CN101419251A

CN101419251A - 基于c8051f310soc单芯片的三相电能表

Info

Publication number: CN101419251A
Application number: CNA2008102394074A
Authority: CN
Inventors: 袁慧梅; 杨钧友; 孙浩; 陈文�; 王艳; 陈宗英
Original assignee: Capital Normal University
Current assignee: Capital Normal University
Priority date: 2008-12-08
Filing date: 2008-12-08
Publication date: 2009-04-29

Abstract

本发明涉及一种基于C8051F310SOC单芯片的三相电能表，该电能表包括：该电能表以C8051F310作为系统的中央处理器，显示部分通过SPI接口与主控芯片连接，以进行SPI通信；时钟模块为PCF8563，8脚DIP封装，与主控芯片连接；存储器模块为AT24C16，8脚DIP封装，与时钟芯片PCF8563共享IIC总线；485通信模块核心芯片为MAX485E，8脚DIP封装，与上位机相连负责和上位机网络通信；外部按键连接到主控芯片P3.4引脚；AD采集模块主要由传感器、信号调理模块和C8051F310片内的ADC三部分组成；电压比较器模块，连接到主控芯片内部的比较器输入引脚上；以及一电源供电电路。该电能表具有计量精度高、成本低廉、简单可靠等优点，而且它还具有极强的可重构性，非常适合在民用电表中进行推广。

Description

基于C8051F310SOC单芯片的三相电能表

技术领域

本发明涉及一种基于C8051F310SOC单芯片的三相电能表，属于电能表技术领域。

背景技术

2003年城乡电网改造结束后，电力系统对三相多功能表的需求量迅速增长。由此，国际、国内电表企业纷纷看好商机，抓紧新技术开发，不断推出三相多功能表的新产品，以满足电能表市场的应用需求。据不全完统计，国家电网和南方电网拥有计费电能表总量为19500万台。其中，两网直接管理用于计费的11800万台，非直接管理用于计费的7700万台。

这几年国内电子电能表的需求稳中有升，造成市场增长的原因有三：一是电子电能表将逐步替代机械式电能表；二是前几年安装的电子电能表功能简单，目前已经开始更新换代；三是近年来国外电子电能表市场有所扩大，使国内企业出口量增加。

业内人士分析，电子电表将成为未来电表市场的主角。有资料表明，目前全球至少已经安装了10亿块电表(电子电表和机械电表总和)。未来10年，中国电表市场可能占全球电表市场的40％，而且这个比例还在不断攀升。北京电力公司已经决定，将在2008年之前将卡表全部更换掉。

在中国的电能表市场上，电子式电能表约占30～40％，其中单相电子式电能表的年需求量稳定为2000万只左右，三相电子式电能表已增长到600万只以上。电子式电能表具有精度高、功能强、寿命长等优点，剩余60～70％的传统机械表正逐渐被电子式电能表所替代。

目前在国内，单、三相电能表的设计规范还不是很严格。各个电能表制造厂家在对三相电能表的功能设计上都没有明确的标准，基本上是按照客户提出的要求，选择市场上已有的CPU、电能计量芯片及外围硬件模块进行具体的设计。这样，每次不同功能要求的设计项目都需要对原有的软硬件设计方案做出相应的调整。其中，对硬件设计方案的改变可能会对产品安全可靠性造成很大的影响，同时也会给设计制造厂家带来更多的投资及不便。

如果能够将电能表所需的全部核心电路(例如微处理器，电能计量芯片、各种控制器与通信接口等)放在同一芯片上，就可以大幅缩小整个系统所占的面积，同时还会减少外围驱动接口单元及电路板间的信号传递，加快微处理器数据处理的速度，内嵌的线路还可以避免外部电路板上信号传递所造成的系统干扰。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于C8051F310SOC单芯片的三相电能表，针对现有技术中存在的问题，提出一个完整的基于C8051F310SOC单芯片的三相电能表设计方案，将电表所需的全部核心电路(例如微处理器，计量芯片、AD转换器与通信接口等)放在同一芯片上，以缩小整个系统所占的面积，加快微处理器数据处理的速度，增加系统的集成度，从而节省资源成本。

本发明一种基于C8051F310SOC单芯片的三相电能表，其硬件部分如下：

(1)主控芯片

本发明所述的电能表以C8051F310作为系统的中央处理器(CPU)，负责对系统的控制和对信息的处理。

(2)显示部分

所述的显示部分通过SPI接口与主控芯片连接，以进行SPI通信。

所述的显示部分为NOKIA(诺基亚)公司的3310液晶屏，该液晶屏共有7个外部引脚，其中SCLK、SDIN、SCE引脚分别连接到主控芯片的P0.0、P0.2、P0.3引脚以进行SPI通信；它的数据/命令选择引脚D/C和复位引脚RES分别连接到主控芯片的P3.0、P3.1引脚；另外还要给它的VCC引脚提供3.3V电压并且将GND引脚接地。

(3)时钟模块

所述的时钟模块为PCF8563，8脚DIP封装，其中7脚为CLKOUT用10K电阻上拉，输出频率为晶振频率：32768Hz，作为测试用；3脚/INT、5脚SDA、6脚SCL均用10K(R400KHz＝10K，R100KHz＝33K)电阻上拉，与主控芯片的P3.2、P0.6、P0.7连接；IIC通信地址为：写为0A2H，读为0A3H。电源部分由电线上采得，还需要加上电池在断电情况下继续为PCF8563供电，以防止丢失时间等参数。

(4)存储器模块

所述的存储器模块为AT24C16，8脚DIP封装；A0、A1、A2均接地；则IIC通信地址为0A0，与时钟芯片PCF8563共享IIC总线，由主控芯片控制选择读写。

(5)485通信模块

485通信模块核心芯片为MAX485E，8脚DIP封装，与上位机相连负责和上位机网络通信；且通过光藕(PS2051)分别连接主控芯片的P0.5(RXD)、P0.4(TXD)、P3.3，负责485通信。

其中P3.3脚负责发送、接收的切换。

(6)外部按键

外部按键连接到主控芯片P3.4引脚，用于快速将测量的各个参数值上传给上位机进行显示和处理。

(7)AD采集模块

AD采集模块主要由传感器、信号调理模块和C8051F310片内的ADC三部分组成；

传感器将电力线上的三相电压和三相电流转为小信号送给信号调理模块，三相电压信号是通过电阻分压网络降为小信号的，三相电流信号是通过电流互感器转为小信号的。

信号调理模块把传感器送来的小电压信号经过抗混叠低通滤波器滤波后偏置到A/D的参考电压电平上，并将其输出给C8051F310片内的ADC进行模拟数字转换，三路差分电压输入信号UA、UB、UC分别与主控芯片的P1.3和P1.4、P1.5和P1.6、P1.7和P2.0引脚相连接，三路单端电流输入信号IA、IB、IC分别与主控芯片的P1.0、P1.1、P1.2引脚相连接。

C8051F310片内的ADC集成了两个25通道模拟多路选择器和一个200ksps的10位逐次逼近寄存器型ADC，ADC中还集成了跟踪保持电路和可编程窗口检测器。

(8)电压比较器模块

将一路差分电压输入信号UA和外部基准接到主控芯片内部的比较器输入引脚P2.4和P2.5上，可测得信号的频率值。

(9)电源供电电路

电源部分由LM7805来稳定变压器产生的5V直流电压，提供给RS485以及作为LM1086输入，LM1086转换成3.3V直流电压提供给C8051F310作为工作电压。

本发明一种基于C8051F310SOC单芯片的三相电能表，其优点及功效在于：该电能表具有计量精度高(电压、电流、有功功率优于0.5％；频率优于0.2％；电度优于1％)、成本低廉、简单可靠等优点，非常适合在民用电表中进行推广。而且它还具有极强的可重构性，即在不改变硬件电路的前提下通过改变软件来升级改进系统功能，从而解决了每次不同功能要求的设计项目都需要对原有的软硬件设计方案做出相应的调整的问题，给用户和生产厂商都带来了极大的方便。

附图说明

图1所示为本发明硬件装置框图

图2所示为本发明之时钟模块部分的电路图

图3所示为本发明之存储器模块部分的电路图

图4所示为485通信模块部分的电路图

图5所示为主程序的流程图

图6所示为ADC中断服务程序的流程图

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案做进一步的说明。

本发明提出的SOC单芯片的三相电能表设计方案，立足于实际的具体应用，给出基于新华龙公司的8位单片机C8051F310的系统方案。该系统方案同样可以应用到单相电能表设计中，只是需要在硬件设计上对电线的接法以及系统软件设计中相应的模块加以调整就可以了。

本发明一种基于C8051F310SOC单芯片的三相电能表，请参阅图1，其硬件部分如下：

(1)主控芯片

该C8051F310：32脚LQFP封装方式，完全集成的混合信号片上系统型MCU芯片。片内16KB可在系统编程的FLASH存储器，1280字节片内RAM，29/25个端口I/O(容许5V输入)，4个通用的16位定时器，14个向量两级中断，硬件实现的SMBus/IIC、增强型UART和增强型SPI串行接口，5个捕捉/比较模块和看门狗定时器功能的可编程计数器/定时器阵列(PCA)，2个片内电压比较器，带模拟多路器、真正10位200ksps的25通道单端/差分ADC，高精度可编程的25MHz内部振荡器，峰值速度可达到25MIPS。

C8051F310的CPU对进入ADC的信号进行采样和相应的计算，即可测得三相交流电压、电流的实际值。在此基础上，进行相关的计算，还可获得三相有功功率、总有功功率；三相无功功率、总无功功率；线电压；功率因素；电度等电量值，从而在片内实现了电能的计量。

(2)显示部分

所述的显示部分为NOKIA(诺基亚)公司的3310液晶屏，内部LCD控制器型号为PCD8544。它是一款SPI接口的84*48点的液晶屏，支持字符、汉字、图形的显示。该液晶屏共有7个外部引脚，其中SCLK、SDIN、SCE引脚分别连接到主控芯片的P0.0、P0.2、P0.3引脚以进行SPI通信；它的数据/命令选择引脚D/C和复位引脚RES分别连接到主控芯片的P3.0、P3.1引脚；另外还要给它的VCC引脚提供3.3V电压并且将GND引脚接地。

(3)时钟模块

所述的时钟模块为PCF8563，8脚DIP封装，其中7脚为CLKOUT用10K电阻上拉，输出频率为晶振频率：32768Hz，作为测试用；3脚/INT、5脚SDA、6脚SCL均用10K(R400KHz＝10K，R100KHz＝33K)电阻上拉，与主控芯片的P3.2、P0.6、P0.7连接；IIC通信地址为：写为0A2H，读为0A3H。电源部分由电线上采得，还需要加上电池在断电情况下继续为PCF8563供电，以防止丢失时间等参数。时钟模块电路部分参见2所示。

其管脚如下表：

符号	管脚号	描述
符号	管脚号	描述	OSCI	1	振荡器输入
OSCO	2	振荡器输出	OSCI	1	振荡器输入
OSCO	2	振荡器输出	/INT	3	中断输出(开漏；低电平有效)
VSS	4	地	/INT	3	中断输出(开漏；低电平有效)
VSS	4	地	SDA	5	串行数据I/O
SCL	6	串行时钟输入	SDA	5	串行数据I/O
SCL	6	串行时钟输入	CLKOUT	7	时钟输出(开漏)
VDD	8	正电源	CLKOUT	7	时钟输出(开漏)

(4)存储器模块

所述的存储器模块为AT24C16，8脚DIP封装；A0、A1、A2均接地；则IIC通信地址为0A0，与时钟芯片PCF8563共享IIC总线，由主控芯片控制选择读写。存储器模块电路部分参见图3所示。

(5)485通信模块

485通信模块(RS485)核心芯片为MAX485E，8脚DIP封装，与上位机相连负责和上位机网络通信；且通过光藕(PS2051)分别连接主控芯片的P0.5(RXD)、P0.4(TXD)、P3.3，负责485通信。

其中P3.3脚负责发送、接收的切换。

485通信模块的电路部分参见图4所示。

使用光藕的目的是隔离来自外部干扰，防止其对单片机控制造成影响。光藕上下拉电阻参数选择可根据通信速率不同时的实验结果确定。根据实验得出，选择1k、2k可以满足9600bps的通信速率。

(6)外部按键

(7)AD采集模块

C8051F310片内的ADC集成了两个25通道模拟多路选择器和一个200ksps的10位逐次逼近寄存器型ADC，ADC中还集成了跟踪保持电路和可编程窗口检测器。由于其具有速度快、集成度高、通道数多、单端差分输入都支持并且抗干扰能力强等特点，所以特别适合应用于三相电能表的设计。本系统采用C8051F310片内集成的ADC，它将数据采集、电能计量、系统控制等功能集成在一片SOC芯片中，从而实现了真正的SOC单芯片的三相电能表。当然也可以不使用片内的ADC，而选择外部接ADC芯片，但这样不仅会增加系统的成本，降低系统的集成度，增大印刷电路板的面积，而且可能会影响到系统的稳定性。

(8)电压比较器模块

(9)电源供电电路

本发明一种基于C8051F310SOC单芯片的三相电能表，其软件部分如下：

整个软件系统的设计主要可以划分为两部分：主程序的设计和中断服务程序的设计。

如图5所示，在主程序中首先要完成整个系统的初始化，它包括端口、晶振、串口、SPI、IIC、定时器、比较器、ADC、LCD液晶、RTC实时时钟等各个功能模块的设置和初始化。而后系统则进入一个无限循环中，它主要是不断对三个功能标志位进行检测并进行相应的处理操作。当需要显示的内容或者参数值发生变化时DisplayFlag＝1，主程序检测到这个标志位的值会将最新的正确的参数值送3310液晶进行数据的实时显示。当需要实时对各个参数值(比如三路的电压有效值和电流有效值)进行计算时NumFlag＝1，主程序检测到这个标志位的值会对各个参数值进行计算并将结果保存。当外部有按键输入时TransFlag＝1，主程序检测到这个标志位的值会将测量的各个参数值通过串口上传到上位机进行显示。

中断服务程序包括ADC中断服务程序(如图6)、定时器中断服务程序、外部中断服务程序，比较器中断服务程序。

(1)ADC中断服务程序

它的功能主要是对三路单端输入信号和三路差分输入信号进行数据采集，切换采样通道并且计算出各个参数的值(如电压有效值、有功功率等)并保存。

(2)定时器中断服务程序

该中断服务程序用来设置每屏参数值的显示时间。当定时器溢出时，DisplayFlag标志位置1，标志着系统应该更新显示内容了。

(3)外部中断服务程序

该中断服务程序用来对外部按键事件进行检测，并且将TransFlag标志位置1，从而标志着系统应该将各个参数值上传给上位机。

(4)比较器中断服务程序

该中断服务程序用来测量输入信号的频率值，可以通过对1s内进入该中断服务程序的次数进行计数来实现。

Claims

1、一种基于C8051F310SOC单芯片的三相电能表，其特征在于：该电能表包括：

主控芯片：所述的电能表以C8051F310作为系统的中央处理器，负责对系统的控制和对信息的处理；

显示部分：所述的显示部分通过SPI接口与主控芯片连接，以进行SPI通信；所述的显示部分为诺基亚公司的3310液晶屏，该液晶屏共有7个外部引脚，其中SCLK、SDIN、SCE引脚分别连接到主控芯片的P0.0、P0.2、P0.3引脚以进行SPI通信；它的数据/命令选择引脚D/C和复位引脚RES分别连接到主控芯片的P3.0、P3.1引脚；另外还要给它的VCC引脚提供3.3V电压并且将GND引脚接地；

时钟模块：所述的时钟模块为PCF8563，8脚DIP封装，其中7脚为CLKOUT用10K电阻上拉，输出频率为晶振频率：32768Hz，作为测试用；3脚/INT、5脚SDA、6脚SCL均用10K电阻上拉，与主控芯片的P3.2、P0.6、P0.7连接；IIC通信地址为：写为0A2H，读为0A3H；电源部分由电线上采得，还需要加上电池在断电情况下继续为PCF8563供电，以防止丢失时间等参数；

存储器模块：所述的存储器模块为AT24C16，8脚DIP封装；A0、A1、A2均接地；则IIC通信地址为0A0，与时钟芯片PCF8563共享IIC总线，由主控芯片控制选择读写；

485通信模块：485通信模块核心芯片为MAX485E，8脚DIP封装，与上位机相连负责和上位机网络通信；且通过光藕分别连接主控芯片的P0.5、P0.4、P3.3，负责485通信；其中P3.3脚负责发送、接收的切换；

外部按键：外部按键连接到主控芯片P3.4引脚，用于快速将测量的各个参数值上传给上位机进行显示和处理；

AD采集模块：AD采集模块主要由传感器、信号调理模块和C8051F310片内的ADC三部分组成；传感器将电力线上的三相电压和三相电流转为小信号送给信号调理模块，三相电压信号是通过电阻分压网络降为小信号的，三相电流信号是通过电流互感器转为小信号的；信号调理模块把传感器送来的小电压信号经过抗混叠低通滤波器滤波后偏置到A/D的参考电压电平上，并将其输出给C8051F310片内的ADC进行模拟数字转换，三路差分电压输入信号UA、UB、UC分别与主控芯片的P1.3和P1.4、P1.5和P1.6、P1.7和P2.0引脚相连接，三路单端电流输入信号IA、IB、IC分别与主控芯片的P1.0、P1.1、P1.2引脚相连接；C8051F310片内的ADC集成了两个25通道模拟多路选择器和一个200ksps的10位逐次逼近寄存器型ADC，ADC中还集成了跟踪保持电路和可编程窗口检测器；

电压比较器模块：将一路差分电压输入信号UA和外部基准接到主控芯片内部的比较器输入引脚P2.4和P2.5上，可测得信号的频率值；

电源供电电路：电源部分由LM7805来稳定变压器产生的5V直流电压，提供给RS485以及作为LM1086输入，LM1086转换成3.3V直流电压提供给C8051F310作为工作电压。