引言

傳統(tǒng)的機械電能表，是通過磁力矩驅動鋁盤，帶計量器計量電量的。這種計量方式存在著壽命短、誤差大、需定期調試，容易竊電，現(xiàn)場抄表等諸多缺陷，操作的可靠性亦得不到保證，而且給城市電網(wǎng)的建設、規(guī)劃和分析帶來了很大困難。為了解決上述問題，具有防竊電功能的，液晶顯示的，帶有紅外通訊、485通訊的電子電能表逐漸被應用，而且將逐漸成為市場的主流。

系統(tǒng)組成

帶軟件校表功能的單向付費率表的系統(tǒng)結構如圖 1 所示。實現(xiàn)原理為：電網(wǎng)的電流和電壓信號通過分流器，被采樣芯片采樣過來，以脈沖(CF)的方式輸出給單片機，單片機通過對電能高頻脈沖CF的采集和分析，輸出電能指示脈沖信號，供脈沖燈和校表用，吧并利用CF信號，計算出采集到的電量，送到LCD驅動，在LCD上顯示，同時又寫入EEPROM；EEPROM中除了保存電量信息外，還有表號等信息，這些信息可以通過紅外和485通訊抄讀和設置，也可以在LCD上顯示。

硬件設計

硬件設計如圖1所示，分為時鐘供給模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、脈沖采集模塊、軟件校表模塊、掉電檢測模塊、紅外輸出模塊、485通訊模塊、電池電壓檢測模塊、拉閘控制模塊。主控芯片采用NEC單片機UPD78F0485，其基本特性如下：1.8~5.5V寬電壓供電；內部集成PLL鎖相環(huán)晶振電路，溫漂極小；低功耗，副時鐘工作的時候，功耗最低1uA；內部集成上電復位電路和低電壓檢測電路，方便做掉電數(shù)據(jù)存儲；內部集成A/D，可以做電池電壓檢測；有沿觸發(fā)外部中斷，可以采集電量脈沖；內部集成了IIC電路和兩個UART電路，方便2路通訊；并集成了2個16位定時器，2個8位定時器，通用I/O口眾多。這些資源，都是UPD78F0485被用來設計電能表的重要原因。

下面就電能表中的一些主要硬件電路的設計做一個簡要的分析。

1)485通訊電路設計：

在電能表系統(tǒng)中，抄表系統(tǒng)在抄表的時候只有固定的集中方式：485、載波、紅外。485作為成本低、運行可靠、抄表速度快等特點，現(xiàn)在是抄表用的最廣泛的一種方式。圖2即為485電路的基本結構。此電路通過光耦把單片機輸出的信號，隔離輸出到3085芯片，3085芯片再把此信號轉變成差分信號送給總線。接受的信號也要通過光耦隔離送回單片機。此電路的特點是3085的RE和DE兩個引腳由一根引線一起控制，節(jié)省了單片機的一個I/O口，這種接法是有條件的，即電能表上的通訊不是絕對的全雙工。由于485電路的差分信號傳輸距離比較遠，一般布線的環(huán)境也比較惡劣，所以485線路必須有壓敏電阻進行高壓保護，而且還要有TVS管，防止瞬態(tài)的高壓干擾和遭受雷擊。

2)紅外通訊電結構：

紅外通訊電路在電表里使用非常廣泛，是由于目前紅外掌機抄表的方式還在很多地區(qū)使用。在這種市場需求的帶動下，單片機有兩路UART口來做通訊就變得必須了。如圖3所示，在紅外發(fā)射電路中，采用兩個三極管疊加，其中TXD網(wǎng)絡用來發(fā)送數(shù)據(jù)信號，38K網(wǎng)絡用來發(fā)送載波信號，這樣由于硬件電路的邏輯與作用使得LED3發(fā)送出我們預期的數(shù)據(jù)。這種電路只是紅外發(fā)送電路的一種連接方式，也可以，采用一個三極管，在程序里面做TXD和38K的與運算。

3)計量電路：

圖4：計量電路的結構

計量電路有ADE7755作為采樣芯片，通過分流器也就是圖上的錳痛片采集電壓電流，內部計算成有功功率，然后以脈沖(CF)的方式輸出。單片機采集這個脈沖，計算電量。圖下方的很多電阻構成了電表的精度調節(jié)電路。

軟件設計

電表運行狀態(tài)分為常狀態(tài)和低功耗狀態(tài)。程序中設置了一個空閑標志，掉電的時候空閑標志位被置為1，在主程序中不斷的檢測這個標志，當此標志置1的時候，進入睡眠狀態(tài)，以減少功耗。

軟件功能的實現(xiàn)由各個子程序來完成，主要由紅外通訊子程序、485通訊子程序、軟件校表子程序、電量計算子程序、掉電處理子程序等構成。主程序流程圖5所示。

圖5：主程序軟件流程圖

此系統(tǒng)中，主要的程序集中在初始化、UART通訊和軟件校表幾個地方，這里予以簡介。

1)初始化程序：

NEC單片機UPD78F0485本身具有豐富的內部資源，可以大大的減少外圍器件的數(shù)量，也就減少了故障發(fā)生的幾率。需要初始化的地方主要有：內部RAM，選項字節(jié)，中斷控制寄存器，串口控制寄存器，定時器控制寄存器，LVI電路控制寄存器，看門狗控制寄存器，IIC電路控制寄存器，液晶驅動控制寄存器等。

2)UART收發(fā)程序：

UART的收發(fā)是由單片機內部自帶的串口模塊來完成的，程序里我們只需要查詢收發(fā)完成標志位，連續(xù)收發(fā)，檢測出錯標志位和糾錯處理。大大的簡化了程序的運行過程，也降低了程序時序的壓力。

3)軟件校表的程序：

軟件校表的過程如下：我們對脈沖的采集，采集ADE7755輸出的高頻脈沖，1度電的高頻脈沖輸出個數(shù)為低頻脈沖的整數(shù)倍，軟件校表的過程就是通過串口通訊來調節(jié)1度電所對應的高頻脈沖的個數(shù)，已達到計量準確的目的。

通訊協(xié)議的設計

規(guī)約格式：

圖6：字節(jié)格式

圖7：幀格式

·字節(jié)傳輸格式：0(1位起始位)XXXXXXXX(8位數(shù)據(jù)位)1(1位結束位)，數(shù)據(jù)傳輸過程中允許每一個字節(jié)的空閑間隙為<500ms，如圖6所示。

·通訊波特率：1200波特。

·3到5個FEH作為同步頭，一個16H結束字。

·詳細命令格式技術局返回格式請參照645規(guī)約(DL/T 645—1997)。

·幀格式，如圖7所示。

通訊時，如果在限時內沒有受到應答幀，則認為傳輸出錯，重發(fā)先前的命令幀。重發(fā)最多3次，3次重發(fā)仍然無法受到應答幀時，則發(fā)出相應的故障提示信息。

結束語

有上述可以看出，基于NEC單片機UPD78F0485設計的付費率電表完全符合國家關于多費率電能表的標準GN/T15284-2002和多功能電能表的通訊規(guī)約DL/T645-1997的要求，并且具有功能合理，故障率低，外圍器件少，計量精度高等特點，并且大大節(jié)省了硬件成本，增強了市場推廣的可行性，另外，支持C語言的編譯環(huán)境又為此款電表的實際開發(fā)縮短了開發(fā)周期。