國內民用單相表一般可分為機械式電能表(感應式電能表)和電子式電能表兩大類。過去機械式電能表的市場保有量比較大，但由于機械式電能表存在重量大、成本高、信息采集不方便等缺點，因而正在逐漸退出市場；而電子式電能表經過近20年的發展，在技術上正日趨成熟。

 

   新一代電子式電能表也稱智能電表，該產品具備諸多優點，例如功能擴展方便；便于信息化集中管理；節約材料能源；靈敏度高；精度高；一致性好；誤差曲線平穩；便于自動化生產；耐機械振動能力強；重量輕等。因此隨著技術日趨成熟，此類產品的市場認知度顯著提升，現已經成為國內民用單相表的主流。

 

   近幾年來，國內各省陸續推出自己的技術規范，但各省的技術規范有一定的差異。農網表是智能電表的一種，目前國家電網公司已統一了農網表的技術規范。本文介紹的農網表方案完全滿足國家電網公司智能電能表技術規范的要求，該方案基于上海海爾集成電路有限公司開發的一款8位閃存MCU HR6P71F。　

 

HR6P71F芯片特點

 

1、內核

 

采用高性能哈佛型RISC CPU內核，具有48條精簡指令，工作頻率為DC~16MHz，8級PC硬件堆棧，復位向量位于000H，默認中斷向量位于004H，支持中斷向量表，支持中斷處理，共有14個中斷源。

 

2、存儲資源

 

具有4Kx15位FLASH程序存儲器和224x8位SRAM數據存儲器；程序存儲器支持直接尋址和相對尋址；數據存儲器支持直接尋址和間接尋址。

 

3、I/O端口

 

共有15個I/O端口，包括PA端口(PA0~PA4，PA6~PA7)和PB端口(PB0~PB7)。

 

4、外設

 

一個8位定時器T8；一個8位PWM時基定時器T8P；一個16位定時器T16N；一路通用異步收發器UART；7通道8位模擬數字轉換器ADC；兩個模擬比較器ACP和一個參考電壓模塊。

 

5、特殊功能

 

有一個高精度內部4M振蕩器，出廠時精度校準為±5%；支持低功耗休眠模式及喚醒操作；內嵌上電復位電路和低電壓復位電路；支持外部復位；支持獨立硬件看門狗定時器；支持在線編程(ISP)接口；支持編程代碼保護；工作電壓范圍為3.5V~5.5V；工作溫度范圍為-40℃~85℃。

系統方案設計

 

1、基本功能

 

基于微控制器HR6P71F的農網表方案主要實現有功電能信號的采集、電量存儲與顯示，并通過RS485或者紅外的方式通信，實現信息傳輸等功能。

 

1) 有功電能信號的采集

 

該方案的電能計量部分采用ADE7755芯片，通過對電壓電流回路信號的采集，將電能值轉換成相應的電能脈沖信號，MCU通過對電能脈沖信號采集和計算，轉換為相應的計量數值，同時具備正、反相有功電能計量的功能。

 

2) 電量存儲與顯示

 

MCU采集到電能信號后，及時存儲到EEPROM中，保證存儲的數據不被丟失，并且能保持10年以上，通過LCD顯示信息，例如電量總數等。

 

3) 通信

 

支持RS485通信和紅外通信。在RS485通信情況下，自動抄表系統可根據電表地址實現遠程自動抄表功能，通信距離：不小于1,200m(每兩個接點之間)，為了安全保護電表，RS485通信接口必須和電表內部電路實行電氣隔離，并有失效保護電路。紅外通信距離應該大于 5米，通信角度≥±15°，紅外通信和 RS485 通信在物理層必須獨立，一種通信信道的損壞不得影響另一信道。

 

2、硬件設計

 

該方案在硬件上由三部分組成，一是電能計量部分，二是MCU控制部分，三是通信部分。

 

電能計量部分與MCU控制部分通過光電耦銜接，實現完全隔離，電能計量部分主要完成有功電能脈沖輸出，用于校表、采集電能量；無源光電隔離型輸出端口；波形是標準方波， 脈沖寬度為80ms±20ms。RS485通信部分與MCU控制部分也是通過光電耦銜接，實現完全隔離；紅外通信部分與MCU控制部分共同使用一個電源，沒有隔離。系統框圖如圖1所示。

 

圖1 采用HR6P71F微控制器的農網表系統框圖

 

3、軟件設計

 

主程序流程圖如圖2所示,在主程序中主要實現以下功能：1)系統初始化的配置主要實現端口初始化、AD模塊初始化、T8P和T16定時器的初始化以及UART的初始化等；2)上電讀取EEPROM中存儲的電量到芯片的RAM區，配置到對應的電能計量單元中，其中讀取EEPROM數據使用的是普通I/O口模擬IIC的方法；3)LCD顯示當前的總用電量等信息，方便用戶查閱；通信模塊主要是把電表內的一些信息，例如電表號，累計總用電量，電表密碼等與主站服務器實現信息交流；4)當查詢到電量存儲的標志后，程序將把當前的電量存儲到EEPROM中，當AD模塊檢測到有電源掉電時，程序將保存當前的電量存儲到EEPROM中。

 

圖2 主程序流程圖

 

中斷服務程序如圖3所示。在中斷服務服務中，外部端口中斷主要處理電能脈沖計量，配合T16的定時功能。當電能計量信號有效后，在程序中累加，以0.01度電為基準累加。當累計到一度電時，產生存儲標志位，在主程序中查詢到該標志位后，經進行存儲工作。T8P將作為紅外通信的時基處理紅外通信。接收中斷處理是將接收的數據放到計劃好的RAM區，在主程序的RS485通信子程序中根據命令字完成相應的工作；發送中斷處理是將準備好的數據發送出去。

 

圖3 中斷服務程序

 

方案設計注意事項

 

在該方案中，電能計量是關鍵，因為關系到用戶的電能計費，既不能多計也不能少計，一定要把用戶的實際用電量真實記錄下來。但是電網的環境復雜，電網中的負載也存在多樣化，電表在實際應用中，即使在遇到強電磁干擾的情況下都不允許漏記或者多計脈沖。因此，如何保證計量電能脈沖的準確性就是電表方案的重點。要點如下：

 

1)硬件支持。好的硬件設計能在一定程度上削弱電磁干擾信號；

 

2)HR6P71F芯片的外部中斷口內有濾波電路，可以保證去除一部分失效信號或者干擾信號；

 

3)程序中的設計技巧。因為電能脈沖波形是標準方波，脈沖寬度為80ms±20ms，需要定時器T16來定時40ms~50ms左右，以確保脈沖信號的有效。在中斷服務程序中，進入中斷后第一個要檢測的就是外部中斷信號，中斷服務程序要盡量短，在服務程序中設置標志位，到主程序中處理標志即可。

 

整個系統的性能可靠性需要硬件來支持，對芯片的要求也非常高。HR6P71F芯片內部有獨特的抗干擾設計，能在強干擾的環境中正常工作，識別有效信號，去除失效信號；芯片內部的上電復位電路和掉電復位電路，能保證電表在電網中電壓緩升緩降的環境下仍然有效工作；此外，獨立RC的看門狗電路也是保證系統安全的基本措施之一。

 

本文小結

 

目前電能表市場的競爭愈加激烈，隨著中國本土半導體廠商逐漸成長起來，產品日益成熟，越來越多的電能表廠家開始嘗試國產芯片。HR6P71F芯片在電能表上EFT的測試能達到4.5kV以上，可以通過各種電磁干擾性能測試，高性價比的整體方案可幫助電能表廠商提升產品競爭力。