基于专用芯片的三相多功能电能表的研制

摘要：介绍一种以专用芯片和单片机为核心的三相多功能电能表的设计方法。该电能表能复费率分时计量电能，功能扩展后，可以实现若干电参数的测量,实现若干电力参数的检测。
关键词：多功能电能表 专用芯片
一、引言 电能是社会生产、人民生活所必须的最重要的能源之一。改革开放之后，我国的电力工业得到了长足的发展。目前　　　　我国的发电设备装机容量、年发电量均居世界第二位。但是，电能作为一种特殊的商品，存在着供应和消费在时间和地区上的不平衡。随着国民经济的迅速发展和人民生活水平的极大提高，这种矛盾日益加剧。电力的供求矛盾固然可以通过新建电厂，增加装机容量来解决，但这种方法投资大，周期长，还会带来一定的环境和生态问题。而利用科学的方法进行负荷管理，指导合理用电，是投入小、见效快的首选方法，也是提高电能利用率，开发电力潜能，解决电力供需矛盾的一项重要手段。实施分时电价政策就是这项管理中很重要的一项举措。据有关专家论证：全国在不新增装机容量的情况下，只要采取分时计费的方法加强用电管理，合理用电，就能开发出60％的电力潜能。
1985年国务院批转的《鼓励集资办电和实行多种电价的暂行规定》中，要求全国推广峰谷分时电价。但由于种种原因，分时电价没有得到普遍推广，实行范围很小。直至1992年东北三省和四川省对100kv 以上用户全面推行分时电价和1995年全国计划用电工作会议后，峰谷分时电价才在全国得到切实、有效、全面地推行。
推行峰谷分时电价的前提是使用新型的复费率的电能表。借助智能芯片的资源，复费率的分时电能表可方便地构成多功能的电能表，实现电力多参数的测量。为适应我国现阶段的需要，迫切开发高质量、高可靠性、功能齐全、价格低廉、适应现代电力市场需要的多功能电能表。
二、三相多功能电能表的硬件设计
　　电能测量单元采用美国ATMEL公司的产品，即以Σ－Δ A/D转换器为基础的电能测量专用集成芯片AT73C500和 AT73C501,其中AT73C500为A/D变换芯片，AT73C501为专用的DSP芯片。该产品的特点是：满足IEC1036 1及精度要求、高精度集成（有集成的A/D转换器，电压比较，功率计算等模块），精度高（各种测量的参数小于0 .3％），易于接口，可以缩短开发新产品的开发周期。目前此种原理电能测量芯片所生产的电子式电能表占有国内电子式电能表大部分市场份额。两芯片配合使用可以测量三相正、反向电能和感性、容性无功电能，同时还能测量三相电的每一相的有功功率、无功功率、视在功率、电压有效值、电流有效值、功率因数和检测电网频率。外扩存储芯片，可存储相关的数据，以备查询。其中有功测量可达1级，无功测量可达2级。使用外接参考电源时的有功精度可以提高到0.5级，无功提高到1级精度。
数据处理单元的单片机主要侧重于多项功能的开发，选择时主要从以下几个方面考虑：功能、抗干扰、功耗、速度等。本表采用NEC单片机uPD753116作为数据处理单元。该单片机具有以下特点：具有集成的LCD控制器驱动模块，高速工作与低速功耗兼顾的指令周期切换功能，5个定时器通道，可以完成实时时钟和载波发生的功能，以及内置同步串行通讯口等功能。用uPD753116开发电能表在实现各种功能的时候可简化电路结构。
系统硬件结构框图如图1所示。

　　其中，测量单元以AT73C500和 AT73C501为核心，完成功率、电能等参数的采集和测量，测量结果通过总线输出。数据处理单元以NEC单片机uPD753116为核心，用来实现三相多功能电能表的各种功能，包括数据查询，显示，通讯、校准电表等。uPD753116从串行总线读入瞬时量，从测量单元的脉冲读入电能值，之后对读入的数据进行处理。三相多功能电能表采用液晶显示，使用红外接口来实现本地抄表或远程抄表。串行EEPROM用于存储程序和数据。键盘用于查询和设置功能。
本三相多功能电能表设计过程中注重了精度、可靠性、功耗等指标，并充分考虑了产品化要求。具有以下特点：
1、 时钟功能
　　三相多功能电能表具有时钟功能是实现复费率的前提条件。将每天分成若干个时段，在收费等级上分成尖、峰、平、谷四种费率。计费时段的具体划分依照地区不同而有所差异，也因白天、夜间、节假日等有所调整。目前多功能电能表一般都采用专用的时钟芯片来实现时钟功能。本多功能电能表的uPD75116内置一路钟表定时器，通过软件可实现日历时钟的功能。时钟由抄表微机通过红外接口进行校准。
2、 液晶显示
　　复费率电能表的显示一般采用LCD液晶显示器，uPD75116具有集成的LCD控制器驱动模块，从而节省了外挂的液晶驱动芯片。本电能表采用多路寻址动态扫描驱动电路来驱动LCD,减少了外部引线，节省了空间和成本，提高了可靠性。用于显示多功能表当前的状态、内部参数及当前的统计数据等。
3、 红外接口
　　本地自动抄表主要采用抄表微机来完成抄表、编程工作，大大提高了抄表的准确性。本地抄表首选的方法为红外抄表。由于uPD75316不具有通用的串行接口，为了实现与抄表器和自动抄表系统之间的数据传输，在通讯接口部分设计了软件实现的红外通讯接口。通过手持电脑完成抄表和编程，防止误抄、漏抄，提高了抄表数据的准确性。
4、 抗干扰设计
　　电能表受外部环境干扰影响较大，如何提高整机的抗干扰性是产品能否在现场应用，能否推向市场的关键。本表采取如下措施：
　　1）在电源变压器前装高电感共轭滤波器，配以吸收电容，有效抑制传导干扰。
　　2）采取有效的屏蔽、隔离措施和适当的信号输入方法，以减少内外干扰的影响。
　　3）计算机及外围电路与测量电路备自独立供电，并采用光电转换隔离措施，使测量电路地与仪表地互不关联，可以显著提高仪表的抗现场干扰的能力。
　　4）设计电路板时注意线的走向以及整机的紧凑，在电路和工艺设计上还可采用各种
　　成熟的实用抗干扰措施，例如合理布局、正确选择接地点、弱信号传输线屏蔽层单端接地、 单元电路的封闭式屏蔽环等，以降低干扰水平。
5、 可靠性设计
　　电能表是长期在线连续运行的计量仪表，故对其可靠性和长期稳定性有较高的要求，在设计时应予重点考虑。
本表采用集成芯片作为电路的核心部分大大，减少了外扩电路的接线和使用的元器件的数目，使整机趋于微型化，也提高了整机的可靠性。
　　为提高时钟的可靠性，将时间信息进行数据备份，不定期将二者进行校对，如使用数据和备份数据不相同，就要通过抄表微机重新校正之后才能工作。
　　使用数据存储容量大的EEPROM来备份RAM数据。 避免由于干扰造成的数据出错。EEPROM的数据可以保持10年以上，数据保持不需后备电源。软件写入EEPROM采取必要的校验方式，保证数据的安全性。
uPD753116具有极强的抗电磁干扰的能力，使数据的安全性得到进一步提高。
6、功能多样化 除了分时计价的基本功能外，有增加了最大需量、，脉冲输出、红外线抄表、汉字显示等功能，同时还可以计量有功电能、无功电能、还可以记录失压、检测负荷等。预留资源，可方便扩大功能。
三、软件设计 软件部分主要设计了主控程序，数据通讯程序，时钟校正程序，按键识别程序，校准程序等，限于篇幅，在此不作赘述。
四、结束语：本文对一种三相多功能电能表的设计过程进行了论述，系统中采用了功能强大的电能专用测量芯片和单片机、数据通信等技术，计量电能的同时，还具有长时间存储电能数据和远方传输数据等功能。考虑产品化的要求，进行了可靠性，抗干扰、低功耗等方面的设计。其意义在于适应电力市场的计量要求，推动电力系统用电商业化的发展。
参考文献：
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