DDSF电表（有硬件图，有流程）

广州周立功单片机发展有限公司 Tel：(020)38730977 38730977 Fax：38730925 http://www.zlgmcu.com DDSF系列电能的 1.1 DDSF 系列电能表设计方案概述 DDSF 系列电能表的硬件电路设计由电源电路设计、计量电路设计、通讯电路设计、 MCU 及其它部分电路设计四大部分组成。其中核心部分是计量电路的设计，它是电能表计 量准确性的关键部分，是电能表计量功能的体现，但是其他部分也是缺一不可的，特别是单 片机控制器，它是电能表系统的灵魂，实现系统中各个部件协调控制，人机交互，多费率控 制等等重要的功能。 MCU及其相关 部分电源电路 计量电 源电路 RS485通讯 电源电路 电源电路部分 MCU部分 （ ） 89LPC931/922 被测电压 拾取电路 被测电流 拾取电路 计量芯片电路 （ ） ADE7755 LCD显 示器 LCD驱动器 （ ） PCF8566/PCF8576 指示灯 存储器 EEPROM 24WC08 实时时钟 R8025 温度传感 器LM75 通讯信道 切换电路 CD4066 RS485通讯 信道 红外通讯 信道 电池欠压 检测 系统掉电 检测 ICP电路 I2C总线 RS232及切换控制 图 1.1 DDSF 系列电能表硬件组成框图 由上图所示，电源电路为了提高系统的抗干扰性、可靠性，分为三个独立的电源，使计 量电路，RS485 通讯和MCU的电源相互隔离，达到互不影响的目的，但是它们使用同一个 变压器，所以应注意变压器的选择。在计量电路部分，ADE7755 芯片是一个数模混合的电 路，因此设计较为困难，要到达良好的计量效果，要采取一定的抗干扰措施（比如数字地和 模拟地应在PCB板上单点连接），特别是在对电流、电压采样的电路直接接在外部线路上， 干扰比较严重。I2C总线在整个系统中占有重要的地位，它关系到LCD显示、电量数据存储、 时间和日期的读取等等，它是MCU与外部设备的接口，是MCU获取信息的窗口，并且根据 外部信息作出相应的判断和动作（比如冻结时间到，MCU作出冻结电量事件发生）。在通讯 电路中，电能表有两个通讯信道（红外信道、RS485 通讯信道），在通讯发生时MCU要判断 是那个信道进行通讯，并且接收通讯帧，判断是否正确，并执行通讯命令。从上面可以看出 1 广州周立功单片机发展有限公司 Tel：(020)38730977 38730977 Fax：38730925 http://www.zlgmcu.com MCU的作用，它是系统的控制器，起着决定性的作用。 DDSF 系列电能表的软件系统是整个电能表系统的灵魂，它是系统的神经中枢，它是整 个系统的控制、指挥中心。电能表软件系统的算法设计在整个电能表系统设计中占有重要的 一个环节，控制算法的优劣对整个系统正确、可靠的运行有决定性的影响，因此在进行电能 表软件系统的算法设计时，要仔细、反复地进行设计、论证，考虑各个方面地因素，使控制 算法正确、可靠。 程序数据结构 内存数据结构 EEPROM数据结构 程序初始化 MCU初始化 电表部件初始化 、时钟 显示处理模块 时钟及相关 处理 、费率 电量 结算处理 电能反向时 间处理 显示处理 通讯处理模块 通讯接收处理 通讯命令执行处理 通讯发送处理 电量处理模块 电量恢复处理 电量脉冲累计处理 电量小数及整数累计 处理 电量掉电保护处理 图 1.2 DDSF 系列电能表的软件系统结构框图 DDSF 系列电能表的软件系统包括程序数据结构模块、程序初始化模块、时钟及显示处 理模块、通讯处理模块和电量处理模块五大部分组成，各个部分都其特殊的任务，在电表系 统中完成它们相应的功能。 程序数据结构模块是对程序中的数据进行分析，合理的分配数据内存，定义程序涉及的 变量。它是根据整个程序的算法来制定的，同时一个好的数据结构对整个程序的写作有非常 重要的作用，因此根据电能表软件系列实现的功能及其算法制定合理的数据结构。DDSF 系 列电能表的数据结构包括两个部分：MCU 内存数据结构和 EEPROM 数据结构。 程序初始化模块是对整个程序进行初始化，它包括两个部分：MCU 初始化和电表各部 件初始化。MCU 初始化是对 MCU 各部件进行初始化，为各部件在程序工作时提供合适的 初始状态，它包括配置 I/O 口工作模式、看门狗初始化、定时器初始化、键盘中断初始化、 串口中断初始化、比较器中断初始化等等。电表各部件初始化是对电能表系统各部件进行配 置工作状态，初始化它们的工作方式，为程序工作提供电表部件初始状态，它包括指示灯初 始化、LCD 显示初始化、实时时钟初始化、电量恢复、通讯信道、历史电量处理等等部件 的初始化。 时钟、显示处理模块是程序系统中进行时钟和显示处理的模块，是通过对当前时钟的比 较，对有关时钟事件是否发生进行判断，程序对时钟事件作出处理，可以说时钟就是这个程 序模块的节奏，告诉程序哪个事件在什么时候发生。比如说显示数据刷新事件，它是 1S 的 时间对显示数据进行刷新，当时间间隔 1S 时，显示数据刷新事件发生，程序进行显示数据 刷新处理。它包括时钟及其相关处理、显示事件处理、电能反向时间事件处理、费率和电量 2 广州周立功单片机发展有限公司 Tel：(020)38730977 38730977 Fax：38730925 http://www.zlgmcu.com 结算事件处理等等部分组成的。 通讯处理模块是电能表系统进行外界通讯的模块，它是依照国标的通讯规程编写的一个 软件模块，它包括通讯接收处理、通讯命令处理及通讯发送处理，当通讯接收到一帧正确的 数据时，通知程序通讯命令处理事件发生，执行通讯命令解释及执行命令操作，当命令要求 发生通讯数据时，通讯发送事件发送，进行通讯数据发送。同时由于通讯信道有红外信道和 RS485 信道两个信道，在通讯时应判断是哪一个信道进行通讯的。 电量处理模块是电能表系统中实现电能计量的程序，是实现其基本功能的程序，这部分 程序也是电能表软件系统中最为关键的程序，其计量的正确性，可靠性及电量数据储存的正 确性是关乎到整个系统的成败，关系到全局，因此这部分计量的算法要设计正确、合理。它 包括 MCU 上电对各电量值的恢复、对各电量脉冲的累计、对各电量小数整数累计、及对电 量掉电保护等程序，在电量脉冲累计一定值是，电量小数加 1 事件发生，当电量小数累计一 定值时，电量整数加 1 事件发生，执行电量整数累计程序。 由上可知，DDSF 系列电能表的软件系统是由五大部分组成的，每一个部分完成其特定 的任务，而且是缺一不可的，同时各个模块之间存在着一定的联系，存在着数据交换的可能， 它们不是相互独立的，而是相互联系、统一，形成整个电能表软件系统。 1.2 DDSF 系列电能表硬件系统 1.2.1 电源电路部分 DDSF 系列电能表的电源电路分为三个部分：电量计量电源电路、RS485 通讯电源电路、 MCU 及其相关部分电源电路。电源电路提供系统运行的能量，所以在进行电源电路设计时 保证原理正确的前提下考虑电源容量并保证一定的工程余量，同时计算各个元件的电流、电 压值，选择合适的元件参数。 +5V C13 0.1uF E5 220uF/25V Vin1 G N D 2 Vout 3 78L05D2 IN4007 C14 0.1uF E4 220uF/35V Z1 RH356008 DGND MOV1 0D681K 2 3 4 8 6 7 1 5 TR1 BD2801AN_in L_in RST3 图 1.3 电量计量电源电路 AB2 2W10 Vin1 G N D 2 Vout 3 W3 78L05 G485 V485 C15 0.1uF C16 0.1uF E7 220uF/25V E6 100uF/35V G485 MOV1 20D681K 2 3 4 8 6 7 1 5 TR1 BD2801AN_in L_in 图 1.4 RS485 通讯电源电路 以上两个电源电路是一种设计的电源电路，通过降压、整流、稳压和滤波四个环节， 得到 5V 的直流电压。整个电源电路是以 78L05 这种稳压芯片进行设计的，是一种串联的稳 压电路。 3 广州周立功单片机发展有限公司 Tel：(020)38730977 38730977 Fax：38730925 http://www.zlgmcu.com VCC C7 0.1uF C8 0.1uF C9 0.1uF R7 3K V3.9 VDD VD1 DAN202K BAT1 LS14250C R6 3.9MR5 3.3M E3 220uF/25V BATCHKC10 0.1uF C11 0.1uF 1 2 XJ2 T1 8050 R3 240 R4 2K R1510 1% R2 240 1% V3.9 E2 470uF/16V C3 0.1uF E1 470uF/35V C2 0.1uF AB1 2W10 1 2 XJ1 TR2 C1 0.1uF +1215-30uH Vin3 A dj 1 Vout 2 W1 LM317T MOV1 20D681K 2 3 4 8 6 7 1 5 TR1 BD2801AN_in L_in R54 100K V3.9 V3.9 (a) (b) (c) 2 3 1 VCC GND RESET U7 MAX809 图 1.5 MCU 及其相关部分电源电路 1．a 部分电路原理说明 通过电网输入 220V 的交流电源，通过变压器 TR1 降压，在 5、6 端产生 12V 的交流电 源，通过 AB1 全波整流集成块及 C1、TR2、C2、E1 滤波（C1、TR2、C2 构成差分滤波网 络），产生一个带有一定脉动分量的直流电。在通过并联稳压集成电路 LM317，同时调整 R1、R2 的比值，得到所需电压值（3.9V）。 2．b 部分电路原理说明 LPC900 系列单片机存在着一个问题：在电源上电的时候，如果上电缓慢时，单片机出 现复位错误，程序不能正确运行。为了解决这个问题，采用快速上电的方法，利用 MAX809 电源监控芯片，当上电电源达到电压门槛时，T1 三极管导通，开通电源通道，达到 MCU 快速上电的目的，VCC 的电压为 V3.9 减 0.7V 得到 3.3V 电压值。 3．c 部分电路原理说明 由于有后备电池的原因，要解决实时时钟芯片电源的问题，采取的原则是：电网正常供 电时，从电网吸收电能，但是不能进行对电池充电，电网停电时，电池只对时时钟芯片供电。 采用二极管或逻辑的方式，对 V3.9 和电池电压进行选择。 当电网正常供电时，V3.9 的电压为 3.9V，大于电池电压，由于 VD1 器件的作用，VDD 选择 V3.9 电源供电。当电网停电时，由于 VD1 器件的作用，VDD 选择电池电源供电，同 时电池通过 R7 限流对时钟芯片供电。 电路中有电池电压检测网络，检测网络有 R5、R6 和 C10 组成的，由于 R5、R6 远远大 于 R7，所以可以忽略 R7 的影响，检测网络的电流几乎等于零，也不消耗电池的能量。 1.2.2 计量电路部分 DDSF 系列电能表的计量电路部分主要是针对 ADE7755 计量芯片的电路设计，主要包 括：抗混滤波器的设计、电压通道电路设计、电流通道电路设计、其它电路部分设计。 4 广州周立功单片机发展有限公司 Tel：(020)38730977 38730977 Fax：38730925 http://www.zlgmcu.com R13 120K R14 100K R12 120K R15 47K R16 24K R17 12K R18 6.2K 1 2 J1 1 2 J2 1 2 J3 1 2 J4 1 2 J5 R19 3K R20 1.5K 1 2 J6 R21 750 1 2 J7 1 2 J8 DVDD1 AC/DC2 AVDD3 NC14 V1P5 V1N6 V2N7 V2P8 RESET9 REF10 AGND11 SCF12 S1 13 S0 14 G1 15 G0 16 CLKIN 17 CLKOUT 18 NC 19 REVP 20 DGND 21 CF 22 F2 23 F1 24 AD7755 U1 ADE7755 R25 1K 1% C17 33nF/50V C18 33nF/50V R26 1K 1% C24 0.1uF +5V R24 42.2K R23 53.6K R22 390 1 2 J9 R11 120K R10 120K 图 1.6 电压通道电路图 从电路理论分析，电压通道电路实际上是一个分压电路，通过电阻分压，确保 ADE7755 电压通道中信号电压在其工作的范围内。由于电能表工作的实际环境和元件参数的误差，在 电压衰减网络中，设计一个电阻调整网络，可在一定范围内调整信号电压的大小，校验 ADE7755 电能输出脉冲的频率，调整电能表的精度，因此电压衰减网络又称校验网络。 DVDD1 AC/DC2 AVDD3 NC14 V1P5 V1N6 V2N7 V2P8 RESET9 REF10 AGND11 SCF12 S1 13 S0 14 G1 15 G0 16 CLKIN 17 CLKOUT 18 NC 19 REVP 20 DGND 21 CF 22 F2 23 F1 24 AD7755 U1 ADE7755 R27 1K 1% R28 1K 1% C19 33nF/50V C21 33nF/50V 1 2 SI1 C20 3300pF/50V 1 2 JL1 图 1.7 电流通道电路图 5 广州周立功单片机发展有限公司 Tel：(020)38730977 38730977 Fax：38730925 http://www.zlgmcu.com 电流通道电路中，是一个 PGA 可编程的差动运算放大电路，外围电路设计主要是抗混 滤波器的设计，R27C19 和 R28C21 组成两个一阶低通滤波器，滤除电流通道的高频分量。 C20 是通过 JL1 跳线来选择是否作用于系统，它是补偿电流信号本身不平衡造成 ADE7755 计量电能出现比较大的误差，人为造成不平衡，使得系统达到平衡的目的。 R34 20K REVP DVDD1 AC/DC2 AVDD3 NC14 V1P5 V1N6 V2N7 V2P8 RESET9 REF10 AGND11 SCF12 S1 13 S0 14 G1 15 G0 16 CLKIN 17 CLKOUT 18 NC 19 REVP 20 DGND 21 CF 22 F2 23 F1 24 AD7755 U1 ADE7755 C24 0.1uF +5V C22 0.1uFR29 10 C230.1uF +5V Y1 3.579545MHz C26 22pF/50V C25 22pF/50V R30 1K 1 2 JP1 +5V R32 2K R31 2K L1 d5mm VCC R33 20K VCC PULSE O1 PS2501_1 O3 PS2501_1 O2 PS2501_1 C27 0.1uF DGND DGND DGND DGND DGND DGND PULSE_OUT PULSE_OUT 图 1.8 ADE7755 其它电路部分 DVDD 和 AVDD 通过 C22、R23、R29 组成的滤波电路连接在一起，同时 AGND 和 DGND 通过电感连接在一起，滤除干扰。选择内部基准电源，在基准电源输出端加上一个滤波电容 C24，加强内部基准不受外界干扰。ADE7755 芯片的接口电路主要是 CF 脚的输出脉冲和 REVP 脚的电能方向指示，它们是通过光藕器件和 MCU 电路进行隔离输出的。 1.2.3 通讯电路部分 DDSF 系列电能表有两个通讯通道，一个是 RS485 通讯信道，另一个是。RS485 通讯信 道是用来和其他电能表组成 RS485 通讯网络，实现远程网络抄表；红外通讯信道是利用红 外线为媒介，利用掌上抄表器进行抄表的，两个信道都是通过 MCU 的 UART 进行通讯的， 判断通讯信道是一个问题。DDSF 系列电能表通讯电路由红外通讯电路、RS485 通讯电路、 通讯信道切换电路组成，红外通讯电路完成红外通讯信道通讯的功能，RS485 通讯电路完成 RS485 通讯的功能，通讯切换电路判断当前通讯信道的功能。 T2 8550 V3.9 T3 8550 R39 39 HD1 EIR-305C R36 2K HW38K TXD R38 2K V3 S1 G2 U2 TOP1838 V3.9 RXDHW C28 0.1uF R35 2K V3.9R37 2K 图 1.9 红外通讯电路 6 广州周立功单片机发展有限公司 Tel：(020)38730977 38730977 Fax：38730925 http://www.zlgmcu.com 红外通讯电路的接收电路是由 U2 红外接收集成电路完成的，当外界有 38k 频率的红外 信号时，U8 通过内部接收电路的作用，在 1 脚输出低电平，否则为高电平。红外通讯电路 的发射电路中，进行红外通讯时，HW38K 端输入 38K 频率的脉冲信号，当 TXD＝1 时，T3 截止，HD1 停止发射红外信号；当 TXD＝0 时，T3 导通，HD1 加上 38K 频率的脉冲信号， 发射红外信号，其实相当于对 TXD 信号进行 38k 脉冲调制。 R41 2K R42 2K R45 20K R44 20K CTRL485 TXD G485 G485 V3.9 V485 R40 20K R43 2KRXD485 G485 V485 RS485A RS485B RS_RXD RS_TXD R46 2K R47 2K TVS1 1 2 JP2 O4 PS2501_1 O5 PS2501_1 O6 PS2501_1 R1 RE2 DE3 D4 GND 5 A 6 B 7 VCC 8 U3 SP485E 图 1.10 RS485 通讯电路 RS485 通讯电路通过 3 个光藕器件对单片机电路和 RS485 总线电路进行隔离，提高系 统的干干扰能力，电路中的 TVS1 管并联在 RS485 总线 A、B 线两端，对电路进行瞬态保护 作用，R46 和 R47 为偏置电阻，进行网络失效保护。但是这个电路没有匹配电阻，在通讯总 线设计中应根据实际情况进行匹配电路的设计。RS485 通讯电路中 JP2 接口是要进行瞬变脉 冲和静电干扰的，在设计和选择 485 转换芯片要特别注意这个问题。 RXDHW RXD485 HWCTRL RXD R48 20K COMMSEL V3.9 4 3 5 V 3. 9 14 G N D 7 U4C CD4066BM 1110 12 U4B CD4066BM 1 2 13 U4A CD4066BM 图 1.11 通讯信道切换电路 通讯信道的切换电路是判断当前的通讯信道，发射通讯信道由 MCU 主控器保证，通讯 信道切换电路主要进行接收通讯信道的判断。 发射通讯时，当 RS485 通讯电路中 CTRL485＝1 不允许发送，保证选择红外通道发送； 当红外通讯电路中 HW38K＝1 时，T2 截止，不允许红外发送，保证选择 RS485 通道发送。 接收通讯时，通过 CD4066 电子开关切换通道。当 COMMSEL＝0 时，U4A、U4B 开关 断开，HWCTRL 由于 R48 上拉到 V3.9 电源为高电平，U4C 开关接通，红外通道 RXDHW 和 RXD 连通，选择红外通道；当 COMMSEL＝1 时，U4A、U4B 开关接通，HWCTRL 为 低电平，U4C 开关断开，RS485 通道的 RXD485 和 RXD 连通，选择 RS485 通道。通道切 换采用抢占式，默认通道为红外通道，当 RS485 接收通讯开始时，起始位为 0，利用 MCU 键盘中断功能切换为 RS485 通讯信道。 7 广州周立功单片机发展有限公司 Tel：(020)38730977 38730977 Fax：38730925 http://www.zlgmcu.com 1.2.4 MCU 及其它相关电路部分 MCU 是选用 89LPC931 或 922 两种单片机，这部分电路由 LCD 显示电路、实时时钟电 路、存储器和温度检测电路、ICP 电路、掉电和电池检测电路等等组成。 S1 5 S1 4 S1 3 S1 2 S1 1 S1 0 S9 S8 S7 S6 S5 S4 S3 S2 S1 S0 C O M 4 C O M 3 C O M 2 C O M 1 SCL SDA VDD VCC 8 TEST 7 SCL 6 SDA 5 A01 A12 A23 VSS4 U9 CSI24WC08 CLKOUT VCC SCL SDA SDA1 SCL2 GND4 OTI3 A2 5 A1 6 A0 7 VDD 8 U10 LM75 VCC SDA SCL NC1 SCL2 FOUT3 NC4 TEST5 VDD6 FOE7 NC 8 NC 9 INTA 10 GND 11 INTB 12 SDA 13 NC 14 U4 8025 C O M 3 C O M 21 SC L SD A C O M 4 C O M VCC S0 4 S1 5 S2 6 S1 1 15 S3 7 S1 0 14 S4 8 S9 13 S5 9 S8 12 S6 10 S7 11 S1 2 16 S1 3 17 S3 9 43 S1 4 18 S3 8 42 S1 5 19 S3 7 41 S1 6 20 S3 6 40 S1 7 21 S3 5 39 S1 8 22 S3 4 38 S1 9 23 S3 3 37 S2 0 24 S3 2 36 S2 1 25 S3 1 35 S2 2 26 S3 0 34 S2 3 27 S2 9 33 S2 4 28 S2 8 32 S2 5 29 S2 7 31 S2 6 30 SD A 44 B P3 3 B P2 2 SC L 45 B P1 1 SY N C 46 B P0 56 C LK 47 V LC D 55 V D D 48 V SS 54 O SC 49 SA 0 53 A 0 50 A 2 52 A 1 51 U3 PCF8576DT S0S2 0 S1S1 9 S2S1 8 S4S1 7 S5S1 6 S6S7S8S9 S3S1 0 S1 1 S1 2 S1 3 S1 4 S1 5 S2 1 S2 2 S2 3 S2 5 S2 6 S2 7 S2 8 S2 9 S3 0 S3 1 S3 2 S3 3 S3 4 S3 5 S3 6 S2 4 S3 7 S3 8 S3 9 VCC R37 20K R38 20K SD A SC L ICB/P2.01 MISO/P2.314 OCD/P2.12 MOSI/P2.213 KBI0/CMP2/P0.03 SCL/T0/P1.212 OCC/P1.74 SDA/INT0/P1.311 OCB/P1.65 INT1/1.410 RST/P1.56 CLKOUT/XTAL2/P3.09 VSS7 XTAL1/P3.18 P2.7/ICA 28 P2.6/OCA 27 P0.1/CIN2B/KBI1 26 P0.2/CIN2A/KBI2 25 P0.3/CIN1B/KBI3 24 P0.4/CIN1A/KBI4 23 P0.5/CMPREF/KBI5 22 VDD 21 P0.6/CMP1/KBI6 20 P0.7/T1/KB17 19 P1.0/TXD 18 P1.1/RXD 17 P2.5/SPICLK 16 P2.4/SS 15 ____ ____ ____ __ U2 P89LPC931 RST TXD RXD SDA SCL PULSE REVP PWRCHK BATCHK PROG CTRL485 COMMSEL LED_G LED_F HW38K RXD485 LED_C VCC PDA VCC R45 20K CLKOUTVCC R63 10K VCC 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 S1 S2 S3S4 S5 S6 S7 S8 S6 S7 S8 S9 S10 S11 S12 S13 LCD 图 1.12 LCD 显示、实时时钟、储存和温度检测电路图 实时时钟选用 8025 时钟芯片，它是一个 I2C 总线接口的芯片，MCU 通过 I2C 总线读写 8025 芯片的寄存器，设置芯片的工作状态，校正当前时间和日期，同时可以设置报警时间、 日期，它的 I2C 地址是 64H。8025 时钟芯片是一种低功耗、宽电压范围工作的芯片，在工 作电源 3V 时，工作电流为 0.48uA，在 1.7V～5.5V 正常工作，同时能够检测晶振的情况和 微调晶振的频率。8025 芯片应设置输出 1S 中的时钟脉冲信号，为了保证时间和日期工作的 连续性，应保证电源不断电。 检测温度芯片选用 LM75 温度检测芯片，它是一个 I2C 总线接口的芯片，它内部是一个 11 位的 AD 温度转换器，内部包含四个数据寄存器：配置寄存器、温度寄存器、上限温度 寄存器、下限温度寄存器，MCU 通过指定地址指针的方式来操作指定寄存器。LM75 工作 电压范围是 3.0~5.5V，工作电流典型值为 250uA，温度寄存器的内容是补码的形式存储的， 每个数字量代表 0.5℃，芯片的 I2C 地址是 90H。 存储器选用支持I2C总线可擦写E2PROM，型号是 24WC08，存储容量为 8K位，1K字节， 10 位地址线，其中最高 2 位地址是I2C地址A1A0 位，因此在A2＝0 时，它的I2C地址为A0H、 A2H、A4H，A6H。工作电压范围是 1.8V~6.0V，采用低功耗CMOS技术，同时具有写保护 功能，执行写操作时，在主器件产生停止信号后开始内部数据的擦写，在内部擦写过程中， 8 广州周立功单片机发展有限公司 Tel：(020)38730977 38730977 Fax：38730925 http://www.zlgmcu.com 器件不应答主器件的请求，因此在执行存储器写操作之后，应延时一定的时间再对存储器进 行操作。 R53 20K PROG V3.9V3.9 R50 2K L3 d5mm R51 2K LE D _F LE D _G L4 d5mm L2 d5mm R49 2K LE D _C S1 SW-PB NC1 PCL2 GND3 RST4 PDA5 VCC6 ICP1 ICP RST PDA CTRL485 VCC C12 0.1uF +12 PWRCHK R9 12K R8 42.2K 图 1.13 其它相关电路图 In Circuit Programing 是在电路编程，简称 ICP，是一种串行编程方式，其通过一根时钟 线与一根数据线串行传输编程指令及数据，P89LPC9××芯片在 ICP 的过程种需要用到 5 个脚：PCL，PDA，Reset，VDD 和 VSS。ICP 功能完全由 MCU 硬件完成，不需要外部引 导。在 ICP 接口电路设计当中，应注意是否有外界电路对 ICP 有影响，否则应断开其连接。 掉电检测电路是一个 R8、R9 组成的分压电路，C12 用来滤波作用，提高抗干扰性能。 通过 MCU 内部比较器，比较器内部参考电压和 PWRCHK 脚的电压比较，当电源电压下降 到一定时，MCU 比较器发生翻转，发生掉电事件。当发生掉电，由于电容的存在，MCU 的电源不会马上消失，这时 MCU 应执行保护数据程序。 指示灯电路包括峰指示、谷指示、通讯指示，当 MCU 对应脚输出低电平时，电流经限 流电阻，LED，流入 MCU 脚，指示灯亮。 1.3 DDSF 系列电能表软件系统 1.3.1 DDSF 系列电能表主程序算法分析 DDSF 系列电能表软件系统主程序在电能表整个程序当中是最重要的部分，它是电能表 的执行部分。它包括整个程序初始化部分、显示刷新处理部分、日期时间及与其相关操作处 理部分、通讯帧命令处理部分、电量运算及储存部分、电量结算处理部分以及其他事件处理 部分。整个程序是通过查询方式执行的，通过查询电表事件发生的条件情况，判断电能表事 件是否发生，来执行相应的操作，这种执行方式只要保证 CPU 的执行速度足够快，是能够 保证事件响应的时效性的。 在电量处理模块算法中，它包含电量小数事件和电量整数事件，当对应类型（总峰平 谷反）电量脉冲累计到 0.01kWh，电量小数事件发生，电量小数加 1 及保存电量小数数据， 当电量小数发生进位时，电量整数事件发生同时应进行电量整数部分及相关事件处理。 在时钟和显示处理模块算法中，它包含秒事件、分钟事件、半小时事件及小时事件， 秒事件是通过 MCU 中 RTC 定时器定时 1S 来激发的。 在通讯处理模块算法中，它包含通讯接收帧事件和通讯发送帧事件，当程序查询到通讯 接收帧完标志置位时，通讯接收帧事件发生，程序进行通讯格式的判断，如果通讯格式正确， 再进行通讯地址的比较，如果通讯帧中的地址域是本机地址或广播地址，表示是对本机通讯， 则程序进行通讯命令的解释及执行，同时如果要返回数据帧，置通讯发送标志，准备好发送 数据帧，则通讯发送数据帧事件发生，启动发送数据。 9 广州周立功单片机发展有限公司 Tel：(020)38730977 38730977 Fax：38730925 http://www.zlgmcu.com 主程序开始 程序初始化 电量运算完毕 电量小数事件发生 电量小数加1 电量整数事件发生 电量整数 事件处理 电量小数及其他 相关事件处理 、电池 硬件 ，状态检测 编程开关处理 费率及控制参数 错误检测及恢复 秒事件发生 通讯指示处理 分钟事件发生 分钟校时及时钟 备份事件处理 校时允许检测 半小时事件发生 置时段费率 检测标志 时钟配置设置 人工复位 事件处理 显示刷新处理 反向事件处理 电量结算及时段 费率检测处理 通讯接收帧事件发生 接收帧格式正确 电量数据检测并 修正数据 小时事件发生 置电量结算标志 及温度补偿处理 本机地址和广播 通讯命令解释并 执行命令操作 备份编程时间及次数 备份时间及数据 发送数据帧事件发生 通讯数据帧准备 启动发送数据帧 主程序结束 秒加1 总峰平谷反 电量处理模块 时钟显示 处理模块 通讯 处理模块 Y N Y N Y N N Y N Y N Y Y N N Y Y N N Y Y Y N N 图 1.14 DDSF 系列电能表主程序图 10 广州周立功单片机发展有限公司 Tel：(020)38730977 38730977 Fax：38730925 http://www.zlgmcu.com 1.3.2 DDSF 系列电能表软件初始化算法分析 初始化 入口 I/0工作模式配置 ＝DIVM 0 ～延时100 200ms 看门狗初始化 外部中断初始化 ，比较器初始化 并延时以稳定 、RTC及定时器0 1 初始化 串口初始化 键盘中断初始化 端口初始化 电量脉冲恢复 RTC配置初始化 各电量数据恢复 时钟数据恢复 费率检测 喂狗 历史电量处理 显示控制 参数恢复 校时允许检测 看门狗复位 LCD数码域全显LCD全显 初始化 出口 MCU部件初始化 电表部件 初始化 Y N 图 1.15 初始化流程图 MCU 部件初始化是是整个程序初始化的一个部分，它是整个系统所用到的 MCU 资源 的初始化，使程序在运行时能够正确的运行 MCU 部件，达到预定的目标。MCU 部件初始 化包括以下几个部分： z I/O 控制模式配置及时钟分频器初始化 z 看门狗、外部中断 1、比较器中断初始化 z RTC 及定时器 0、1 初始化 z 串口中断、键盘中断初始化 电表各部件初始化是对电表的相关部件、相关的变量进行初始化，特别是电量数据恢复 非常重要，使电表正常工作。它包括以下几个部分： z 端口初始化 z 显示初始化 z 外部时钟芯片初始化 z 剩余脉冲数据及各电量数据恢复 z 时钟数据及显示控制数据恢复 z 时段费率初始化处理 z 历史电量初始化处理 z 校时允许初始化处理 11 广州周立功单片机发展有限公司 Tel：(020)38730977 38730977 Fax：38730925 http://www.zlgmcu.com 1.3.3 DDSF 系列电能表软件的时钟、显示处理模块算法分析 、时钟 显示入口 电池检测 系统硬件检测 编程开关处理 费率错误恢复 显示控制参数错误 恢复 秒事件发生 通讯指示处理 显示刷新处理 反向事件处理 分钟事件发生 校时允许检测 时钟备份 读取8025时间 对时操作 时间备份事件发生 秒加1 半小时事件发生 置时段费率 检测标志 时钟配置设置 小时事件发生 置电量结算标志 温度补偿 人工复位事件发生 保存电量脉冲数据 置软复位 通讯事件发生 通讯通道默认恢复 485通讯发生 时段费率事件检测发生 时段费率检测 电量结算事件检测发生 电量结算检测 、时钟 显示出口 N Y Y N N Y Y N Y N Y N N Y Y Y N N N Y 图 1.16 时钟、显示处理模块流程图 时钟、显示处理模块程序是根据时间进行程序处理的，当时间间隔 1S 时，秒事件发生， 进行秒事件处理，当时间间隔为分钟时，分钟时间发生，进行分钟事件处理，同样在时间间 隔半小时及小时时，半小时及小时事件发生，进行事件处理。它包含以下几个部分： z 数据检测部分：对系统数据进行更新，错误进行恢复而进行的操作。 z 事件执行部分：当事件发生时，对相应的事件进行程序响应。 z 其他执行部分：包括通讯信道默认恢复、时段费率检测、电量结算检测等等。 12 广州周立功单片机发展有限公司 Tel：(020)38730977 38730977 Fax：38730925 http://www.zlgmcu.com 1.3.4 DDSF 系列电能表软件的通讯处理模块算法分析 通讯事件入口 通讯接收帧事件发生 通讯信道配置 通讯帧检测 接收帧格式正确 本机地址和广播 通讯数据域减0x33 广播校时 校时处理 广播设置电表表号 设置电表表号处理 广播扩展命令 扩展命令处理 密码修改命令 密码检测 清零密码 保存清零密码 编程密码 保存编程密码 读命令 读命令解释并操作 写命令 密码检测 密码正确 写命令解释并操作 备份编程时间及次数 备份编程时间及次数 备份校时时间 备份校时时间 发送数据帧事件发生 通讯数据帧准备 启动发送数据帧 恢复通讯默认设置 通讯事件出口 N Y Y N N Y N Y Y N Y Y Y Y N N N N N Y Y N Y Y N Y N N Y 图 1.17 通讯事件处理流程图 通讯事件处理程序是通过判断通讯事件标志是否置位决定通讯事件是否发生，当通讯事 件发生时，根据通讯规则，检测通讯帧格式是否正确，同时比较电表通讯地址是否进行本机 通讯，当入口通讯帧格式正确和进行本机通讯和广播通讯时，则对通讯命令进行解释同时执 行通讯命令操作。在通讯命令执行完毕后，程序检测是否要进行通讯发送数据帧，如果要进 行通讯发送，则准备通讯数据，启动发送功能。 13 广州周立功单片机发展有限公司 Tel：(020)38730977 38730977 Fax：38730925 http://www.zlgmcu.com 1.3.5 DDSF 系列电能表软件的电量计量处理模块算法 电量计量入口 电量运算完毕 电量小数事件发生 电量小数加1 电量整数事件发生 计算当前类型电 量的地址及长度 读取电量整数 校验和错误及地址正常 数据校验和错误 电量整数数据 恢复默认值 电量整数加1 保存电量整数到 正常及备份区域 保存电量小数到 正常及备份区域 准备电量小数数据及 、计算其地址 长度 更新电量脉冲数组 及校验和 电量整数数据发生改变 保存电量整数低字节 到正常及备份区域 计算电量小数数组 校验和 读取电量小数 校验和错误或数据错误 关闭掉电中断 保存电量小数到 正常及备份区域 读取电量小数 校验和错误或数据错误 ，存储区域损坏 更新 区域指针 保存电量小数指针到 正常及备份区域 计算电量小数区域指 针数组校验和 保存电量小数到 正常及备份区域 打开掉电中断 电量计量出口 N Y Y N N Y Y N Y N Y N Y N N Y 总峰平谷反 图 1.18 电量计量处理模块流程图 电量计量程序是进行电量计量程序处理，电量处理的顺序依次为电量整数处理及储存、电量 小数处理及存储、电量脉冲处理、电量整数低字节处理及储存、电量小数储存区域指针更新 判断。电量整数低字节处理及储存是为了在电源掉电中，防止程序在对电量整数加 1 并保存 时，电量小数没有保存发生掉电，导致系统多计量 1kWh 的电能的可能，因此在系统电量恢 复时检测到两个电量整数低字节不相等时，对电量小数清零处理，解决问题的发生。电量小 14 广州周立功单片机发展有限公司 Tel：(020)38730977 38730977 Fax：38730925 http://www.zlgmcu.com 数储存区域指针更新判断是因为电量小数的存储区域频繁发生擦写现象，导致 EEPROM 的 寿命减低，因此采样多区域的办法，当检测到当前存储区域损坏时，更换下到一个存储区域， 延长电能表的寿命。 比较器中断入口 比较器1中断 清比较器1中断标志 通讯发送 掉电事件 总线忙 置停止总线命令 并确认总线停止 延时一定时间 启动总线 保存电量脉冲数据 电源上电 软复位 清比较器2中断标志 比较器中断出口 N Y Y N N Y Y N N Y 图 1.19 比较器中断流程图(掉电保护) 比较器中断是用来进行电量脉冲数据保护，当电源电压下降引起比较器中断发生称为掉 电，这时应当保护电量脉冲数据。当电源上电、电源掉电、比较器 2 的比较状态发生翻转、 红外通讯导致电源电压下降都可以引起比较器中断发生，因此在设计程序时应分辨出电源掉 电发生，从而真正进行保护数据，避免程序错误执行。 15 DDSF系列电能表的设计方案 DDSF系列电能表设计方案概述 DDSF系列电能表硬件系统 电源电路部分 计量电路部分 通讯电路部分 MCU及其它相关电路部分 DDSF系列电能表软件系统 DDSF系列电能表主程序算法分析 DDSF系列电能表软件初始化算法分析 DDSF系列电能表软件的时钟、显示处理模块算法分析 DDSF系列电能表软件的通讯处理模块算法分析 DDSF系列电能表软件的电量计量处理模块算法