基于MSP430單片機遠程電能表設計

廣州南方電力集團科技發(fā)展有限公司 榮垂凱

1.引言

無線抄表功能電能表組成配變遠程抄表系統(tǒng)。無線抄表終端采集多功能電能表的數據信息；上行通道采用GPRS無線網絡實現數據遠程傳輸，管理中心通過網絡即可實現對公變用戶和專變用戶多功能電能表的實時監(jiān)控，帶控制終端可以實現預付費功能。

本設計具有以下特點：

1）采用高可靠、低功耗微處理器MSP430，運行穩(wěn)定，使用壽命長；

2）終端即時登陸數據服務器，建立TCP連接，永久在線，斷線自動重連；

3）支持實時抄收數據功能：電壓、電流、有功功率、無功功率等；

4）支持凍結數據采集功能：日凍結電量，曲線數據采集功能；

5）支持遠程升級調試功能。

2.msp430單片機簡介以及ADE7755、GL868簡介

2.1 MSP430F149簡介

MS P430F 149是一種新型的混合信號處理器(如圖1)，采用了美國德州儀器(Texas Instruments)公司最新低功耗技術，它將大量的外圍模塊整合到片內，特別適合于開發(fā)和設計單片系統(tǒng)。MS P430 F149單片機主要具有如下特點：

圖1 MSP430框圖

1）低電壓、超低功耗；

2）具有12位的模數轉換器(ADC12)，可以得到很高的精度，并且省去了使用專門的模數轉換器給設計電路板帶來的麻煩；

3）擁有大容量的存儲空間，存儲器方面包括多達60k Flash ROM和2k RAM，如此數量的存儲空間完全可以滿足程序及數據的需要；

4）兩通道串行通信接口，可用于與計算機進行異步或同步串行通信；

5）硬件乘法器，該乘法器獨立于CPU進行乘法運算的操作，在提高乘法運算速度的同時也提升了CPU的利用效率；

6）串行在系統(tǒng)編程，通過仿真器對程序進行下載，并通過專用軟件對程序及單片機的工作狀態(tài)進行監(jiān)控，極大地方便了程序的調試。

2.2 高精度電能計量芯片ADE7755簡介

ADE7755是一款適用于單相配電系統(tǒng)的高精度電能計量IC（如圖2）。采用AD7755設計電子式電能表是一種電能測量的低成本單片解決方案。AD7755內部包含兩路模數轉換器（ADC），一個基準電壓源和用來計算有功功率的全部信號處理電路。AD7755還包含直接驅動機電式計度器（即電能記錄器）的數字頻率轉換器（F1、F2）和用于校驗和通信的高頻脈沖輸出電路（CF）。

圖2 ADE7755框圖

它可提供基于輸電線電壓和電流計算的瞬時有功功率和平均有功功率。該器件規(guī)范超過IEC61036標準規(guī)定的精度要求。ADE7755中使用的唯一模擬電路是ADC和參考電壓電路。所有其它信號處理（例如乘法和濾波）都是在數字域實現的。這種信號處理方法可在隨環(huán)境條件和時間變化的很大范圍內提供優(yōu)異的穩(wěn)定性和精度。

電流通道提供高增益模式，可直接連接低阻值分流電阻器而不損失動態(tài)范圍。兩通道之間的增益校準在器件外部進行調整。ADE7755采用SSOP封裝。在各種負載條件下提供低頻（F1/F2）和高頻（CF）同步輸出。

ADE7755是一種高準確度電能測量集成電路，其技術指標超過IEC1036規(guī)定的準確度要求。ADE7755只在ADC和基準源中使用模擬電路，所有其它信號處（如相乘和濾波）都使用數字電路，這使ADE7755在惡劣的環(huán)境條件下仍能保持極高的準確度和長期穩(wěn)定性。ADE7755引腳F1和F2以較低頻率形式輸出有功功率平均值，能直接驅動機電式計度器或與微控制器（MCU）接口。引腳CF以較高頻率形式輸出有功功率瞬時值，用于校驗或與MCU接口。ADE7755內部包含一個對AVDD電源引腳的監(jiān)控電路。在AVDD上升到4V之前，ADE7755一直保持在復位狀態(tài)。當AVDD降到4V以下，ADE7755也被復位，此時F1，F2和CF都沒有輸出。內部相位匹配電路使電壓和電流通道的相位始終是匹配的，無論通道1內的高通濾波器（HPL）是接通的還是斷開的。內部的空載閾值特性保證ADE7755在空載時沒有潛動。

2.3 GPRS模塊GL868簡介

無線模塊GL868-DUAL最新的GL868-DUAL產品是目前市場上最小的、采用表面黏貼式封裝技術的GSM/GPRS模塊。GL868-DUAL是一個支持900/1800雙頻的GSM/GPRS設備，它采用無引腳城堡形包裝技術，擁有極低功耗、超寬的溫度范圍和緊湊的外型。使得GL868-DUAL適合應用于各種非常緊湊的設計中。其他一些附加的特性，比如集成TCP/IP協(xié)議棧、串行多路復用器和遠程AT命令，都可以擴展應用的功能，而不需要增加額外成本。GL868-DUAL允許在模塊內運行用戶自己的應用。

產品特點：

1）雙頻EGSM 900/1800 MHZ；

2）串行接口多路復用器3GPP TS 27.010；

3）通過AT命令訪問TCP/IP協(xié)議棧；

4）支持DARP/SAIC；

5）輸出功率-Class 4(2W)@ 900 MHZClass 1(1W)@ 1800 MHz；

6）提供電壓范圍：3.22-4.5V DC(推薦電壓：3.8V DC)；

7）電流(標準值)-關機時：<5uA-空閑時(已注冊，省電模式)：1.5mA @ DRX=9-工作時：230mA @最大功耗-GPRS cl.10:360mA @最大功耗；

8）靈敏度：-108dBm(typ.)@ 900MHz-107dBm(typ.)@ 1800MHZ；

9）擴展溫度范圍-40°Cto+85°C(操作時)-40°Cto+85°C(儲存溫度)；

10）接口最多8個輸入/輸出接口模擬音頻（平衡），數字音頻2個模數轉換器和1個數模轉換器蜂鳴器輸出通過CMOS UART實現ITU-T V.24串行連接：-波特率：300到115，200bps-自動波特率高達115，200bps；

11）短消息點對點移動電話發(fā)起和終止短信息支持短信息連接短信息廣播文本和PDU模式通過GPRS發(fā)送短信息。

3.系統(tǒng)方案

如圖3所示，系統(tǒng)電源采用直接測量，引入的電源，用交流變壓器降壓，經過硅橋整流成直流電壓。人機交互部分采用工業(yè)液晶，以及4個方向按鍵以及4個功能按鍵。電能信號采集部分AD7755，采集相關的電壓、電流、有功、無功功率等信息。時鐘源采用DS1302標準I2C接口時鐘芯片。歷史數據存儲采用SPI接口FALSH。

圖3 系統(tǒng)方案

4.硬件設計

4.1 ADE7755部分硬件電路設計

本文介紹了用美國Analog Devices Inc.（ADI）公司生產的AD7755設計的一種低成本、高精度電能表。本電能表是為單相。兩線制系統(tǒng)設計的，但也容易適合特殊地區(qū)的設計要求，例如美國的配電系統(tǒng)通常要求居民電表采用單相、三線制系統(tǒng)。采用AD7755設計電子式電能表是一種電能測量的低成本單片解決方案。AD7755內部包含兩路模數轉換器（ADC），一個基準電壓源和用來計算有功功率的全部信號處理電路。圖4是ADE7755部分硬件電路設計。

設計參數為：

電壓精度≦±1%；電流精度≦±1%；功率精度≦±1%；功率因數精度≦±2%。

4.2 電源管理部分電路

電源部分采用測量的220V直接作為電源的輸入，進過變壓器變換為交流9V，經過硅橋整流直接輸入到與濾波。

LM2576的特性如下：

1）輸出電壓可調的范圍為1.23V～37V(HV型號的可達57V)，負載電壓的輸出容差最大為±4%；

2）最少只需要4個外圍元件，可達3A的輸出電流；

3）寬的輸入電壓范圍，HV型號甚至可達40V～60V；

4）內部振蕩器產生52KHz的固定頻率；

5）可用TTL電平關閉輸出，低功耗待機模式，典型待機電流為50μA；

6）BUCK式降壓器，較高的轉換效率；

7）過熱和過流保護。

圖5是直流部分電源轉換設計圖。

圖5 直流部分電源轉換設計

4.3 Msp430f149電路設計

最下系統(tǒng)設計，包括供電設計，復位電路設計，以及相關的外圍接口分配。

低電平復位電路當供電電壓擾動低于2.93V時，MAX809STR強制系統(tǒng)復位。

圖6是Msp430f149電路設計圖。

圖6 Msp430f149電路設計

4.4 GPRS電路設計（如圖7所示）

圖7 GPRS電路設計

5.結語

本設計思想是結合了豐富的實踐經驗基礎，并不注重技術，同事考慮的實際工程應用，以及批量生產的可行性。多功能電能計量系統(tǒng)的整體結構，整個系統(tǒng)硬件配置分為輸入單元、電源管理、單片機單元、通信接口單元、顯示單元和外圍接口等部分，完成數據采集、自檢、電能計量、通訊控制、輸出顯示功能。

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