的电能脉冲信号，MCU通过对电能脉冲信号采集和计算，转换为相应的计量数值，同时具备正、反相有功电能计量的功能。 2） 电量存储与显示 MCU采集到电能信号后，及时存储到EEPROM中，保证存储的数据不被丢失，并且能保持10年以上，通过LCD显示信息，例如电量总数等。 3） 通信 支持RS485通信和红外通信。在RS485通信情况下，自动抄表系统可根据电表地址实现远程自动抄表功能，通信距离：不小于1，200m（每两个接点之间），为了安全保护电表，RS485通信接口必须和电表内部电路实行电气隔离，并有失效保护电路。红外通信距离应该大于 5米，通信角度≥±15°，红外通信和 RS485 通信在物理层必须独立，一种通信信道的损坏不得影响另一信道。 2、硬件设计 该方案在硬件上由三部分组成，一是电能计量部分，二是MCU控制部分，三是通信部分。 电能计量部分与MCU控制部分通过光电耦衔接，实现完全隔离，电能计量部分主要完成有功电能脉冲输出，用于校表、采集电能量；无源光电隔离型输出端口；波形是标准方波， 脉冲宽度为80ms±20ms。RS485通信部分与MCU控制部分也是通过光电耦衔接，实现完全隔离；红外通信部分与MCU控制部分共同使用一个电源，没有隔离。 3、软件设计 主程序流程图如图2所示，在主程序中主要实现以下功能：1）系统初始化的配置主要实现端口初始化、AD模块初始化、T8P和T16定时器的初始化以及UART的初始化等；2）上电读取EEPROM中存储的电量到芯片的RAM区，配置到对应的电能计量单元中，其中读取EEPROM数据使用的是普通I/O口模拟IIC的方法；3）LCD显示当前的总用电量等信息，方便用户查阅；通信模块主要是把电表内的一些信息，例如电表号，累计总用电量，电表密码等与主站服务器实现信息交流；4）当查询到电量存储的标志后，程序将把当前的电量存储到EEPROM中，当AD模块检测到有电源掉电时，程序将保存当前的电量存储到EEPROM中。 图2 主程序流程图 中断服务程序如图3所示。在中断服务服务中，外部端口中断主要处理电能脉冲计量，配合T16的定时功能。当电能计量信号有效后，在程序中累加，以0.01度电为基准累加。当累计到一度电时，产生存储标志位，在主程序中查询到该标志位后，经进行存储工作。T8P将作为红外通信的时基处理红外通信。接收中断处理是将接收的数据放到计划好的RAM区，在主程序的RS485通信子程序中根据命令字完成相应的工作；发送中断处理是将准备好的数据发送出去。 图3 中断服务程序 方案设计注意事项 在该方案中，电能计量是关键，因为关系到用户的电能计费，既不能多计也不能少计，一定要把用户的实际用电量真实记录下来。但是电网的环境复杂，电网中的负载也存在多样化，电表在实际应用中，即使在遇到强电磁干扰的情况下都不允许漏记或者多计脉冲。因此，如何保证计量电能脉冲的准确性就是电表方案的重点。要点如下： 1）硬件支持。好的硬件设计能在一定程度上削弱电磁干扰信号； 2）HR6P71F芯片的外部中断口内有滤波电路，可以保证去除一部分失效信号或者干扰信号； 3）程序中的设计技巧。因为电能脉冲波形是标准方波，脉冲宽度为80ms±20ms，需要定时器T16来定时40ms~50ms左右，以确保脉冲信号的有效。在中断服务程序中，进入中断后第一个要检测的就是外部中断信号，中断服务程序要尽量短，在服务程序中设置标志位，到主程序中处理标志即可。 整个系统的性能可靠性需要硬件来支持，对芯片的要求也非常高。HR6P71F芯片内部有独特的抗干扰设计，能在强干扰的环境中正常工作，识别有效信号，去除失效信号；芯片内部的上电复位电路和掉电复位电路，能保证电表在电网中电压缓升缓降的环境下仍然有效工作；此外，独立RC的看门狗电路也是保证系统安全的基本措施之一。 本文小结 目前电能表市场的竞争愈加激烈，随着中国本土半导体厂商逐渐成长起来，产品日益成熟，越来越多的电能表厂家开始尝试国产芯片。HR6P71F芯片在电能表上EFT的测试能达到4.5kV以上，可以通过各种电磁干扰性能测试，高性价比的整体方案可帮助电能表厂商提升产品竞争力。
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