1．緒言

單相復費率電表主要用于多費率分時計量的居民用戶，本解決方案為三費率、12時段電子式電能表，具液晶顯示，采用RS485、紅外通訊接口，使用手持抄表器、遠程自動抄表控制等即可以對電表進行各種操作，包括抄表、編程、校時等。本文介紹用SH79F32如何設計單相復費率電表。

SH79F32是中穎推出的一款用于單相復費率雙行液晶電能表并且無需外掛硬件RTC的專用單片機。它擁有增強型的8051內核，相比傳統的8051內核有更快的運行速度；SH79F32除了保留標準8051芯片的大部分特性，例如256字節內部RAM和2個16位定時器/計數器，1個UART和外部中斷INT0和INT1。此外，SH79F32集成了512字節外部RAM，可兼容8052芯片的16位定時器/計數器（Timer2）和適合存儲程序和數據的32K字節flash。SH79F32同時還具有EUART、IR、TWI和SPI等標準通訊模塊, 還集成了LCD驅動器，內置硬件RTC（誤差0.5秒/天），內建比較功能的ADC, PWM定時器等模塊。為了達到高可靠性和低功耗，SH79F32內建PLL時鐘，看門狗定時器，低電壓復位功能，低電壓檢測功能。此外SH79F32還提供了2種低功耗省電模式。

2．SH79F32單片機實現單相復費率電表方案概述

用SH79F32開發電能表的硬件電路設計由電源電路設計、計量電路設計、通訊電路設計、MCU及其它部分電路設計四大部分組成。其中單片機控制器是電能表系統的靈魂，實現系統中各個部件協調控制，人機交互，多費率控制等等重要的功能。

圖1：電能表硬件系統框圖

其中，電源電路分為三個獨立的電源，使計量電路，RS485通訊和MCU的電源相互隔離，達到互不影響的目的，但是它們使用同一個變壓器，所以應注意變壓器的選擇。在計量電路部分，ADE7755芯片是一個數模混合的電路，因此設計較為困難，要到達良好的計量效果，要采取一定的抗干擾措施（比如數字地和模擬地應在PCB板上單點連接），特別是在對電流、電壓采樣的電路直接接在外部線路上，干擾比較嚴重。在通訊電路中，電能表有兩個通訊信道（紅外信道、RS485通訊信道），在通訊發生時MCU要判斷是那個信道進行通訊，并且接收通訊幀，判斷是否正確，并執行通訊命令。從上面可以看出MCU的作用，它集成有實時時鐘RTC、LCD驅動、紅外通訊、UART通訊、I2C總線等硬件資源，使外部實現非常簡單；它是系統的控制器，起著決定性的作用。

SH79F32在電能表的軟件設計上采用模塊化設計，將電能表軟件系統分為：系統初始化模塊、顯示及時鐘模塊、電量處理模塊、通訊處理模塊等。

圖2、電能表軟件系統框圖

程序初始化模塊是對整個程序進行初始化，它包括兩個部分：MCU初始化和電表各功能部分初始化。MCU初始化是對MCU各模塊進行初始化，為各模塊在程序工作時提供合適的初始狀態，它包括配置I/O口工作模式、看門狗初始化、定時器初始化、實時時鐘初始化、I2C總線初始化、串口中斷初始化、ADC初始化等等。

電表各功能部分初始化是對電能表系統各部分進行配置工作狀態，初始化它們的工作方式，為程序工作提供電表初始狀態，它包括指示燈初始化、LCD顯示初始化、電量恢復、通訊信道、歷史電量處理等等的初始化。時鐘、顯示處理模塊是程序系統中進行時鐘和顯示處理的模塊，是通過對當前時鐘的比較，對有關時鐘事件是否發生進行判斷，程序對時鐘事件作出處理。它包括時鐘及其相關處理、顯示事件處理、

電能反向時間事件處理、費率和電量結算事件處理等等部分組成的。通訊處理模塊是電能表系統進行外界通訊的模塊，它是依照國標的通訊規程編寫的一個軟件模塊，它包括通訊接收處理、通訊命令處理及通訊發送處理，當通訊接收到一幀正確的數據時，通知程序通訊命令處理事件發生，執行通訊命令解釋及執行命令操作，當命令要求發生通訊數據時，通訊發送事件發送，進行通訊數據發送。電量處理模塊是電能表系統中實現電能計量的程序，是實現其基本功能的程序，這部分程序也是電能表軟件系統中最為關鍵的程序，因此這部分計量的算法要設計正確、合理。它包括MCU上電對各電量值的恢復、對各電量脈沖的累計、對各電量小數整數累計、及對電量掉電保護等程序，在電量脈沖累計一定值是，電量小數加1事件發生，當電量小數累計一定值時，電量整數加1事件發生，執行電量整數累計程序。

3．SH79F32單片機實現單相復費率電表硬件系統

3.1、電源電路

圖 3、電能表電源電路

電能表的電源部分由電量計量電源電路、RS485通訊電源電路、MCU及其相關部分電源電路組成。以上電源電路通過電網輸入220V的交流電源，經降壓、整流、穩壓和濾波得到計量電路電源AVDD，RS485通訊電路電源V485、MCU及其相關部分電源+4V。整個電源電路主要使用HT7150A穩壓芯片進行設計的，從而得到5V的直流電壓；對MCU及其相關部分電源電路則在降壓、整流后，通過并聯穩壓集成電路LM317，調節R56、R57的比值，得到所需電壓值（4V）。

圖4、MCU在掉電時的電源電路

由于需解決電網停止供電時，實時時鐘必須能繼續計時的問題，在電表電路中，需要外加后備電池。上述電路中若電網正常供電，則Q6、Q7不能導通，電路從電網中取得電能，分別得到MCU電源MVDD及相關部分紅外通訊，存儲器等電源DVDD，但不能對電池供電。若電網停電時，則電池經邏輯選擇的方式對MCU供電MVDD。

3.2、計量電路

圖5、ADE7755計量電路

圖5所示為AD7755設計的電度表功率計量部分的工作原理圖。ADE7755計量電路設計詳見AD7755手冊。

AD7755的CF管腳可提供設定固定常數（脈沖數/千瓦時）的輸出脈沖。本設計中將此輸出脈沖用RC濾波送至微控制器SH79F32的中斷輸入引腳INT1，由微控制器計量功率脈沖。對于反向功率發生信號REVP用相同方法接到微控制器的IO檢測口。

圖6、ADE7755與MCU連線圖

3.3、通訊電路

電能表有兩個通訊信道，RS485和紅外。RS485用來和其他電能表組成RS485通訊網絡，實現遠程抄表；紅外通訊是利用掌上抄電器進行人工抄表。兩個信道都是分別通過SH79F32的增強型通用異步收發器EUART0和EUART1 （內建IR）實現。

EUART0和EUART1兼容8051的UART功能， 帶有錯誤檢測和自動地址識別功能；另外EUART1可配置為IR輸出，為實現紅外通訊帶來便利，且節約成本。

圖 7、RS485通訊電路

MAX3085是一個具有失效保護功能的RS485接口，電路通過兩個光藕器件對單片機電路和RS485總線電路進行隔離，提高系統的抗干擾能力，電路中的TVS1管并聯在RS485總線A、B線兩端，對電路進行瞬態保護作用，R32和R33為偏置電阻，進行網絡失效保護。RS485通訊電路中RS1接口是要進行瞬變脈沖和靜電干擾的，在設計和選擇485轉換芯片要特別注意這個問題。

圖8、紅外通訊電路

紅外通訊電路通過利用SH79F32內部集成38K頻率發射器的EUART1模塊進行發送數據；利用紅外接收集成電路TOP1838完成接收，并將信號輸入到微控制器的UART1接收引腳。

3.4、MCU及其它相關電路

圖9、LCD顯示、儲存、溫度檢測和JTAG電路圖

這部分電路由LCD顯示電路、存儲器電路、溫度檢測電路、仿真器接口JTAG電路及主控制MCU SH79F32周邊電路（包括內部實時時鐘電路）等組成。存儲電路和溫度檢測電路都用I2C總線接口芯片。檢測溫度芯片LM75的內部地址是90H，它主要用來對SH79F32內部RTC進行溫度補償。

RTC功能使用2個I/O引腳：CALIN和CALOUT。在校準期間，CALIN作為輸入引腳用于精度為1ppm的1Hz時鐘輸入。在校準之后，CALOUT作為輸出引腳用于補償時鐘輸出，CALOUT可以輸出補償后的60秒時鐘或初始32KHz時鐘。RTC模塊以秒、分鐘和小時提供時鐘指示；以星期、日、月和年提供日歷指示；并能對月和閏年進行自動調節。讀取相關日歷的各寄存器返回當前時間和日期。

4．SH79F32單片機實現單相復費率電表軟件系統

SH79F32實現復費率電表軟件系統通過模塊化設計，將整個系統分為初始化模塊、顯示，時鐘模塊、電量處理模塊、通訊模塊。

4.1、電能表初始化模塊軟件設計

初始化模塊主要對MCU內部資源進行初始化及對電能表的各部件進行初始化，主要有以下幾個部分：
◆ I/O口控制模式設定、外部中斷、定時器0、1初始化
◆ LCD驅動、實時時鐘初始化
◆ 串口（EURT0、EURT1）中斷、I2C總線通訊初始化
◆ 看門狗、低電壓檢測（LPD）
◆ 顯示數據、實時時鐘數據恢復
◆ 剩余脈沖數、各電量數據恢復
◆ 時段費率、歷史電量、校時允許初始化

4.2、電能表顯示，時鐘模塊軟件設計

顯示模塊根據當前操作及時間、電量等數據變動來刷新顯示數據；時鐘處理模塊是根據實時時鐘RTC中的秒事件發生來進行秒、分、小時、天等事件處理。特別要注意的是，時間處理中有電量等事件的處理。主要有時段費率檢測、電量結算檢測、系統數據更新等。

4.3、電能表電量處理模塊設計

在電量處理模塊中，它根據脈沖信號和內部時鐘信號進行計數，并換算成相應的電量，分別計入峰平谷時段相應的用電量和總用電量的存儲單元，完成分時計量功能。它包含兩個方面：

A.電量數據動態存儲
對于電能表數據存儲，為了方便操作，同時保證數據保存持久、正確、可靠，在電能表系統中采用動態存儲的方法。具體實現如下：
（1）將整個EEPROM空間分為以下幾個部分：已經分配給用戶使用的地址連續的EEPROM區域為“占用塊”。未曾分配的地址連續的EEPROM區域為“空閑塊”。另外，為記錄占用塊的使用情況，需在EEPROM內劃定一個地址連續的區域作為“目錄表”。這個目錄表記錄占用塊中實際占用空間的地址。與此對應的，占用塊中另外的部分就是廢棄空間。
（2）EEPROM地址空間開辟一個目錄表空間，記錄n個實際占用單元的地址。
（3）運行一段時間后，占用塊中的某一個單元會因擦寫次數達到上限而失效被廢棄。系統開始尋找當前目錄表中記錄的最大地址值，將最大地址值加1個記錄位置，便是為廢棄單元在空閑塊重新分配單元的地址。
（4）當空閑塊空間為0時，發生EEPROM單元損壞，則系統會出現故障。但相對于首次出現廢棄單元系統不正常工作而言，出現故障的時間已經被大大延緩了。

B.電量處理
電量處理的核心是電量計量的準確性。電量計量依次將電量脈沖以0.01KWh單位來累計處理電量小數部分；小數處理后累計到1KWh進行電量整數處理。在電量處理時，一定要保證時間處理的即時性，在時間秒回到00時，判別當前時段是否結束。另外，在電源掉電時，一定要儲存電量小數及電量脈沖，防止程序在對電量整數加1并保存時，電量小數及電量脈沖沒有清零保存發生掉電，導致系統多計量1KWh的電能。別外，因系統的存儲結構采用數據備份機制，故為了判別掉電時數據是否保存正確，可以通過在電源恢復時，讀出在數據區和備份區的兩份數據，并進行比較，判別出當前數據的正確性；并對讀出數據不符合數據檢驗規則的進行重新寫入正確的數據。另外，此方法也可以判別到當前數據存儲區是否損壞，并及時將數據更換到下一個存儲區域。

在電量處理中，在掉電時保證數據被正確保存，則是電量處理中的另一個重要環節。在掉電處理中有兩點建議，硬件上，MCU供電電源整形電解電容的容量應該根據掉電檢測開始至完成電量存儲所需正常工作電壓所需的時間間隔來確定，建議使用2,200uF/16V電解電容。軟件上一旦檢測到掉電，關閉中斷，所有不需用的輸入輸出口應遵循電流消耗最少的原則，置為輸入或輸出相應的電平，以保證有足夠的能量保存電量以及相關的信息。

4.4、電能表通訊處理模塊設計

通訊處理模塊分為：接收、命令處理、發送三個部分。接收和發送部分是通過SH79F32的EUART0（處理RS485通訊）和EUART1（內部IR處理紅外通訊）的中斷進行實現。

系統中準備了一塊用戶數據區用來存放接收到的數據和需發送的數據。當EUART0或EUART1接收到數據時，存放到數據區中進行通訊幀格式檢測，若檢測到格式不正確，則將數據區的指針指向數據區的始地址，并對數據區清零；否則，繼續進行接收，存放到數據區進行檢測通訊幀格式的正確性，按照通訊規約格式在接收時將幀起始符、結束符、核驗碼等信息刪除，組合成地址碼、控制碼、數據碼三個部分。對于通訊中的命令處理，主要是對通訊命令進行解釋，同時執行通訊命令操作。通訊命令以控制碼為關鍵字進行分類，將程序進入相應控制碼的命令解釋模塊。

在命令解釋模塊中，判別當前命令的正確性，包括比較電表通訊地址是否是進行本機通訊；數據碼中的數據是否正確；對通訊命令進行執行；按地址碼、控制碼、數據碼的方式組織應答幀信息。當命令處理完成后，就是對應答信息的回送（若是需要應答的通訊事件）。發送模塊分為兩個部分，首先是根據通訊規約格式將地址碼、控制碼、數據碼組成正確的通訊幀格式，同時將數據存放到準備的通訊用戶數據區中；后是開啟EUART0或EUART1中斷進行數據發送。

5．結語

綜上所述，中穎電子為單相復費率電能表的設計又提供了一款高集成、多功能、低功耗、高可靠性、支持C 語言開發、低成本的Flash MCU方案。對于不同等級、不同功能的電能表的設計提供了靈活、便捷的平臺。

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