CN1570653A - MSP430FE42x单相多功能电能表及计量方法 - Google Patents

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陈贤兴
潘有亮
周震宇
季燕飞
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Abstract

本发明涉及一种由MSP430 FE42x系列单片机构成的单相多功能电能表及计量方法，由MSP430FE42x单片机、电源电路、电压回路、电流回路、电流回路、LCD显示器、脉冲输出接口、通信接口构成，电源电路为交直流转换电路，其电源输出端接MSP430FE42x系列单片机的电源端，LCD显示器信号端与MSP430FE42x系列单片机中LCD驱动输出的信号端相连，电压回路中的电压接口接MSP430FE42x单片机中ESP430模块的电压接口(V+V－)，电流回路中的火线回路电流接口I1接MSP430FE42x单片机中ESP430模块的电流接口(I1+I1－)、零线回路电流接口I2接MSP430FE42x单片机中ESP430模块的电流接口(I2+I2－)，脉冲输出接口是用来校表、计量的，由普通I/O加光耦隔离，实现，通信接口选择光学通信接口、RS－232/RS－485接口或者两者兼有。

Description

MSP430FE42x单相多功能电能表及计量方法
技术领域：
本发明涉及一种由MSP430FE42x系列单片机构成的单相多功能电能表及计量方法，属电能表制造领域。
背景技术：
现有的单相多功能电能表，一是芯片多，外围电路复杂。如液晶驱动芯片、计量芯片、时钟芯片、温度传感器等等，不仅电能表制造成本高、能耗大，而且故障率高、可靠性差；二是需要额外的计量芯片电路，设计复杂；三是计量芯片没有电压、电流等的输出，不易实现多功能；四是计量芯片与CPU分立，CPU必须负担额外的电量参数信号采集。
发明内容：
设计目的：避免背景技术中的不足之处，提供一种只需一片MSP430FE42x芯片及少量、简单的外围电路，即可实现电能表的需量管理、费率管理、时间管理、事件管理等单相多功能电能表的辅助功能。
设计方案：MSP430FE42x(MSP430FE42x中的X是3、5、7，表示内存容量的大小)是一款高性能、超低功耗的16位高速单片机，它具有大容量的存储空间，这使得能轻松实现需量管理，费率管理，时间管理，事件管理等单相多功能电能表的辅助功能。MSP430FE47x系列单片机的基本定时器(Basic Time)为实现内部时钟提供了非常便利的条件，内置的温度传感器能有效的对内部时钟进行温度补偿，从而得到高精度的内部时钟。
MSP430系列超低功耗控制器由针对多种不同应用具有不同外围模块的芯片组成的。其结构与五种的功耗模式相结合，实现延长电池寿命。芯片具有强大的16位精简指令CPU，16位寄存器和常数发生器，可以实现最大代码执行效率。带数字控制振荡器的锁频环FLL+提供从低功耗模式到活动模式小于6us的迅速唤醒。MSP430FE42x系列是一款配置有三个独立的16位∑-Δ模数转换器和嵌入式信号处理内核(ESP430)、用于测量和计算二线或三线制的单相电能的微控制器。它是专门针对单相多功能电能表设计的，集成了单相多功能电能表信号处理器。这使得用单芯片实现单相多功能电能表成为现实。基于MSP430FE42x的单相多功能电能表可以具备以下等功能：①电流，电压，频率、相位、功率因子等；②有功和无功计量；③需量管理；④费率和时段管理；⑤零线电流计量；⑥时间、事件管理；⑦通讯。
1、MSP430FE42x嵌入式信号处理器(ESP430)：MSP430FE42X系列单片机将电能计量模块直接嵌入在16位MSP430单片机内部，相当于把一个电能计量芯片与一个MCU的结合，他使得单相电能表的设计进一步简化，成本也得到进一步的降低。MSP430FE42x不是将电能计量模块与MSP430的CPU的简单结合，他还提供了对内部模块的控制，见附图1----ESP430与MSP430 CPU的关系框图。ESP430是独立于MCU又具有MCU特征的模块，该模块的内核是带有硬件乘法器，4K字节的ROM，256字节的数据保存RAM，32字节用于与MCU交换数据，对ESP430来讲这些物理地址是不可见的。MSP430和ESP430只能是通过邮箱寄存器MBIN0、MBIN1、MBOUT0、MBOUT1用程序来进行信息交流。可以用程序通过这个邮箱来调整ESP430模块的运行状态和修正由于硬件引起的输入通道某些运行偏差，还可以通过信息返回寄存器来获取ESP430的运行结果。
ESP430由模拟前端(Analog front-end)和单相电能表专用数字信号处理器(DSP430E)两部分组成。模拟前端包括：可选择的内部参考，三个独立的增益放大器、三个独立的16位∑-Δ模数转换器和三个独立的过采样控制器。数字信号处理(DSP430E)根据设置的校准参数加工、处理从模拟前端得到的数据，计算得出电压、电流、频率、相位、有功、无功等最终结果，并以事件形式通过邮箱通知CPU读取这些数据。图1.2为ESP430的功能框图。
2、MSP430FE42x单相多功能电能表功能结构：MSP430FE42x单相多功能电能表基本模块包括：电源管理、电压和电流回路、LCD显示、脉冲输出和通信接口等。图3是MSP430FE42X单相多功能电能表功能框图。从图3可以看到，MSP430FE42x单相多功能电能表的接口非常简单，电能计量、LCD显示驱动、RTC实时时钟等都在MSP430FE42x单片机上实现，外部只需要扩展简单的接口电路。
3、MSP430FE42x单相多功能电能表工作原理：总体原理：结合图1.1，图2.1和图2.3，我们可以看到，火线电流经分流器或CT后接入MSP430FE42x的电流接口I1+/I1-，零线电流经分流器或CT后接入MSP430FE42x的电流接口I2+/I2-，电网电压经电阻分压后接入MSP430FE42x的电压接口V1+/V1-(如图2.3所示)。启动EESP430模块后，ESP430的包含三个独立的16位∑-Δ模数转换器的模拟前端对两个电流端口和电压端口进行采样，带硬件乘法器的数字信号处理器DSP430计算处理模拟前端采样得到的数据，并把计算结果电流、电压、电能等反馈给CPU，CPU进行调度各功能程序模块实现整个电能表功能。工作流程：启动ESP430进行测量前，必须对ESP430模块进行初始化，包括ESP430控制寄存器初始化和测量基准寄存器的初始化。如图1ESP430与MSP430 CPU的关系框图所示，CPU可以直接对ESP430的控制寄存器进行读写操作对ESP430控制寄存器的初始化完毕后，我们就能够对ESP内部的基准参数寄存器进行初始化。如图1所示，CPU对它的读写操作必须通过邮箱实现。基准参数寄存器的初始化内容出接入MSP430FE42x前的电流回路和电压回路的参数决定。ESP430根据这些初始化内容计算出电量的各种参数。图6为ESP430初始化结束后，ESP430首先应进入空闲模式。CPU可以通过邮箱向ESP430发送控制命令，使ESP430进入各种工作状态。ESP430在测量等工作状态中，它会通过邮箱向CPU发送各种事件的发生，通知CPU采取相应的处理措施，以实现电能表的各种功能。
技术方案1：MSP430FE42x单相多功能电能表由MSP430FE42x单片机、电源电路、电压回路、电流回路、电流回路、LCD显示器、脉冲输出接口、通信接口构成，电源电路为交直流转换电路，其电源输出端接MSP430FE42x系列单片机的电源端，LCD显示器信号端与MSP430FE42x系列单片机中LCD驱动输出的信号端相连，电压回路中的电压接口接MSP430FE42x单片机中ESP430模块的电压接口(V+V-)，电流回路中的火线回路电流接口I1接MSP430FE42x单片机中ESP430模块的电流接口(I1+I1-)、零线回路电流接口I2接MSP430FE42x单片机中ESP430模块的电流接口(I2+I2-)，脉冲输出接口是用来校表、计量的，由普通I/O加光耦隔离，实现，通信接口选择光学通信接口、RS-232/RS-485接口或者两者兼有。
技术方案2：MSP430FE42x单相多功能电能表的计量方法，火线电流经分流器或CT后接入MSP430FE42x的电流接口I1+/I1-，零线电流经分流器或CT后接入MSP430FE42x的电流接口I2+/I2-，电网电压经电阻分压后接入MSP430FE42x的电压接口V1+/V1-，启动EESP430模块后，ESP430中的三个独立的16位∑-Δ模数转换器的模拟前端对两个电流端口和电压端口进行采样，带硬件乘法器的数字信号处理器DSP430计算处理模拟前端采样得到的数据，并把计算结果电流、电压、电能等反馈给CPU，CPU进行调度各功能程序模块实现整个电能表功能。
技术方案3：MSP430FE42x单相多功能电能表的操作方法，启动ESP430进行测量前，对ESP430模块、ESP430控制寄存器和测量基准寄存器进行初始化，包括ESP430控制寄存器初始化和测量基准寄存器的初始化，CPU直接对ESP430的控制寄存器进行读写操作对ESP430控制寄存器的初始化完毕后，对ESP内部的基准参数寄存器进行初始化，CPU对它的读写操作通过邮箱实现，基准参数寄存器的初始化内容由接入MSP430FE42x前的电流回路和电压回路的参数决定，ESP430根据这些初始化内容计算出电量的各种参数；初始化结束后，ESP430进入空闲模式，CPU可以通过邮箱向ESP430发送控制命令，使ESP430进入各种工作状态，ESP430在测量等工作状态中，通过邮箱向CPU发送各种事件的发生，通知CPU采取相应的处理措施，以实现电能表的各种功能。
本发明与背景技术相比，MSP430FE42x单相多功能电能表是单芯片实现单相多功能电能表的典范，它甚至可以不用扩展外部时钟芯片，用内部时钟能达到与外部时钟同样的精度。它与背景技术的计量芯片+单片机的电能表相比存在以下优势：一是用单芯片实现单相多功能电能表。使用内置温度传感器的MSP430FE42x单片机实现的多功能电能表可省去传统电能表中的液晶驱动芯片、计量芯片、时钟芯片、温度传感器等，降低电能表的成本。二是MSP430系列单片机的超低功耗特性可大大降低电能表的功耗，延长后备电池的使用寿命。三是单芯片解决方案，外围电路简洁、容易布板、也提高了整机的可靠性，传统的电能表需要额外的计量芯片部分的电路，这部分电路也是电能表设计的难点。四是功能齐全，用ESP能测量电流、电压、相位、频率等所有的电量参数，传统的电能表使用的很多计量芯片没有电压、电流等的输出，只具备最基本的电能计量功能，不易实现多功能电能表。五是MSP430FE42x单相多功能电能表属于数据输出型，各种电量参数直接可从反馈寄存器读出，传统的电能表由于计量芯片和CPU分立，CPU必须负担额外的电量参数信号采集。六是ESP430的模拟前端，三个独立的161位∑-Δ模数转换器前都具备前置可编程增益放大器，使得电流接口和电压接口具有非常灵活的输入范围。七是内置温度传感器和精确的内部参考发生器可大大的降低16位转换误差。八是ESP430内置去直流分量机制，能内部短接电流、电压通道进行通道调零。
附图说明：
图1是ESP430与MSP430CPU的关系框图。
图2是ESP430的功能框图。
图3是MSP430FE42X单相多功能电能表功能框图。
图4是电源电路图。
图5是电能计量电路。
图6是ESP430工作状态关联图。
具体实施方式：
实施例1：MSP430FE42x单相多功能电能表由MSP430FE42x单片机、电源电路、电压回路、电流回路、电流回路、LCD显示器、脉冲输出接口、通信接口构成，电源电路为交直流转换电路，其电源输出端接MSP430FE42x系列单片机的电源端，LCD显示器信号端与MSP430FE42x系列单片机中LCD驱动输出的信号端相连，电压回路中的电压接口接MSP430FE42x单片机中ESP430模块的电压接口(V+V-)，电流回路中的火线回路电流接口I1接MSP430FE42x单片机中ESP430模块的电流接口(I1+I1-)、零线回路电流接口I2接MSP430FE42x单片机中ESP430模块的电流接口(I2+I2-)，脉冲输出接口是用来校表、计量的，由普通I/O加光耦隔离，实现，通信接口选择光学通信接口、RS-232/RS-485接口或者两者兼有。
电源电路：电源电路负责对单片机以及外围通信接口、脉冲输出接口的供电。电源的来源可以分为两部分，一是来自电网，一是来自后备电池，如图2.1。它们之间的选择通过共阴双二极管(图2.1中位号为V1)实现。当电网有电时，后备电池关闭，单片机及外围电路的供电全部来自电网；当电网掉电时，后备电池启动。后备电池只负责对单片机的供电，保证MSP430FE42x的内部时钟工作正常，保证LCD显示工作正常。
图4中最终得到的+4V电压，图4中标记位“+4.0V”给图3中的“光学通信接口和RS232/RS485接口电路”和“脉冲发生电路”供电。图4中最终得到的+3.6V电压，图4中标记为“VCC”给MSP430FE42x单片机供电。
LCD显示：MSP430FE42x内部具有LCD驱动器如图3，最多可取动显示96段码，能很好的完成LCD显示功能，无需再扩展LCD驱动器，只要直接将液晶的各个脚与MSP430fe42x对应的LCD驱动输出的脚相连即可。
通信接口：MSP430FE42x具有一个硬件通用异步/同步接收发送(USART0)外围模块，用于串行数据通信。MSP430FE427x单相多功能电能表可选择光学通信接口、RS-232/RS-485接口或者两者兼有。
电能计量：MSP430FE42x集成了基于三个独立的16位∑-Δ模数转换器的单相多功能电能表信号处理器(ESP430)。应用ESP430实现的电能计量电路非常简单，只要电流、电压经分流、分压或者CT、VT后直接接入如图1所示的电流(I1+I1-，I2+I2-)和电压(V1+V1-)接口。图2.3为电能计量电路的典型接法。
图5中，电压的分压在此图中已完成，只要将电网电压接入到电压接口V，电流接入接口I1和I2前应先经分流器或CT分流后接入。图5中，电流接口I1的电路部分对应图3中的火线回路，此回路最终接入MSP430FE42x单片机中ESP430模块的电流接口(I1+I1-)，即图2中的I1+I1-。图5中，电流接口I2的电路部分对应图3中的零线回路，此回路最终接入MSP430FE42x单片机中ESP430模块的电流接口(I2+I2-)，即图2中的I2+I2-。图5中，电压接口V的电路部分对应图3中的电压回路，此回路最终接入MSP430FE42x单片机中ESP430模块的电压接口(V+V-)，即图2中的V+V-。
脉冲输出：脉冲输出是用来校表、计量的，脉冲输出电路由普通I/O加光耦隔离实现，实现方式简洁。
实施例2：结合图1，图2和图5可以看到，火线电流经分流器或CT后接入MSP430FE42x的电流接口I1+/I1-，零线电流经分流器或CT后接入MSP430FE42x的电流接口I2+/I2-，电网电压经电阻分压后接入MSP430FE42x的电压接口V1+/V1-(如图5所示)。启动EESP430模块后，ESP430的包含三个独立的16位∑-Δ模数转换器的模拟前端对两个电流端口和电压端口进行采样，带硬件乘法器的数字信号处理器DSP430计算处理模拟前端采样得到的数据，并把计算结果电流、电压、电能等反馈给CPU，CPU进行调度各功能程序模块实现整个电能表功能。
实施例3：启动ESP430进行测量前，必须对ESP430模块进行初始化，包括ESP430控制寄存器初始化和测量基准寄存器的初始化。如图1ESP430与MSP430 CPU的关系框图所示，CPU可以直接对ESP430的控制寄存器进行读写操作对ESP430控制寄存器的初始化完毕后，我们就能够对ESP内部的基准参数寄存器进行初始化。如图1所示，CPU对它的读写操作必须通过邮箱实现。基准参数寄存器的初始化内容由接入MSP430FE42x前的电流回路和电压回路的参数决定。ESP430根据这些初始化内容计算出电量的各种参数。图6为ESP430初始化结束后，ESP430首先应进入空闲模式。CPU可以通过邮箱向ESP430发送控制命令，使ESP430进入各种工作状态。ESP430在测量等工作状态中，它会通过邮箱向CPU发送各种事件的发生，通知CPU采取相应的处理措施，以实现电能表的各种功能。
下面是通过邮箱实现CPU与ESP430之间通信的示例代码：
MCU-＞ESP：
以下是使ESP进入空闲模式的一段代码：
MOV  #O，&MBOUT1
MOV  #mINIT，MBOUT0
这是一个不带参数的传送，此时ESP接到此命令后开始对模拟前端的AD转换器执行转换测量，同时将ESP的工作状态置成空闲模式；
ESP-＞MCU：
以下是读温度的测量的一段代码
MOV  #0，&MBOUT1
MOV  #mTEMP，MBOUT0
POLL_TEMP
BIT  #INIFG0+INIFG1，&MBCTL
JZ   POLL_TEMP
CMP  #mTEMPRDY，&MBINO
JNE  POLL_TEMP
MOV  &MBIN1，tempD。
需要理解到的是：上述实施例虽然对本发明作了比较详细的说明，但是这些说明仅限于对实施例的说明，而不是对本发明的限制，任何不超出本发明实质精神内的发明创造，均落入本发明的保护范围内。

Claims (6)

1、一种MSP430FE42x单相多功能电能表，其特征由MSP430FE42x单片机、电源电路、电压回路、电流回路、电流回路、LCD显示器、脉冲输出接口、通信接口构成，电源电路为交直流转换电路，其电源输出端接MSP430FE42x系列单片机的电源端，LCD显示器信号端与MSP430FE42x系列单片机中LCD驱动输出的信号端相连，电压回路中的电压接口接MSP430FE42x单片机中ESP430模块的电压接口(V+V-)，电流回路中的火线回路电流接口I1接MSP430FE42x单片机中ESP430模块的电流接口(I1+I1-)、零线回路电流接口I2接MSP430FE42x单片机中ESP430模块的电流接口(I2+I2-)，脉冲输出接口是用来校表、计量的，由普通I/O加光耦隔离，实现，通信接口选择光学通信接口、RS-232/RS-485接口或者两者兼有。
2、根据权利要求1所述的MSP430FE42x单相多功能电能表，其特征是：电流接入接口I1和I2先经分流器或CT分流后接入。
3、根据权利要求1所述的MSP430FE42x单相多功能电能表，其特征是：电网电压经分压后接入到电压接口V。
4、一种MSP430FE42x单相多功能电能表的计量方法，其特征是：火线电流经分流器或CT后接入MSP430FE42x的电流接口I1+/I1-，零线电流经分流器或CT后接入MSP430FE42x的电流接口I2+/I2-，电网电压经电阻分压后接入MSP430FE42x的电压接口V1+/V1-，启动EESP430模块后，ESP430中的三个独立的16位∑-Δ模数转换器的模拟前端对两个电流端口和电压端口进行采样，带硬件乘法器的数字信号处理器DSP430计算处理模拟前端采样得到的数据，并把计算结果电流、电压、电能等反馈给CPU，CPU进行调度各功能程序模块实现整个电能表功能。
5、一种MSP430FE42x单相多功能电能表的操作方法，其特征是：启动ESP430进行测量前，对ESP430模块、ESP430控制寄存器和测量基准寄存器进行初始化，包括ESP430控制寄存器初始化和测量基准寄存器的初始化，CPU直接对ESP430的控制寄存器进行读写操作对ESP430控制寄存器的初始化完毕后，对ESP内部的基准参数寄存器进行初始化，CPU对它的读写操作通过邮箱实现，基准参数寄存器的初始化内容由接入MSP430FE42x前的电流回路和电压回路的参数决定，ESP430根据这些初始化内容计算出电量的各种参数；初始化结束后，ESP430进入空闲模式，CPU可以通过邮箱向ESP430发送控制命令，使ESP430进入各种工作状态，ESP430在测量等工作状态中，通过邮箱向CPU发送各种事件的发生，通知CPU采取相应的处理措施，以实现电能表的各种功能。
6、根据权利要求5所述的MSP430FE42x单相多功能电能表的计量方法，其特征是：邮箱实现CPU与ESP430之间通信的示例代码是：
MCU->ESP：
以下是使ESP进入空闲模式的一段代码：
           MOV    #0，&MBOUT1
      MOV   #mINIT，MBOUTO
这是一个不带参数的传送，此时ESP接到此命令后开始对模拟前端的AD转换器执行转换测量，同时将ESP的工作状态置成空闲模式；
ESP->MCU：
以下是读温度的测量的一段代码
      MOV    #0，&MBOUT1
      MOV    #mTEMP，MBOUTOPOLL_TEMP
      BIT    #INIFGO+INIFG1，&MBCTL
      JZ     POLL_TEMP
      CMP    #mTEMPRDY，&MBINO
      JNE    POLL_TEMP
      MOV    &MBIN1，tempD。
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