1、.PAGE ：.；PAGE 8山 東 科 技 大 學信 息 與 電 氣 工 程 學 院 課 程 設 計 報 告電氣工程及其自動化定單09-2班 單片機在礦山系統中的運用設計課題稱號 單相單用戶電能表設計 姓名 華文強 學號 0901100205 聯絡方式 84970270 指點教師劉慶雪開課學期 2021 至 2021 學年第一學期提交時間 2021 年 1 月 6 日1概述1 2主要特點和引腳功能113 AS8228的內部構造23.1 能量丈量前端33.2 微控制單元MCU43.3 液晶顯示驅動(LCDD)53.4 串行外設接口(SPI)53.5 系統控制模塊(SCT)63.6 系統計時和實

2、時時鐘模塊64 AS8228運用電路設計65終了語8 1 概述 電子式電能表在未來幾年內將成為電能表市場的主流產品，而電能表內部的計量IC是表達整表性能、功能和價錢的中心。美國和歐洲電子式電能表器件的主要供應商奧地利微電子公司(Austria Microsystems)推出了功率計量集成電路AS8228。該器件內部集成有準確的單/雙路電流輸入能量丈量前端、8位8051兼容微控制單元MCU、96段液晶顯示驅動(LCDD)、12個可編程多功能輸入/輸出腳(I/Os)、4線串行外設接口(SPI)、系統控制模塊(SCT)以及由外部備用電池供電的實時時鐘(RTC),基于AS8228的單相電子式電能表完全

3、滿足國際規(guī)范TEC62052和ANSI中的目的。不僅提高了能量計量可靠性，保證了計量產品在功能設計上的靈敏性,而且極大簡化了計量系統的開發(fā)。2 主要特點和引腳功能1AS8228的主要特點如下：準確的能量丈量前端為單相，單/雙路電流輸入，包括-A/D轉換器和數字信號處置器，丈量誤差小于0.1%。動態(tài)范圍到達1000：12;兩電流通道可進展數字相位校準和增益放大倍數選擇：內置的電源監(jiān)視器用于上電復位和掉電監(jiān)測：可編程的工業(yè)規(guī)范8位8051兼容微控制器,配置了24 KB的程序RAM和1KB的數據RAM：兩個專為訪問和調試目的配置的通用異步收發(fā)器(UART)：可編程看門狗定時器：可進展片上數字校準,外

4、部備用電池供電的實時時鐘/日歷，能直接向微控制器提供日期、時間及警報數據，數字刻度優(yōu)于610-6;外部單獨的電池電源引腳和系統復位引腳;小溫度系數的參考電壓，典型值為30 x10-6/k;低功率3.0 MHz4.0 MHz的晶體振蕩器;96段規(guī)范的片上LCDD接口：12個可編程多功能輸入/輸出引腳。用于數據傳輸方向、上拉/下拉電阻器和驅動強度選擇;功率丈量時可進展主電流超前或滯后主電壓形狀指示;規(guī)范的SPI接口能從外部非易失存儲器(E2PROM )中讀/寫數據;存儲溫度范圍：-55+125，正常任務溫度范圍：-40+85。AS8228采用64引腳LQFP封裝，各引腳功能如下：VP，VN(1,2

5、)：電壓通道的差模模擬輸入，范圍是100 mV;11P，11N(3，4)：電流通道1的差模模擬輸入，范圍是+150 mV(PGA設置為4時);12P,12N(5，6)：電流通道2的差模模擬輸入，范圍是150 mV(PGA設置為4時);VDDA(7)：模擬電源，3.3 V10%供電;VSSA(8)：模擬地，OV供電;IO0IO11(912，1519，2628)：可編程多功能輸入/輸出口;VDDD(13，22)：數字電源，3.3 V10%供電;VSSD(14，21)：數字地，O V供電;SI(20)：外部存儲器接口(串行數據輸入腳);S N(23)：外部存儲器接口(片選信號，低有效);SO(24)

6、：外部存儲器接口(串行數據輸出腳);SO(25)：外部存儲器接口(串行時鐘輸出腳);TXD,RXD(29，30)：通用異步收發(fā)器UART1發(fā)送、接納端;VDD_BAT(31)：后備電池電壓輸入端，2.0 V3.6 V供電;XIN,XOUT(32，33)：時鐘輸入，外接3.0 MHz4.0 MHz晶體振蕩器，典型值為3.579 545 MHz;RES_N(34)：系統復位端，低有效;LBP0LBP3(37，38，39，40)：LCD塊驅動輸出公共端;LSDOLSD23(4164)：LCD段驅動輸出端。3 AS8228的內部構造圖1所示為AS8228的內部構造框圖。AS8228片內提供了單相計量所

7、要求的全部功能模塊，包括能量丈量前端、工業(yè)規(guī)范的8位8051兼容微控制器MCU、系統計時與實時時鐘模塊、系統控制模塊、96段LCDD以及12個可編程多功能輸入/輸出引腳和規(guī)范的SPI接口。3.1 能量丈量前端準確的能量丈量前端是由模擬前端(AFE)和可編程DSP組成模擬前端有3路差模模擬輸人，專門用于主電壓、單路電流(相電流)或兩路電流(相電流和中性點電流)的丈量。兩路輸入電流先經可編程增益放大器(PGA)進展增益放大，然后經-A/D轉換器輸出數字信號。輸出結果和經-調制器采樣的輸入電壓分別經過三個可選的補償濾波器，該濾波器補償經過前面濾波器所產生的幅值損耗，再經過三個可選的高通濾波器除去在有

8、效值和電能計算之前電流和電壓中的直流成分，高通濾波器的轉機頻率小于10 Hz。濾波后的電壓、電流值先用于功率計算。然后再校準計算有效值。 兩路電流可經過兩電流傳感器或一只分流電阻和一個電流傳感器獲取，這樣可確保在任何一個竊電銜接安裝有所改動時，即包括接人和接出的相互轉換、相和中性點的相互轉換、中性點吊銷或同時出現這幾種情況時，電表依然可以丈量和記錄電能3。內部增益放大器的增益可編程選擇4、16或20。中選擇不同的PGA時，輸入差模電壓的范圍不同，獲取電流的途徑也不一樣，如表1所示。電壓的獲取可經過低本錢的電壓分阻網絡，使差模輸入在額定條件下為100 mV。計算功率時，電流取恣意一路或兩路中較大

9、的一路電路，電壓取線路電壓或內部設定的一常數電壓值(默以為083Dh，等效主電壓311 V)。有功功率由瞬時功率經過低通濾波器獲得，低通濾波器的截止頻率為18.6 Hz。假設設計成傳統的單相電流計算，那么只接電流通道1取相電流，通道2不銜接。片上DSP對ADC輸出的數據進展濾波處置,為MCU提供適宜的數據和協議。再由電表消費廠商對MCU自在編程實現電表要求的一切功能，包括有功功率、無功功率、視在功率、主電壓有效值、主電流有效值和功率因數等。計量廠商可根據要求設計產品，保證了靈敏性。DSP內部有儀表數據存放器(MDR)和設置存放器(SREG)。MDR中存儲最新的數據供MCU處置，共有5個，如表2

10、所示。SREG對電表的相關參數進展設置和指示，共13個，如表3所示。內部參考電壓為整個電路提供溫度穩(wěn)定性,確保AS8228的丈量精度。內置的電源監(jiān)視器(PSM)確保當電源電壓上升和下降時，系統能獨立產生復位。3.2 微控制單元MCU微控制單元MCU與規(guī)范的8051微控制器兼容，內含一個微處置器核、程序存儲器(P_RAM)、數據存儲器(X_RAM)、內部數據存儲器(I_RAM)、方根計算單元、計數器Timer0和通用異步收發(fā)器UART2。其內部構造如圖2所示。微控制單元MCU有如下特點：采用了Von Neumann構造。程序和數據單元地址部分共享：比規(guī)范的8051更優(yōu)化的時鐘周期。部分指令可以在

11、單個時鐘周期內完成：8051規(guī)范的16位計數器Timer0和RS232串口UART1：特殊功能存放器：通用異步收發(fā)器UART2，方根模塊SQRT：完全兼容8051指令系統：7個內部中斷源：每條指令占用6個時鐘周期(規(guī)范的8051那么為12個時鐘周期)。3.3 液晶顯示驅動(LCDD)LCDD幾乎可以直接驅動244段任何類型的液晶(LCD)。LCD的數據存放器有兩組，用于輪番接納和存儲將要送去顯示的信息。LCDD的控制模塊選擇某一組存放器，將信息譯碼，并適時地送到相應的段顯示，使編程簡單化。調理LCD對比度的電壓值為均分在2.5 V3.0 V的8個值中的一個,經過存放器selvlcd2：0選取。

12、LCD的段和公共端的驅動電壓有4個，分別選定電壓值的0、1/3、2/3和l。3.4 串行外設接口(SPI)串行外設接口是一個同步、位串聯的4線接口，全雙工傳輸數據，用于直接與外部E2PROM通訊。通訊時，SPI與E2PROM有嚴厲的主從關系，系統啟動后，引導裝入程序控制SPI自動讀取E2PROM中的內容,然后才可對MCU編程。其主要特點如下：規(guī)范的4線同步串口(SI，SO，SC，s_N);只運轉在主方式下;8位的字長;SC空閑時為高電平;先發(fā)送最高位;4個可供選擇的時鐘配置;SPI時鐘分辨率可在mcu_clk/2mcu_clk/65536之間選擇：3個可屏蔽中斷：傳輸完成，溢出和傳輸碰撞。當S

13、 N=0時,數據在SC的下降沿輸出，上升沿輸入。其時序如圖3所示。SPI由4個存放器對其進展管理，分別為控制存放器(SSPCON)、時鐘配置存放器(SSPCLKDIV)、形狀存放器(SSPSTAT)和數據存放器(SSPBUF)，地址空間范圍為：9400h9403h。3.5 系統控制模塊(SCT)SCT在處置不同的運轉方式(正常方式、測試方式)，時鐘產生和復位控制等方面起作用。內部異步收發(fā)模塊UART1提供AS8228與外部通訊的接口，包括寫入程序和數據。E2PROM中的程序就是直接經過UART1端口RXT寫入的，也可經過UART2和MCU寫入,但此時需求一個公用的NCU程序處置此數據流和指定公

14、用的I/O口作為,AS8228與外部通訊的接口。當然，要從E2PROM中讀取數據，也可以經過UART端口。傳輸協議為：3.6 系統計時和實時時鐘模塊系統計時和實時時鐘模塊內部包含低功率晶體振蕩器(LP_OSC)，低功率分配器(LP_DIV)和實時時鐘模塊(RTC)。當外部電源VDD供電中斷時，由AS8228的VDD_BAT引腳外接3.3 V后備電池供電。低功率振蕩器外接3.0 MHz4.0 MHz的晶體振蕩器，提供系統時鐘。振蕩器可任務在兩種方式：正常方式和低功率方式。低功率方式時電路其他部分不任務。低功率分配器先將振蕩器提供的主時鐘除以固定值5作為可編程分配器輸人，經過設置相關的存放器對輸入

15、時鐘進展分割，給實時時鐘模塊提供1 Hz的信號。時鐘模塊與MCU之間經過公用的接口存放器相連。4 AS8228運用電路設計 圖4是AS8228在電能計量中的典型運用電路。3.3 V的任務電源是經過電壓調理電路直接從線路上獲得。通道1的電流是用一個分流電阻獲取，分流電阻的大小與PGA的選取和主電流大小均有關。假設PGA=20,主電流的有效值Irms=60 A，那么分流電阻Rsh=30 mV/(21/260 A)=354。通道2的電流是電流傳感器獲取，電流傳感器的次級繞阻輸出負載阻抗大小與額定條件下其二次側電流有效值和,PGA的選取有關。假設電流傳感器的型號為60 A/24 mA,PGA=4，那么

16、輸出負載阻抗， 選擇4.3 。 假設電壓通道接入的電壓有效值為230 V，那么由電壓分阻網絡可得： 12個輸入/輸出端可以指定為輸入或輸出。它經過相關的存放器編程設置數據傳輸方向、上拉或下拉電阻以及驅動強度(4 mA或8 mA)。存放器總共5類，分別為：配置存放器、輸入存放器、輸出存放器、脈沖計數存放器和形狀存放器,地址空間范圍為9500h951Fh。本設計恣意選擇三個端口分別用于校表、能量方向指示、電流通道1或通道2選擇。與SPI接口銜接的E2PROM必需滿足AS8228對外部存儲器的最低要求：典型的SPI引腳：EEP_SI、EEP_SO、EEP_SC、EEP_S_N;為了滿足當mcu_cl

17、k最大為4 MHz時，程序被正確的引導裝入,串行輸入時鐘1 MHz。形狀存放器如下所示：BP0，BP1用于指定維護數據塊的大小，如表4所示。從表中可以看出，所指定維護數據塊的大小依賴于詳細E2PROM的大小。b0位必需是WIP，指示能否正在對E2PROM進展寫操作：引導裝入程序經過配置至少要有4條指令(WREN、RDSR、READ和WRITE)下載用戶程序，系統控制單元經過兩條指令(READ_和WRITE_P)上載用戶程序和數據到E2PROM;E2PROM運轉有兩種方式：CPOL=O,CPHA=0和CPOL=1，CPHA=1(引薦)。在CPOL=1，CPHA=1方式下，數據在SC的下降沿輸出，上升沿輸入;空閑時，SC為高電平;數據循環(huán)存放，即當存儲數據的地址到達存儲器的最大地址時。地址指針指向0000h;程序的長度放在地址內容的最高兩位，數據讀寫時先取指令、地址，再傳輸數據長