國內民用單相表一般可分為機械式電能表（感應式電能表）和電子式電能表兩大類。過去機械式電能表的市場保有量比較大，但由于機械式電能表存在重量大、成本高、信息采集不方便等缺點，因而正在逐漸退出市場；而電子式電能表經過近20年的發(fā)展，在技術上正日趨成熟。

　　新一代電子式電能表也稱智能電表，該產品具備諸多優(yōu)點，例如功能擴展方便；便于信息化集中管理；節(jié)約材料能源；靈敏度高；精度高；一致性好；誤差曲線平穩(wěn)；便于自動化生產；耐機械振動能力強；重量輕等。因此隨著技術日趨成熟，此類產品的市場認知度顯著提升，現(xiàn)已經成為國內民用單相表的主流。

　　近幾年來，國內各省陸續(xù)推出自己的技術規(guī)范，但各省的技術規(guī)范有一定的差異。農網表是智能電表的一種，目前國家電網公司已統(tǒng)一了農網表的技術規(guī)范。本文介紹的農網表方案完全滿足國家電網公司智能電能表技術規(guī)范的要求，該方案基于上海海爾集成電路有限公司開發(fā)的一款8位閃存MCU HR6P71F。

　　HR6P71F芯片特點

　　1、內核

　　采用高性能哈佛型RISC CPU內核，具有48條精簡指令，工作頻率為DC~16MHz，8級PC硬件堆棧，復位向量位于000H，默認中斷向量位于004H，支持中斷向量表，支持中斷處理，共有14個中斷源。

　　2、存儲資源

　　具有4Kx15位FLASH程序存儲器和224x8位SRAM數(shù)據存儲器；程序存儲器支持直接尋址和相對尋址；數(shù)據存儲器支持直接尋址和間接尋址。

　　3、I/O端口

　　共有15個I/O端口，包括PA端口（PA0~PA4，PA6~PA7）和PB端口（PB0~PB7）。

　　4、外設

　　一個8位定時器T8；一個8位PWM時基定時器T8P；一個16位定時器T16N；一路通用異步收發(fā)器UART；7通道8位模擬數(shù)字轉換器ADC；兩個模擬比較器ACP和一個參考電壓模塊。

　　5、特殊功能

　　有一個高精度內部4M振蕩器，出廠時精度校準為±5%；支持低功耗休眠模式及喚醒操作；內嵌上電復位電路和低電壓復位電路；支持外部復位；支持獨立硬件看門狗定時器；支持在線編程（ISP）接口；支持編程代碼保護；工作電壓范圍為3.5V~5.5V；工作溫度范圍為-40℃~85℃。

　　系統(tǒng)方案設計

　　1、基本功能

　　基于微控制器HR6P71F的農網表方案主要實現(xiàn)有功電能信號的采集、電量存儲與顯示，并通過RS485或者紅外的方式通信，實現(xiàn)信息傳輸?shù)裙δ堋?/p>

　　1） 有功電能信號的采集

　　該方案的電能計量部分采用ADE7755芯片，通過對電壓電流回路信號的采集，將電能值轉換成相應的電能脈沖信號，MCU通過對電能脈沖信號采集和計算，轉換為相應的計量數(shù)值，同時具備正、反相有功電能計量的功能。

　　2） 電量存儲與顯示

　　MCU采集到電能信號后，及時存儲到EEPROM中，保證存儲的數(shù)據不被丟失，并且能保持10年以上，通過LCD顯示信息，例如電量總數(shù)等。

　　3） 通信

　　支持RS485通信和紅外通信。在RS485通信情況下，自動抄表系統(tǒng)可根據電表地址實現(xiàn)遠程自動抄表功能，通信距離：不小于1，200m（每兩個接點之間），為了安全保護電表，RS485通信接口必須和電表內部電路實行電氣隔離，并有失效保護電路。紅外通信距離應該大于 5米，通信角度≥±15°，紅外通信和 RS485 通信在物理層必須獨立，一種通信信道的損壞不得影響另一信道。

　　2、硬件設計

　　該方案在硬件上由三部分組成，一是電能計量部分，二是MCU控制部分，三是通信部分。

　　電能計量部分與MCU控制部分通過光電耦銜接，實現(xiàn)完全隔離，電能計量部分主要完成有功電能脈沖輸出，用于校表、采集電能量；無源光電隔離型輸出端口；波形是標準方波， 脈沖寬度為80ms±20ms。RS485通信部分與MCU控制部分也是通過光電耦銜接，實現(xiàn)完全隔離；紅外通信部分與MCU控制部分共同使用一個電源，沒有隔離。

3、軟件設計

　　主程序流程圖如圖2所示，在主程序中主要實現(xiàn)以下功能：1）系統(tǒng)初始化的配置主要實現(xiàn)端口初始化、AD模塊初始化、T8P和T16定時器的初始化以及UART的初始化等；2）上電讀取EEPROM中存儲的電量到芯片的RAM區(qū)，配置到對應的電能計量單元中，其中讀取EEPROM數(shù)據使用的是普通I/O口模擬IIC的方法；3）LCD顯示當前的總用電量等信息，方便用戶查閱；通信模塊主要是把電表內的一些信息，例如電表號，累計總用電量，電表密碼等與主站服務器實現(xiàn)信息交流；4）當查詢到電量存儲的標志后，程序將把當前的電量存儲到EEPROM中，當AD模塊檢測到有電源掉電時，程序將保存當前的電量存儲到EEPROM中。

　　圖2 主程序流程圖

　　中斷服務程序如圖3所示。在中斷服務服務中，外部端口中斷主要處理電能脈沖計量，配合T16的定時功能。當電能計量信號有效后，在程序中累加，以0.01度電為基準累加。當累計到一度電時，產生存儲標志位，在主程序中查詢到該標志位后，經進行存儲工作。T8P將作為紅外通信的時基處理紅外通信。接收中斷處理是將接收的數(shù)據放到計劃好的RAM區(qū)，在主程序的RS485通信子程序中根據命令字完成相應的工作；發(fā)送中斷處理是將準備好的數(shù)據發(fā)送出去。

　　圖3 中斷服務程序

　　方案設計注意事項

　　在該方案中，電能計量是關鍵，因為關系到用戶的電能計費，既不能多計也不能少計，一定要把用戶的實際用電量真實記錄下來。但是電網的環(huán)境復雜，電網中的負載也存在多樣化，電表在實際應用中，即使在遇到強電磁干擾的情況下都不允許漏記或者多計脈沖。因此，如何保證計量電能脈沖的準確性就是電表方案的重點。要點如下：

　　1）硬件支持。好的硬件設計能在一定程度上削弱電磁干擾信號；

　　2）HR6P71F芯片的外部中斷口內有濾波電路，可以保證去除一部分失效信號或者干擾信號；

　　3）程序中的設計技巧。因為電能脈沖波形是標準方波，脈沖寬度為80ms±20ms，需要定時器T16來定時40ms~50ms左右，以確保脈沖信號的有效。在中斷服務程序中，進入中斷后第一個要檢測的就是外部中斷信號，中斷服務程序要盡量短，在服務程序中設置標志位，到主程序中處理標志即可。

　　整個系統(tǒng)的性能可靠性需要硬件來支持，對芯片的要求也非常高。HR6P71F芯片內部有獨特的抗干擾設計，能在強干擾的環(huán)境中正常工作，識別有效信號，去除失效信號；芯片內部的上電復位電路和掉電復位電路，能保證電表在電網中電壓緩升緩降的環(huán)境下仍然有效工作；此外，獨立RC的看門狗電路也是保證系統(tǒng)安全的基本措施之一。

　　本文小結

　　目前電能表市場的競爭愈加激烈，隨著中國本土半導體廠商逐漸成長起來，產品日益成熟，越來越多的電能表廠家開始嘗試國產芯片。HR6P71F芯片在電能表上EFT的測試能達到4.5kV以上，可以通過各種電磁干擾性能測試，高性價比的整體方案可幫助電能表廠商提升產品競爭力。