應(yīng)用M68HC908LJ12設(shè)計(jì)單相復(fù)費(fèi)率電能表?

【摘　要】　介紹了以Motorola公司的M68HC908LJ12高性能單片機(jī)為CPU的單相復(fù)費(fèi)率電能表的硬、軟件設(shè)計(jì)和抗干擾設(shè)計(jì)。
??? 關(guān)鍵詞：復(fù)費(fèi)率，M68HC908LJ12，電能表

1　引　言
　　隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，用電矛盾越來(lái)越突出。1995年，我國(guó)全面實(shí)施分時(shí)電價(jià)，通過(guò)使用復(fù)費(fèi)率電能表來(lái)促進(jìn)電力資源的優(yōu)化配置，穩(wěn)定供電秩序，復(fù)費(fèi)率電能表的性能和成本主要取決于單片機(jī)的選型。M68HC908LJ12是美國(guó)Motorola公司于2001年推出的高性能單片機(jī)，功能強(qiáng)大，用于開(kāi)發(fā)復(fù)費(fèi)率電能表，既能簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)、降低成本，又提高電路的抗干擾能力。
2　M68HC908LJ12單片機(jī)
　　M68HC08系列是一類(lèi)Motorola高性能的8位單片機(jī)，具有速度高、功能強(qiáng)和價(jià)格低等特點(diǎn)。硬件結(jié)構(gòu)與M6805，M146805級(jí)M68HC05兼容，而且功能更加豐富。其指令系統(tǒng)具有200多條指令和16種方式，最快指令周期僅為125ns，而乘法指令也僅需625ns。具有FLASH（閃速存儲(chǔ)器）的M68HC908系列的單片機(jī)，更能極大地方便應(yīng)用系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。M68HC908LJ12是帶有10位A／D和LCD驅(qū)動(dòng)模塊的單片機(jī)，其主要特點(diǎn)有：
　　·最大總線頻率為8MHz（4．5～5．5V）、4MHz（2．7～3．3V）和1MHz（2．4～2．7V）內(nèi)部總線頻率；
　　·12K FLASH閃速存儲(chǔ)器，具有在線編程和加密功能；
????? ·片內(nèi)512K字節(jié)RAM；
????? ·多功能定時(shí)器接口TIM1和TIM2；
????? ·具有紅外功能的串行通信接口SCI；
??? ·CPU正常工作監(jiān)視模塊COP；
????? ·電源電壓監(jiān)視模塊LVI；
????? ·實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC；
????? ·串行外圍部件擴(kuò)展接口SPI；
??? ·6路10位A／D；
　　·8個(gè)鍵盤(pán)輸入中斷。
3　單相復(fù)費(fèi)率表的硬件組成
??? 復(fù)費(fèi)率表由電量計(jì)量電路、CPU、液晶顯示、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、通訊接口、電源等部分組成。硬件框圖見(jiàn)圖1。

3．1　電能計(jì)量部分
　　當(dāng)前，電能計(jì)量部分一般采用專用的電量計(jì)量IC。其中美國(guó)AD公司的AD7755、CS5460等性價(jià)比較高，采用了上述IC后，電量計(jì)量的精度、可靠性及生產(chǎn)的調(diào)試、校表就得到了保證。本系統(tǒng)采用AD7755，由計(jì)量芯片產(chǎn)生計(jì)量脈沖，M68HC908LJ12對(duì)計(jì)量脈沖計(jì)數(shù)并根據(jù)當(dāng)前的費(fèi)率作相應(yīng)處理。
3．2　液晶顯示部分
　　復(fù)費(fèi)率電能表的顯示一般采用LCD液晶顯示器，M68HC908LJ12內(nèi)帶LCD驅(qū)動(dòng)模塊，從而節(jié)省了外掛的液晶驅(qū)動(dòng)芯片。M68HC908LJ12的液晶驅(qū)動(dòng)模塊的段數(shù)可選擇為26　4、27　3、27　1。采用動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)，1／3偏壓。
3．3　實(shí)時(shí)時(shí)鐘部分
　　時(shí)間是電能分時(shí)計(jì)量的基礎(chǔ)。當(dāng)前應(yīng)用較為廣泛的時(shí)鐘芯片有PCF8583、DS1302、4553等。本設(shè)計(jì)采用的DS1302是美國(guó)DALLAS公司推出的串行接口專用實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片。芯片內(nèi)部有可編程的日歷時(shí)鐘和31字節(jié)的RAM，工作電壓范圍寬2．5V～5．5V，功耗低，在掉電后，可由電池供電工作10年以上。
3．4　處理器部分
　　處理器部分采用M68HC908LJ12，此單片機(jī)與其他系列的單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的電路相比，外圍擴(kuò)展電路極少。電能表中需要掉電不丟失內(nèi)容的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器以往一般用EEPROM實(shí)現(xiàn)，M68HC908LJ12有12K FLASH閃速存儲(chǔ)器，具有在線編程和加密功能，可用作這種數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器。電能表常會(huì)遇到停電的情形，需要掉電檢測(cè)，一般外掛電壓檢測(cè)芯片，而M68HC908LJ12有LVI（低電壓檢測(cè)模塊），可實(shí)現(xiàn)對(duì)電源電壓的檢測(cè)，產(chǎn)生可設(shè)置的復(fù)位或中斷。電能表有紅外遙控電路，以實(shí)現(xiàn)快捷的抄表和參數(shù)設(shè)定，以往這部分電路需要專用紅外芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)制解調(diào)，M68HC908LJ12有紅外調(diào)制解調(diào)功能的串行接口SCI可直接驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)射和接收二極管。M68HC908LJ12內(nèi)有KBI鍵盤(pán)輸入中斷，可方便地實(shí)現(xiàn)按鍵功能。
3．5　通訊接口部分
　　為了實(shí)現(xiàn)與抄表器和自動(dòng)抄表系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸，在通訊接口部分設(shè)計(jì)了RS485接口和紅外通訊接口。其中485接口電路采用MAXIM3085。紅外通訊接口由于M68HC908LJ12內(nèi)有紅外模塊的串行接口SCI，節(jié)省了外掛的紅外調(diào)制解調(diào)電路。
4　單相復(fù)費(fèi)率表的軟件設(shè)計(jì)
　　單相復(fù)費(fèi)率表的軟件主要是實(shí)現(xiàn)電量數(shù)據(jù)采集和處理，并通過(guò)紅外和485接口實(shí)現(xiàn)與抄表系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換。圖2為系統(tǒng)主程序框圖。
??? 主要模塊有功能如下：
　　·電量處理模塊的功能是由計(jì)量芯片提供計(jì)量脈沖，CPU對(duì)計(jì)量脈沖計(jì)數(shù)，結(jié)合當(dāng)前時(shí)段和費(fèi)率，累計(jì)用戶峰、平、谷各時(shí)段的實(shí)際用電量。
????? ·通訊模塊的功能是按照通訊規(guī)約實(shí)現(xiàn)與抄表器和抄表系統(tǒng)的可靠通訊。由抄表系統(tǒng)讀取用戶電量數(shù)據(jù)和設(shè)置時(shí)段、費(fèi)率、地址等電表參數(shù)。
　　·顯示模塊的功能是顯示用戶的峰、平、谷、總電量及時(shí)間、上月電量等信息。

5　抗干擾設(shè)計(jì)
　　電能表系統(tǒng)中，干擾源主要是電網(wǎng)的電壓波動(dòng)、閃電沖擊及變壓器所產(chǎn)生的電磁場(chǎng)等。眾所周知，集成化程度越高，分立元件越少，電路連線越簡(jiǎn)潔的電路抗干擾能力越強(qiáng)。從上文可看出本設(shè)計(jì)的最大特點(diǎn)是集成化——除了計(jì)量、時(shí)鐘、485接口部分，其余的功能要求M68HC908LJ12的片內(nèi)模塊均能完成。對(duì)于電網(wǎng)中突然掉電和突然上電會(huì)產(chǎn)生快速的瞬間脈沖群的現(xiàn)象，本設(shè)計(jì)在電源進(jìn)線處使用了磁環(huán)，在CPU的電源端加了去耦電容。對(duì)于閃電沖擊產(chǎn)生的瞬間高壓，本設(shè)計(jì)使用了壓敏電阻吸收瞬間高壓沖擊。另外，系統(tǒng)充分利用M68HC908LJ12的片內(nèi)COP模塊（硬件看門(mén)狗），監(jiān)視CPU的工作情況，在程序陷入“死循環(huán)”時(shí)，產(chǎn)生復(fù)位。
　　在采取上述硬件抗干擾措施的同時(shí)，軟件抗干擾技術(shù)也不容忽視，對(duì)于計(jì)量脈沖判定和統(tǒng)計(jì)，一般采取數(shù)字濾波避免誤判。對(duì)于程序“走飛”，采用軟件冗余和“看門(mén)狗”技術(shù)。對(duì)于關(guān)鍵數(shù)據(jù)的改寫(xiě)保護(hù)，可采用附加的條件判定。對(duì)于按鍵的去抖，采用重復(fù)檢測(cè)的方法。當(dāng)然，軟件抗干擾技術(shù)和硬件抗干擾技術(shù)并不相互獨(dú)立，它們是相輔相成的。
6　結(jié)束語(yǔ)
　　本設(shè)計(jì)充分利用了內(nèi)部的功能模塊，減少了外圍電路、降低了成本，同時(shí)提高了整機(jī)的可靠性，所設(shè)計(jì)的電能表在市場(chǎng)上很具競(jìng)爭(zhēng)力。

1　王幸之等．單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)抗干擾技術(shù)．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2001