以MSP430设计的电子电能表

简介：介绍16位RISC信号处理芯片MSP430的管脚功能、内部功能框图、测量原理和以MSP430C32X设计的电子电能表。

摘 要：介绍16位RISC信号处理芯片MSP430的管脚功能、内部功能框图、测量原理和以MSP430C32X设计的电子电能表。

MSP430是美国TI公司推广的16位超低功耗微控制器。它采用精简指令集(RISC)结构。种结构与分时复用数据线和指令线的集中指令集(CISC)结构不同，它将数据线和指令线分离，使得取指令和取数据可同时进行，执行速度很快；因这种微控制器的指令多为单字节指令，故程序存储器的空间利用率也很高。MSP430有基于闪存的F1××系列、基于闪存且带有LCD驱动器的F4××系列、带有LCD驱动器但基于ROM/OTP的×3××系列等产品。管脚从20～100条，以SSOP、QFP、PLCC、JLCC和SOIC等形式封装。本讲介绍MSP430C32X和它在电能表中的应用。

1MSP430C32X管脚功能MSP430C32X有64条(或68条)引脚，以QFP等形式封装。管脚排列如图1所示。P1 AVCC，正模拟电源电压，2.5～5V；P63 AVSS，模拟电路考地；P2 DVCC，正数字电源电压，2.5～5V；P64 DVSS，数字电路参考地；P61 A0，AD转换器输0或数字输入0；P62 A1，AD转换器输入1或数字输入1；P5～P8 A2～A5，AD转换器输入2～5或数字输入2～5；P3 SVCC，接AVCC到AD转换器；P4 Rext，内部电流源的编程电阻输入端；P9 Xin，晶振输入端；P10 Xout/TCLK，晶振输出端或测试时钟输入；P11 CIN，允许计数器TPCNT1(Timer/Port)的输入；P12～P16 TP0.0～TP0.4，通用3态数字输入，Timer/Port位0～4；P17 TP0.5，通用数字输入/输出，Timer/Port位5；P18 P0.0，通用数字I/O；P19 P0.1/RXD，通用数字I/O，接收数字式输入；P20 P0.2/TXD，通用数字I/O，发送数据输出；P21～P25 P0.3～P0.7，5位通用数字I/O，位3～位7；P26 R33，第一级正模拟LCD电平(V1)的输出；P27～P29 R23、R13、R03，第二级、第三级、第四级正模拟LCD电平(V2、V3、V4)的输入；P30～P31 S0、S1，LCD段线S0、S1；P32～P35 S2～S5/O2～O5，LCD段线S2～S5或数字输出O2～O5；P36～P39 S6～S9/O6～O9，LCD段线S6～S9或数字输出O6～O9；P40～P43 S10～S13/O10～O13，LCD段线S10～S13或数字输出O10～O13；P44～P47 S14～S17/O14～O17，LCD段线S14～S17或数字输出O14～O17；P48～P49 S18～S19/O18～O19，LCD段线S18、S19或数字输出O18、O19；P50 S20/O20/CMP1，LCD段线S20或比较器输入CMP1(Timer/Port)等；P51～P54 COM0～3，LCD公共电极的输出；P55 TDO/TDI，数据输出或编程期间的数据端；P56 TDI/VPP，数据输入或编程电压输入端；P57 TMS，测试模式选择；P58 TCK，器件编程和测试的时钟输入端；P59RST/NMI，复位输入或非屏蔽中断输入端；P60 XBUF，系统时钟MCLK或晶振时钟ACLK输出端。

2MSP430C32X内部功能框图和测量原理MSP430C32X的内部功能框图如图2所示。它由采用RISC结构的16位CPU、6个模拟输入通道公用的14位A/D转换器、8/16KB ROM、256/512B RAM、84段LCD驱动器、看门狗定时器、FLL时钟系统(片内DCO+晶振电路)、具有中断能力的I/O口和多个定时器等组成。这种微控制器的核心指令27条，源操作数的寻址模式7种，目的操作数的寻址模式4种，且具有丰富的中断能力。被测的模拟信号从A0～A5输入，片内A/D转换器将它们转换成对应的数字式数据，处理后驱动LCD显示器显示或经串口传送给主机。MSP430C32X以简化扫描原理(Reduced Scan Principle)测量和计算负载消耗的电能。被测电压和被测电流(已转换成对应ADC量程的电压)接A0～A5，MSP430在软件程序的控制之下用14位A/D转换器交替地测量这些值。每个采样值都使用两次，分别与前面的采样值、后面的采样值相乘，然后累加。为了减少乘法次数，可先求前后两次电压采样值的和，然后相乘。图3是单相电能表的一种测量时序。被测电能E为

此结果意味着每个以RSP采得的电能采样值的误差都为恒定值e。这个固有误差仅与电流和电压采样值之间的固有相移α有关，与被测电压和电流之间的相位差φ及测量正弦波的采样点无关。因此，对所有采样值都能使用相同的校正值进行校正。实际运行期间，累加的电能乘以校正因子C(=1／cos(2πfΔt))就能消除这种误差。 使用RSP测量的优点是很明显的，使用1个A/D转换器就能测量几个模拟量。对MSP430C32X而言，使用1个14位ADC最多能测量6个模拟量。3以MSP430设计的电能表MSP430能以两种不同的角色在电子电能表中使用(图4)。图4(a)中，MSP430的前端接外部模数转换器，用其测量电能，输出与负载消耗的电能相对应的脉冲。MSP430接收这些数字量和对其进行处理。而图4(b)中，MSP430利用自身所带的A/D转换器测量负载电流、电压，和对其进行处理。很明显，后者成本比较低，电路也比较简单。

图5、图6是以MSP430设计的电子电能表的两种方案。图5测量单相电能。被测电压经电阻分压器分压后接MSP430C32X的A1、A5；被测电流经分流电阻(如1.0mΩ)和放大器转换为对应的电压后接MSP430C32X的A0、A5。为了把来自分压器和分流器的正负交变的电压转变为ADC量程内的无符号的电压，使用了±2.5V两个电源。它们的公共地接A5，MSP430以规定的时间间隔测量此电压，并从以后每次测得的电压、电流采样值中减去它，以此法对有符号的被测量进行测量。 为了产生测量的基准，图中使用了1个基准二极管LM385-2.5。它的稳定性应优于要求的电表精度的4倍。为了减少电源电流，LM385能够仅在测量基准期间接通。如果±2.5V电源的精度和稳定性足够好，这个基准二极管可省去。 如前所述，被测电流应先经分流器转变为电压，然后用MSP430测量。因分流电阻阻值较小(约为0.3～3.0mΩ)，产生的电压降也较小，故需接运算放大器放

此式对应较小的负载电流。若负载电流较大，可令开关闭合，此时

MSP430C3××、MSP430F4××内含84段～160段LCD驱动电路，因此，测量结果可直接送LCD显示器显示。 为了存储校准数据、查阅表、常数及电源故障期间不能丢失的那些数据，MSP430右边接了一片EEPROM。取决于需要存储的数据量，EEPROM的容量一般为128字节或256字节。MSP的DVCC端通过二极管接后备电池；直流电源电压下跌时向处理器供电。MSP430的左下角接预付费接口。插入有效的预付费卡后，电能表自动接通AC供电电源。MSP430的P0.2和P0.1接M总线接口TSS721，接电能表接入网络。利用M总线接口，主机可送入合适的信息规定实际的费率；能以用户规定的协议读出实际的能耗和其他感兴趣的值；测试时，起动基于ROM的测试程序或者下载和起动基于RAM的测试程序；校准时接校准硬件。MSP430的P0.3接红外接口，双向传送数据，用于校准、测试和读出数据。MSP430的P0.5用于脉冲输出，消耗了一定的电能量后改变输出状态；以此状态的变化送机械显示器显示或用于校准。

图6是测量三相电能的电能表线路。3根相线和1根中性线接负载。R、S、T三相电压经电阻分压器分压，变换到适合MSP430测量的范围；三相电流经电流互感器和次级电阻变换为电压后接MSP430。因为MSP430C32X只有6个模拟输入端，只能测量3个电流和3个电压，基准二极管的电压或参考地电压则无法测量，因此，图中增加了1片TLC4016开关电路。分压后的三相电压经它接MSP430，MSP430以3个输出(TP.3～5)选择被测的相。测量时序如图7所示。图中α仍为因测量方法引入的固有相移；与测量单相电能不同，它与两次A/D转换的时间差所对应的相移不相等。为了与AC电网隔离和获得较高的准确度，被测电流使用电流互感器或铁氧体磁芯变换。电流互感器次级

需要的话，以类似方式可获得更多量程。 图6未接后备电池，但接了一根AC下跌检测线。一旦此线激活，则立即将实际消耗的电能等不可丢失的数据存入EEPROM中。