基于MSP430单片机远程电能表设计

广州南方电力集团科技发展有限公司 荣垂凯

1.引言

无线抄表功能电能表组成配变远程抄表系统。无线抄表终端采集多功能电能表的数据信息；上行通道采用GPRS无线网络实现数据远程传输，管理中心通过网络即可实现对公变用户和专变用户多功能电能表的实时监控，带控制终端可以实现预付费功能。

本设计具有以下特点：

1）采用高可靠、低功耗微处理器MSP430，运行稳定，使用寿命长；

2）终端即时登陆数据服务器，建立TCP连接，永久在线，断线自动重连；

3）支持实时抄收数据功能：电压、电流、有功功率、无功功率等；

4）支持冻结数据采集功能：日冻结电量，曲线数据采集功能；

5）支持远程升级调试功能。

2.msp430单片机简介以及ADE7755、GL868简介

2.1 MSP430F149简介

MS P430F 149是一种新型的混合信号处理器(如图1)，采用了美国德州仪器(Texas Instruments)公司最新低功耗技术，它将大量的外围模块整合到片内，特别适合于开发和设计单片系统。MS P430 F149单片机主要具有如下特点：

图1 MSP430框图

1）低电压、超低功耗；

2）具有12位的模数转换器(ADC12)，可以得到很高的精度，并且省去了使用专门的模数转换器给设计电路板带来的麻烦；

3）拥有大容量的存储空间，存储器方面包括多达60k Flash ROM和2k RAM，如此数量的存储空间完全可以满足程序及数据的需要；

4）两通道串行通信接口，可用于与计算机进行异步或同步串行通信；

5）硬件乘法器，该乘法器独立于CPU进行乘法运算的操作，在提高乘法运算速度的同时也提升了CPU的利用效率；

6）串行在系统编程，通过仿真器对程序进行下载，并通过专用软件对程序及单片机的工作状态进行监控，极大地方便了程序的调试。

2.2 高精度电能计量芯片ADE7755简介

ADE7755是一款适用于单相配电系统的高精度电能计量IC（如图2）。采用AD7755设计电子式电能表是一种电能测量的低成本单片解决方案。AD7755内部包含两路模数转换器（ADC），一个基准电压源和用来计算有功功率的全部信号处理电路。AD7755还包含直接驱动机电式计度器（即电能记录器）的数字频率转换器（F1、F2）和用于校验和通信的高频脉冲输出电路（CF）。

图2 ADE7755框图

它可提供基于输电线电压和电流计算的瞬时有功功率和平均有功功率。该器件规范超过IEC61036标准规定的精度要求。ADE7755中使用的唯一模拟电路是ADC和参考电压电路。所有其它信号处理（例如乘法和滤波）都是在数字域实现的。这种信号处理方法可在随环境条件和时间变化的很大范围内提供优异的稳定性和精度。

电流通道提供高增益模式，可直接连接低阻值分流电阻器而不损失动态范围。两通道之间的增益校准在器件外部进行调整。ADE7755采用SSOP封装。在各种负载条件下提供低频（F1/F2）和高频（CF）同步输出。

ADE7755是一种高准确度电能测量集成电路，其技术指标超过IEC1036规定的准确度要求。ADE7755只在ADC和基准源中使用模拟电路，所有其它信号处（如相乘和滤波）都使用数字电路，这使ADE7755在恶劣的环境条件下仍能保持极高的准确度和长期稳定性。ADE7755引脚F1和F2以较低频率形式输出有功功率平均值，能直接驱动机电式计度器或与微控制器（MCU）接口。引脚CF以较高频率形式输出有功功率瞬时值，用于校验或与MCU接口。ADE7755内部包含一个对AVDD电源引脚的监控电路。在AVDD上升到4V之前，ADE7755一直保持在复位状态。当AVDD降到4V以下，ADE7755也被复位，此时F1，F2和CF都没有输出。内部相位匹配电路使电压和电流通道的相位始终是匹配的，无论通道1内的高通滤波器（HPL）是接通的还是断开的。内部的空载阈值特性保证ADE7755在空载时没有潜动。

2.3 GPRS模块GL868简介

无线模块GL868-DUAL最新的GL868-DUAL产品是目前市场上最小的、采用表面黏贴式封装技术的GSM/GPRS模块。GL868-DUAL是一个支持900/1800双频的GSM/GPRS设备，它采用无引脚城堡形包装技术，拥有极低功耗、超宽的温度范围和紧凑的外型。使得GL868-DUAL适合应用于各种非常紧凑的设计中。其他一些附加的特性，比如集成TCP/IP协议栈、串行多路复用器和远程AT命令，都可以扩展应用的功能，而不需要增加额外成本。GL868-DUAL允许在模块内运行用户自己的应用。

产品特点：

1）双频EGSM 900/1800 MHZ；

2）串行接口多路复用器3GPP TS 27.010；

3）通过AT命令访问TCP/IP协议栈；

4）支持DARP/SAIC；

5）输出功率-Class 4(2W)@ 900 MHZClass 1(1W)@ 1800 MHz；

6）提供电压范围：3.22-4.5V DC(推荐电压：3.8V DC)；

7）电流(标准值)-关机时：<5uA-空闲时(已注册，省电模式)：1.5mA @ DRX=9-工作时：230mA @最大功耗-GPRS cl.10:360mA @最大功耗；

8）灵敏度：-108dBm(typ.)@ 900MHz-107dBm(typ.)@ 1800MHZ；

9）扩展温度范围-40°Cto+85°C(操作时)-40°Cto+85°C(储存温度)；

10）接口最多8个输入/输出接口模拟音频（平衡），数字音频2个模数转换器和1个数模转换器蜂鸣器输出通过CMOS UART实现ITU-T V.24串行连接：-波特率：300到115，200bps-自动波特率高达115，200bps；

11）短消息点对点移动电话发起和终止短信息支持短信息连接短信息广播文本和PDU模式通过GPRS发送短信息。

3.系统方案

如图3所示，系统电源采用直接测量，引入的电源，用交流变压器降压，经过硅桥整流成直流电压。人机交互部分采用工业液晶，以及4个方向按键以及4个功能按键。电能信号采集部分AD7755，采集相关的电压、电流、有功、无功功率等信息。时钟源采用DS1302标准I2C接口时钟芯片。历史数据存储采用SPI接口FALSH。

图3 系统方案

4.硬件设计

4.1 ADE7755部分硬件电路设计

本文介绍了用美国Analog Devices Inc.（ADI）公司生产的AD7755设计的一种低成本、高精度电能表。本电能表是为单相。两线制系统设计的，但也容易适合特殊地区的设计要求，例如美国的配电系统通常要求居民电表采用单相、三线制系统。采用AD7755设计电子式电能表是一种电能测量的低成本单片解决方案。AD7755内部包含两路模数转换器（ADC），一个基准电压源和用来计算有功功率的全部信号处理电路。图4是ADE7755部分硬件电路设计。

设计参数为：

电压精度≦±1%；电流精度≦±1%；功率精度≦±1%；功率因数精度≦±2%。

4.2 电源管理部分电路

电源部分采用测量的220V直接作为电源的输入，进过变压器变换为交流9V，经过硅桥整流直接输入到与滤波。

LM2576的特性如下：

1）输出电压可调的范围为1.23V～37V(HV型号的可达57V)，负载电压的输出容差最大为±4%；

2）最少只需要4个外围元件，可达3A的输出电流；

3）宽的输入电压范围，HV型号甚至可达40V～60V；

4）内部振荡器产生52KHz的固定频率；

5）可用TTL电平关闭输出，低功耗待机模式，典型待机电流为50μA；

6）BUCK式降压器，较高的转换效率；

7）过热和过流保护。

图5是直流部分电源转换设计图。

图5 直流部分电源转换设计

4.3 Msp430f149电路设计

最下系统设计，包括供电设计，复位电路设计，以及相关的外围接口分配。

低电平复位电路当供电电压扰动低于2.93V时，MAX809STR强制系统复位。

图6是Msp430f149电路设计图。

图6 Msp430f149电路设计

4.4 GPRS电路设计（如图7所示）

图7 GPRS电路设计

5.结语

本设计思想是结合了丰富的实践经验基础，并不注重技术，同事考虑的实际工程应用，以及批量生产的可行性。多功能电能计量系统的整体结构，整个系统硬件配置分为输入单元、电源管理、单片机单元、通信接口单元、显示单元和外围接口等部分，完成数据采集、自检、电能计量、通讯控制、输出显示功能。

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