基于71M6521的数字单相多功能电能表的设计

戚敏敏(1983 ),男,助理工程师,研究方向为电力仪器仪表及电力通信。

基于71M 6521的数字单相多功能电能表的设计

戚敏敏, 王青青

(杭申控股集团,浙江杭州 311234)

摘 要:介绍了单相多功能电能计量芯片71M 6521的基本功能和特点。在此基础上,设计了计量精度高、工作稳定、成本相对较低的数字单相多功能电能表,以实现对三相电流、电压,有功、无功功率,电能脉冲的输出等的计量。该数字单相多功能表可用于电力系统、工矿企业、智能大厦的电力监控。

关键词:计量;71M 6521;多功能电能表;单相;电力监控

中图分类号:TM 931 文献标识码:B 文章编号:1001-5531(2008)20-0009-04

D esign of D i gital Si ngle PhaseM ult-i Function

E lectric Energy M eter Based on 71M 6521

QI M inm in, WANG Q i n gqing

(H angshen H o ldi n g Group ,H angzhou 311234,Ch i n a)

A bstrac t :T he bas i c f unc ti on and feature o f sing le phase m ult-i f unc tion electr i c energy m easurem ent ch i p 71M 6521we re i ntroduced .The dig ital sing le phase mu lt-i functi on e l ec tric energy m eter o f h i gh -prec i sion m easure -m ent ,stab l e running ,

re l a ti ve l y l owe r co st ,w as desi gned ,and the measure m ent o f three -phase current ,vo ltage ,

acti ve and reactive power and t he output of e l ec tric pulse w ere rea lized .It cou l d be used f o r the po w er m on itor i ng o f the powe r system,i ndustria l and m ini ng enterpr ises ,i nte lli gent bu il d i ng .

K ey words :m eas u re m en t ;71M 6521;mu lt-i function electric en ergy m eter ;si ngle phase ;po w er m on-i tor i ng

王青青(1982 ),男,助理工程师,研究方向为电力仪器仪表与PLC 。

0 引 言

传统的多功能电能表采用专门的电能计量芯

片和微控制器结合的设计电路,两块芯片各自承当了一部分成本。本文中的设计使用了计量+M PU 结合在一起的专门电能芯片,其成本相当于传统多功能电能表中的电能计量芯片,节省了微控制器的开销,而且使用了较少的外围电路,设计方便,比传统电能表成本更低。

1 71M 6521芯片功能介绍

Ter i d ian 公司生产的71M 6521是一个高度集成的SOC (系统级芯片),包括MPU 内核、RTC 、F l a sh 和LCD 驱动器。另外,该芯片还配备了1个22b it 的 - ADC 、4个模拟输入、数字温度补

偿、精密参考电压和32b it 电能计算引擎,能够广泛地用于住宅电能表,而且只需要极少的外部元器件。整个系统由32.768kH z 晶体提供时基。系统电源掉电后RTC 及部分I /O RAM 的内容由电池备份。该I C 支持2线、3线和4线单相及两相住宅计量以及窃电检测。

由于片内集成了两个UART 、I 2

C / W ire 、多达18个数字I /O 引脚及可编程Flash ,该芯片具有较高的设计灵活性,可以在运行中对数据或者应用编码进行升级。另外,它易于转换成ROM,在大规模应用时具有较高的成本优势。

2 硬件设计

2.1 信号采集

信号采集电路如图1所示。对电压和电流的

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现代建筑电气篇

图1 信号采集

采集分别采用了5mA /5mA 的电压互感器和5A /5mA 的电流互感器。使用互感器能有效地与外部强电进行隔离,不足之处就是引进了额外的相位差。5mA /5mA 的电压互感器输入端产生有效值为5mA 的电流时,输出端感应到有效值为5mA 的电流。当电压互感器初级端输入有效值为220V 的交流电时,初级线圈端就产生电流:

I UA =U A

R 39

(1)

计算得I UA =1.47mA 。查该芯片的数据手册得,引脚VA 和V3P3D 间的压差不能超过250mV,

需要选择合适的采样电阻阻值。该方案中选择了47 采样电阻R 40。

同理,5A /5mA 的电流互感器输入端输入有效值为5A 的电流时,输出端感应到有效值为5mA 的电流。该方案选择了12 采样电阻R 42。 图1中VD8、VD9和VD10、VD11主要是来吸收电路中出现的高电平脉冲,保护芯片的模拟口。R 41、C 18和R 43、C 19各自组成了各级的RC 低

通滤波电路,截止频率f c 为

f c =

1

2 RC

(2)

把R =1k ,C =33nF 代入式(2),得f c =4823kH z 。

2.2 控制部分电路

控制部分主要由71M 6521及外围电路(仿真接口、电压监测电路)以及外扩铁电组成,如图2、图3所示。可以用示波器观察引脚T MUXOUT31来判断时钟是否正常。外扩铁电可根据用户的不同要求保存系统参数等。

F M 24CL04是用先进的铁电技术制造的4

KB

图2 71M 6521连接电路图

的非易失性铁电随机存储器。FRAM 具有非易失性,并且可以像RAM 一样快速读写数据。在掉电状态下,数据可以保存10a ,比E 2

PROM 或其他非易失性存储器可靠性更高,系统更简单。 与E 2

PROM 不同,F M 24CL04以总线速度进行写操作,没有任何延时。数据送到FM 24CL04

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图3 外围电路及外扩铁电

后直接写到具体的单元地址,下一个操作立即执行。F M24CL04可以无限次读写,写操作寿命比E2PROM高。此外,FRAM在写操作中比E2PRO M 耗电少,因为其写操作不要求内部电路提高写操作电压。

2.3 显示、按键电路

四位一体数码管结合发光二极管构成了显示界面,由于芯片I/O口的输出电流不能驱动发光管,因此用三极管9013进行扩流。整个显示电路采用动态扫描,74HC595用作片选信号,软件设计了5m s扫描时间,74HC164用于数据传送。

对键盘的扫描使用了片选信号和KEY信号。初始化时,KEY输出高电平,片选信号不断进行扫描,没有键按下时,KEY为高电平,当片选信号扫描到某个按键时,该按键按下,KEY就会被拉低,可以通过查询KEY电平或采用中断的方式,来判断哪个功能键被按下。例如:KEY脚高电平,K4键按下,先扫描LED_CS1,该片选脚(LED_ CS1)为高电平,其他片选脚(LED_CS2、LED_ CS3、LED_CS4)为低电平,KEY脚电平不变,保持为高电平。当扫描到LED_CS4时,根据电阻分压,KDI G12处的电压为1.1V,K4导通,KE Y脚被拉低,由此可以判断K4按下,调用相应的函数。处理完毕后,再把KEY置高电平,等待下一次按键按下。

3 软件设计

图4、图5所示是主要的软件设计流程图。电能表软件采用C51编写,主要实现

电能计量、

图4

主函数流程图

(a)定时器0中断子函数

(b)定时器1中断子函数

图5 定时器中断子函数流程图

显示、参数和电能的保存、电能脉冲的输出等基本功能。I C内部的CE模块是一个专用的32b it数字信号处理器,用来执行准确计量电能所需的精确运算,因此在进行电能计量的过程中,只要读取相应寄存中的数值,并进行一定的处理,如乘以相应的变比。在对铁电操作过程中,没有使用芯片

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现代建筑电气篇

内部自带的II C模块,而是通过使用I/O口进行模拟。在软件的设计过程中,通过不断地发现问题、解决问题,使电能表功能越来越完善。

4 结 语

该电表通过专用芯片实现全数字设计,具有电能计量的功能。实际应用表明,该单相多功能电能表计量精度高、工作稳定、成本低,是用电系统中理想的用户用表,应用前景广阔。同时,设计过程中的一些思路和方法,对其他电能表的设计也具有一定的参考价值。

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(上接第4页)

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收稿日期:2008-03-28

(上接第8页)

Person Agent、Equ i p m en t Agent和Adm i n A gent),建立了新型的MAS系统进行控制。该设计具有以下优点:

(1)Roo m A gent具有自学习能力,能够独立决策,可以最大程度地实现房间的舒适化目标;同时Roo m A gent设计为简单的变结构控制,可根据室内情况选择合适的模式,达到降低能耗的目的。

(2)Agent之间的基本关系是协作型的。为了全局目标节能,可以共享信息,相互之间协作,共同进行问题求解。

(3)A gent设计是开放式的,可以将建筑物的消防、安防设备接入Agen,t实现设备共享和更大范围的便捷。

Agen t技术是分布式人工智能领域的研究热点之一,本文对基于Agent的室内环境控制系统进行了初步的研究。今后需要继续深入研究个体Agen t模型和Agent之间的学习和协作,以及探索该方法在室内环境控制优化方面的应用。

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