应用M68HC908LJ12设计单相复费率电能表?

【摘　要】　介绍了以Motorola公司的M68HC908LJ12高性能单片机为CPU的单相复费率电能表的硬、软件设计和抗干扰设计。
    关键词：复费率，M68HC908LJ12，电能表

1　引　言
　　随着国民经济的迅速发展和人民生活水平的不断提高，用电矛盾越来越突出。1995年，我国全面实施分时电价，通过使用复费率电能表来促进电力资源的优化配置，稳定供电秩序，复费率电能表的性能和成本主要取决于单片机的选型。M68HC908LJ12是美国Motorola公司于2001年推出的高性能单片机，功能强大，用于开发复费率电能表，既能简化电路设计、降低成本，又提高电路的抗干扰能力。
2　M68HC908LJ12单片机
　　M68HC08系列是一类Motorola高性能的8位单片机，具有速度高、功能强和价格低等特点。硬件结构与M6805，M146805级M68HC05兼容，而且功能更加丰富。其指令系统具有200多条指令和16种方式，最快指令周期仅为125ns，而乘法指令也仅需625ns。具有FLASH（闪速存储器）的M68HC908系列的单片机，更能极大地方便应用系统的开发。M68HC908LJ12是带有10位A／D和LCD驱动模块的单片机，其主要特点有：
　　·最大总线频率为8MHz（4．5～5．5V）、4MHz（2．7～3．3V）和1MHz（2．4～2．7V）内部总线频率；
　　·12K FLASH闪速存储器，具有在线编程和加密功能；
      ·片内512K字节RAM；
      ·多功能定时器接口TIM1和TIM2；
      ·具有红外功能的串行通信接口SCI；
    ·CPU正常工作监视模块COP；
      ·电源电压监视模块LVI；
      ·实时时钟RTC；
      ·串行外围部件扩展接口SPI；
    ·6路10位A／D；
　　·8个键盘输入中断。
3　单相复费率表的硬件组成
    复费率表由电量计量电路、CPU、液晶显示、实时时钟、通讯接口、电源等部分组成。硬件框图见图1。

3．1　电能计量部分
　　当前，电能计量部分一般采用专用的电量计量IC。其中美国AD公司的AD7755、CS5460等性价比较高，采用了上述IC后，电量计量的精度、可靠性及生产的调试、校表就得到了保证。本系统采用AD7755，由计量芯片产生计量脉冲，M68HC908LJ12对计量脉冲计数并根据当前的费率作相应处理。
3．2　液晶显示部分
　　复费率电能表的显示一般采用LCD液晶显示器，M68HC908LJ12内带LCD驱动模块，从而节省了外挂的液晶驱动芯片。M68HC908LJ12的液晶驱动模块的段数可选择为26　4、27　3、27　1。采用动态驱动，1／3偏压。
3．3　实时时钟部分
　　时间是电能分时计量的基础。当前应用较为广泛的时钟芯片有PCF8583、DS1302、4553等。本设计采用的DS1302是美国DALLAS公司推出的串行接口专用实时时钟芯片。芯片内部有可编程的日历时钟和31字节的RAM，工作电压范围宽2．5V～5．5V，功耗低，在掉电后，可由电池供电工作10年以上。
3．4　处理器部分
　　处理器部分采用M68HC908LJ12，此单片机与其他系列的单片机实现的电路相比，外围扩展电路极少。电能表中需要掉电不丢失内容的数据存储器以往一般用EEPROM实现，M68HC908LJ12有12K FLASH闪速存储器，具有在线编程和加密功能，可用作这种数据的存储器。电能表常会遇到停电的情形，需要掉电检测，一般外挂电压检测芯片，而M68HC908LJ12有LVI（低电压检测模块），可实现对电源电压的检测，产生可设置的复位或中断。电能表有红外遥控电路，以实现快捷的抄表和参数设定，以往这部分电路需要专用红外芯片来实现调制解调，M68HC908LJ12有红外调制解调功能的串行接口SCI可直接驱动红外发射和接收二极管。M68HC908LJ12内有KBI键盘输入中断，可方便地实现按键功能。
3．5　通讯接口部分
　　为了实现与抄表器和自动抄表系统之间的数据传输，在通讯接口部分设计了RS485接口和红外通讯接口。其中485接口电路采用MAXIM3085。红外通讯接口由于M68HC908LJ12内有红外模块的串行接口SCI，节省了外挂的红外调制解调电路。
4　单相复费率表的软件设计
　　单相复费率表的软件主要是实现电量数据采集和处理，并通过红外和485接口实现与抄表系统的数据交换。图2为系统主程序框图。
    主要模块有功能如下：
　　·电量处理模块的功能是由计量芯片提供计量脉冲，CPU对计量脉冲计数，结合当前时段和费率，累计用户峰、平、谷各时段的实际用电量。
      ·通讯模块的功能是按照通讯规约实现与抄表器和抄表系统的可靠通讯。由抄表系统读取用户电量数据和设置时段、费率、地址等电表参数。
　　·显示模块的功能是显示用户的峰、平、谷、总电量及时间、上月电量等信息。

5　抗干扰设计
　　电能表系统中，干扰源主要是电网的电压波动、闪电冲击及变压器所产生的电磁场等。众所周知，集成化程度越高，分立元件越少，电路连线越简洁的电路抗干扰能力越强。从上文可看出本设计的最大特点是集成化——除了计量、时钟、485接口部分，其余的功能要求M68HC908LJ12的片内模块均能完成。对于电网中突然掉电和突然上电会产生快速的瞬间脉冲群的现象，本设计在电源进线处使用了磁环，在CPU的电源端加了去耦电容。对于闪电冲击产生的瞬间高压，本设计使用了压敏电阻吸收瞬间高压冲击。另外，系统充分利用M68HC908LJ12的片内COP模块（硬件看门狗），监视CPU的工作情况，在程序陷入“死循环”时，产生复位。
　　在采取上述硬件抗干扰措施的同时，软件抗干扰技术也不容忽视，对于计量脉冲判定和统计，一般采取数字滤波避免误判。对于程序“走飞”，采用软件冗余和“看门狗”技术。对于关键数据的改写保护，可采用附加的条件判定。对于按键的去抖，采用重复检测的方法。当然，软件抗干扰技术和硬件抗干扰技术并不相互独立，它们是相辅相成的。
6　结束语
　　本设计充分利用了内部的功能模块，减少了外围电路、降低了成本，同时提高了整机的可靠性，所设计的电能表在市场上很具竞争力。

参考文献

1　王幸之等．单片机应用系统抗干扰技术．北京：北京航空航天大学出版社，2001