Explica el método de diseño de contador electrónico de energía eléctrica multifunción, la clave técnica del diseño de hardware y el proceso de diseño de software. Tomando como ejemplo el microcontrolador uPD78F0338 de NEC, se ha implementado un medidor de energía electrónico multifuncional trifásico de cuatro hilos con cuatro tarifas, seis curvas de carga y dos conjuntos de estructuras tarifarias.
El contador electrónico de energía eléctrica multifunción está dirigido principalmente a usuarios industriales de energía trifásica del mercado nacional. Con la profundización de la reforma de la industria de la energía eléctrica, la demanda de medidores de energía multifuncionales para energía industrial trifásica ha aumentado considerablemente. En la actualidad, existen pocos tipos de instrumentos multifuncionales nacionales, sus precios son altos y sus funciones imperfectas. A menudo se desarrollan sólo para los requisitos específicos de determinadas regiones y carecen de versatilidad. Algunos productos no pueden cumplir plenamente los requisitos de las normas nacionales. El medidor de energía electrónico multifuncional presentado en este artículo está diseñado para satisfacer esta demanda del mercado.
Este es un producto inteligente de medición de energía eléctrica de alta tecnología que puede medir simultáneamente energía activa positiva/negativa, energía reactiva positiva/negativa y energía reactiva de cuatro cuadrantes. También tiene múltiples funciones como control de múltiples velocidades, registro de curva de carga, pérdida de voltaje de cada fase, registro de sobretensión y exceso de frecuencia y pantalla LCD de datos. La estación maestra puede realizar lecturas, configuraciones y lecturas de medidores a través del bus RS-485 o un dispositivo de lectura de medidores infrarrojos portátil.
Todo el código del software está escrito en lenguaje C/C, lo que tiene una alta eficiencia de codificación, buena capacidad de mantenimiento y facilita el diseño modular. Los módulos de funciones se pueden adaptar fácilmente según las necesidades del usuario. Además, el código se ha optimizado y el tamaño y la eficiencia de ejecución del código de destino generado son casi los mismos que los del código ensamblador. Las especificaciones técnicas de este producto cumplen totalmente con GB/T 17215-1998 "Medidor de potencia activo de CA estático de 1 y 2 niveles", DL/T614-1997 "Medidor de energía eléctrica multifuncional" y DL/T645-.
La estructura general y el diseño de hardware del medidor de energía eléctrica multifunción
La estructura general de la mesa multifunción
El controlador principal MCU es el Hardware del medidor electrónico de energía eléctrica multifunción. El núcleo es responsable del escaneo de entradas clave, la detección del estado de funcionamiento, la lectura, el cálculo y el almacenamiento de datos de medición, la configuración in situ de los parámetros del medidor y el control de la comunicación con el mundo exterior. Sus principales unidades funcionales incluyen la unidad controladora principal MCU, el módulo de medición de energía, el módulo de comunicación infrarroja y RS-485, el módulo de calibración del medidor, la matriz de almacenamiento EEPROM, etc. Otros módulos auxiliares incluyen principalmente: circuito de calendario de reloj, circuito de alarma anormal, circuito de entrada clave, circuito de reinicio y vigilancia, módulo de fuente de alimentación conmutada y circuito de batería de respaldo, módulo de pantalla de cristal líquido de pantalla grande y módulo de pantalla LED. El diagrama de bloques estructural general de la mesa multifuncional se muestra en la Figura 1.
Unidad de controlador principal de alto rendimiento
El controlador principal adopta el producto de alta gama uPD78P0338 de NEC, un microcontrolador de 8 bits. El microcontrolador adopta un paquete QFP de 120 pines e integra 60 KBFlash, puerto serie de comunicación asíncrona, controlador LCD 40x4, reloj de bus de hasta 10 MHz y 10 canales de ADC de 10 bits. Se puede programar en el sistema a través de una interfaz sencilla, lo que resulta enormemente útil. Facilita la depuración en línea y las actualizaciones de software. También admite lenguajes de alto nivel, que pueden cumplir con los requisitos funcionales de tablas multifunción con múltiples tareas, grandes cantidades de datos y algoritmos complejos.
Unidad de comunicación multicanal de puerto serie
El módulo de circuito de comunicación incluye principalmente receptor de infrarrojos TSOPl838, diodo emisor de infrarrojos, circuito portador, circuito transceptor 485 dedicado MAX487, diodo de accionamiento/interruptor y otros componentes.
Con el fin de facilitar la lectura de contadores a los usuarios, este contador de energía eléctrica está diseñado con dos métodos de lectura de contadores en serie: lectura de contador local por infrarrojos y lectura de contador centralizada RS-485. Dado que uPD78F0338 tiene solo un puerto serie, se utiliza tecnología de multiplexación de puerto serie en el diseño del circuito de comunicación. El interruptor complementario consta de 9012, 9014 y varias resistencias, y controla la conmutación de los modos de comunicación por infrarrojos y RS-485 a través de un puerto de E/S del microcontrolador, como se muestra en la Figura 2.
Módulo de medición de electricidad de alta precisión
El módulo de medición está compuesto por un chip de medición de energía dedicado de alta precisión SA9904, un transformador de corriente y otros componentes del circuito periférico.
SA9904 es un chip de medición de energía/potencia bidireccional trifásico producido por Sames Company. Puede medir potencia activa/reactiva, voltaje, frecuencia, secuencia de fase anormal, etc. y puede medir de forma independiente la información del consumo de energía de cada fase, cumple con el estándar IEC521/1036 y puede cumplir con los requisitos de precisión de un medidor de energía de CA. Cada registro de datos tiene una precisión de 24 bits. Por lo tanto, puede cumplir mejor con los requisitos de instrumentos multifuncionales para medir diversos datos eléctricos. El pin SA9904 y su diagrama de circuito periférico se muestran en la Figura 3.
Entre ellos, CLK, DO y DI constituyen la interfaz con el controlador MCU y se utilizan para transmitir comandos de control y datos de potencia medidos, IIps, IIPt y IIPr se utilizan para el muestreo de corriente, y IVPl,. IVP2 e IVP3 se utilizan para muestreo de voltaje.
Módulo de calendario de reloj
El circuito de reloj utiliza el chip de reloj en tiempo real RTC-4553 producido por EPSON. Internamente está integrado un oscilador de cristal de cuarzo de 32,768 kHz, lo que simplifica el circuito periférico y se puede configurar libremente según sea necesario para obtener frecuencias más altas. Al mismo tiempo se integran un reloj y un contador de calendario y se puede seleccionar el modo de visualización de 24 horas o de 12 horas. El reloj se puede ajustar cada 30 segundos mediante software y proporciona una salida de pulso de sincronización de 0,1 Hz o 1024 Hz, que se puede utilizar para verificar periódicamente la precisión del reloj fuera del medidor de energía. Los pines del RTC-4553 y su diagrama de circuito periférico se muestran en la Figura 4.
Entre ellos, SCK, Xin y Sout interactúan con el procesador principal para enviar instrucciones de control o transmitir datos de fecha y hora. El módulo de reloj calendario del sistema utiliza una batería como fuente de energía de respaldo para garantizar la precisión de la fecha y la hora durante un corte de energía.
Diseño de software de contadores de energía eléctrica multifunción
Diseño de estructura de datos
Los contadores de energía eléctrica multifunción implican una variedad de tipos de datos. Los bytes incluyen byte único, byte doble, tres bytes, cuatro bytes y seis bytes. Según el significado de la representación, incluye tiempo, tiempo, voltaje, corriente, potencia activa, potencia reactiva, energía activa, energía reactiva, frecuencia, factor de potencia, umbral, palabra de estado, coeficiente, número de tabla, etc. Los tipos de datos complejos imponen mayores requisitos al diseño de estructuras de datos. Esta implementación resuelve este problema mediante el uso de varios métodos de direccionamiento de datos y varios tipos de memoria.
Puntos clave del diseño de la estructura de datos
Los métodos de almacenamiento de datos del sistema incluyen: ROM interna, RAM y EEPROM externa.
La ROM interna se utiliza para almacenar una gran cantidad de tablas constantes y la RAM se utiliza para almacenar variables y pilas temporales. Esta solución requiere aproximadamente 2,5 KB de RAM y la EEPROM en serie almacena varios datos de energía del usuario y parámetros de configuración de tablas, e intercambia datos con la CPU a través del bus 12C. Según los requisitos máximos de diseño, el medidor de energía requiere aproximadamente 250 KB de EEPROM. Esta solución se compone de 8 EEPROM de 256 bits en cascada.
Modo de direccionamiento de datos
El acceso a datos EEPROM adopta dos métodos: acceso directo a la dirección, lectura y escritura de datos directamente a través de la dirección EEPROM del direccionamiento de ID de datos, mediante codificación de datos Leer y; escribir datos.
Diseño de la función de multiplexación del puerto de comunicación
La comunicación por infrarrojos y RS-485*** se comunican a través del puerto serie (RxD/TxD). Dado que la comunicación del puerto serie comienza desde un bit de nivel bajo (0), el receptor de infrarrojos (separado del receptor 485 por un transistor) es conducido a un pin de interrupción INTP1, y el puerto serie puede juzgarse por la interrupción que causa. Los datos provienen del infrarrojo. Al enviar, envíelo a tiempo y no interfieran entre sí. Dado que la comunicación por infrarrojos y el receptor de control remoto utilizan el mismo tubo receptor, cuando se determina que la fuente de infrarrojos está interrumpida, se inicia el temporizador INTTM4 para detectar el receptor de infrarrojos. Si el ancho del pulso es de 9 ms o 0,56 ms, se considera que es un control remoto por infrarrojos y el código del control remoto se detecta según el tiempo. De lo contrario, se considera que la recepción del puerto serie causada por infrarrojos se interrumpe y la detección de sincronización se desactiva.
La señal de modulación infrarroja de 38,4 kHz es emitida por la división de frecuencia interna de la CPU (P05/PCL).
f = FX/27 = 4,9152/128 = 38,4 khz.
Dado que existe un retraso opcional de 15 ~ 20 ms entre bytes de transmisión infrarroja, la comunicación 485 no requiere un retraso. La transmisión de datos se realiza durante la interrupción de la transmisión. El permiso de interrupción de la transmisión de la comunicación por infrarrojos se desactiva inmediatamente después de la operación de transmisión y se permite la interrupción de la transmisión una vez transcurrido el tiempo de retardo.
Diagrama de flujo del programa de tabla multifunción
El flujo del programa principal de la tabla multifunción incluye principalmente inicialización, verificación de datos, reparación de la curva de carga y procesamiento de transacciones. El diagrama de flujo se muestra en la Figura. 5.
El proceso de procesamiento de transacciones diarias refleja la mayoría de las funciones principales de los medidores multifunción, incluido el procesamiento de tasas, la recopilación y el procesamiento de datos de medición, la lectura automática del medidor, la salida de pulsos de energía, el módulo de calibración del medidor y la detección de cortes de energía. y módulo de procesamiento espera. El diagrama de flujo se muestra en la Figura 6.