【文章內(nèi)容簡介】 分是軟件設(shè)計。 硬件電路微處理器硬件電路的設(shè)計原則是在保證系統(tǒng)功能和可靠性的前提下，盡量降低整個系統(tǒng)的功耗，減少元器件的數(shù)量，減少電路板的面積以利于最后的固化。這部分電路包括單片機、存儲器、A/D 轉(zhuǎn)換器、時鐘芯片、紅外收發(fā)電路等。電路中使用的大部分芯片為 CMOS 芯片，功耗比較大的部分(A/D 轉(zhuǎn)換、存儲器) 都使用了串行芯片。圖 24 為這部分的電路框圖，圖 25 為電路原理圖。存儲器AD 轉(zhuǎn)換器母線電流信號基準源微處理器用戶竊電信號實時時鐘紅外接收紅外發(fā)射圖 24 微處理器部分電路框圖圖 25 微處理器部分電路圖電路圖主要由 AT87FS1,TLC549,DS12887A,X25045 組成:AT87F51 芯片簡介AT87F51 為系統(tǒng)的主處理器。AT87F51 為 CFIMOS 芯片，允許電壓的波動范圍為 5V177。20%。內(nèi)部帶有 4K 程序存儲器(ROM)和 128B 數(shù)據(jù)存儲器(RAM)。通過編程選定，最多可有 32 根 I/O 口線。有兩根口線可作為全雙工串行口，可通過編程選擇四種通訊方式。有兩個 16 位定時計數(shù)器，每個定時器具有四種工作方式。有五個中斷源，可分為兩個優(yōu)先級，每個中斷的優(yōu)先級是可以編程選定的 。內(nèi)部 RAM 中開辟了 4 組通用工作寄存器區(qū)，每組 8 個通用寄存器，能適應(yīng)多個中斷和子程序嵌套的情況。有功能強大的布爾處理器 。有豐富的尋址方式和指令系統(tǒng)，使用方便。最重要的是，87F51 支持等待工作方式，在等待工作方式下，單片機本身消耗的電流由正常的 16mA ( 5V 12MHz)降低為 ，中斷及硬件復(fù)位均可終止等待方式 。]1[X25045 芯片簡介X25045 是 Xicor 公司生產(chǎn)的 EEPROM 器件，把微處理器外圍器件最基本的三種功能：看門狗定時器、復(fù)位控制和 EEPROM 集成在單個 8 引腳封裝的CMOS 器件內(nèi)，將電源監(jiān)控和看門狗定時功能與高速、三線、非易失性存儲器組合在一起，降低了系統(tǒng)對電路板空間的要求。其存儲器部分是 4096 位串行EEPROM，具有簡單的三總線工作的串行外設(shè)接口 SPI，提供了不小于 100,000次的使用期限和最少 100 年的數(shù)據(jù)保存期。TLC549 芯片簡介TLC549 是以 8 位電容逐次逼近 A/D 轉(zhuǎn)換器為基礎(chǔ)而構(gòu)造的 CMOSA/D 轉(zhuǎn)換器。能通過 3 態(tài)數(shù)據(jù)輸出與微處理器或外圍設(shè)備串行接口。TLC549 僅用輸入/輸出時鐘(I/O CLOCK)和芯片選擇(CS)輸入做數(shù)據(jù)控制。其 I/O CLOCK 輸入頻率最高可達 。TLC549 提供了內(nèi)部系統(tǒng)時鐘，它通常工作在 4MHz 而不需要任何外部元件。I/O CLOCK 和內(nèi)部時鐘一起可以實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳送和每秒 40,000 次轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換速度。TLC549 能在 3V 至 6V 的寬電壓范圍下工作，最大消耗電流為 3mA，不可調(diào)整誤差最大為177。，是較理想的低成本、高性能的 A/D 轉(zhuǎn)換器件。TLC549 只需要片選信號 CS、時鐘 CLK、數(shù)據(jù)輸出 OUT 三根口線與單片機相連。DS12887A 芯片簡介DS12887A 是一個雙列 24 腳實時時鐘芯片。內(nèi)部帶有鋰電池，振蕩晶體，寫保護電路，非易失性記時時鐘，靜態(tài) RAM，報警時鐘，百年日歷，可編程方波發(fā)生器。通過 MOT 腳的電平選擇可以選擇與 51 系列單片機兼容的總線方式。當外部輸入電壓高于 時，DS 12887 正常工作。當外部輸入電壓低于 V 時，無論外部片選信號的高低，DS 12887 的片選被強制置成無效，內(nèi)部RAM 被寫保護，此時所有輸入無效。外部電壓降到 3V 以下時，外部電壓被斷開，由內(nèi)部鋰電池給實時時鐘和內(nèi)部 RAM 供電，以保證時鐘的正確性 。]12[ 軟件設(shè)計系統(tǒng)軟件的總體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的軟件部分由系統(tǒng)初始化模塊、系統(tǒng)監(jiān)控模塊和系統(tǒng)動作模塊三個部分組成。按照作用的不同，系統(tǒng)的監(jiān)控模塊和動作模塊可以分為三個層次，圖26 是系統(tǒng)的監(jiān)控軟件和動作程序的結(jié)構(gòu)框圖。 監(jiān)控程序ACT1 ACT2 ACT3 ACT4 ACT5 ACT6 ACT7 ACT8X25045讀寫模塊電量采集模塊系統(tǒng)時鐘控制模塊紅外(485)指令接受模塊紅外(485)數(shù)據(jù)發(fā)送模塊圖 26 系統(tǒng)軟件整體結(jié)構(gòu)框圖圖 26 中的監(jiān)控程序為管理層，作為系統(tǒng)的管理核心，用來調(diào)度和管理各項任務(wù)。ACT1 ～ACT8 是系統(tǒng)的 8 個主要動作模塊，包括竊電開始處理模塊、竊電繼續(xù)處理模塊、竊電結(jié)束處理模塊、讀系統(tǒng)時間模塊、修改系統(tǒng)時鐘模塊、讀竊電記錄模塊、讀竊電狀態(tài)模塊、清除記錄模塊，這些模塊作為系統(tǒng)的任務(wù)層，程序運行過程中，監(jiān)控程序根據(jù)運行狀態(tài)或外部的命令執(zhí)行相應(yīng)的動作模塊。上述的動作模塊由支撐層的 5 個主要任務(wù)模塊提供各種功能支持，這 5 個任務(wù)模塊有①X25045 讀寫模塊②電量采集模塊③ 系統(tǒng)時鐘控制模塊④紅外(RS485 )指令接收模塊⑤紅外(RS485 )數(shù)據(jù)發(fā)送模塊，其中每個模塊還可以分為幾個更小的模塊。這種程序結(jié)構(gòu)不但能增加程序的可讀性，便于系統(tǒng)維護和功能的擴充，而且對系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計有重要的意義。單片機的軟件流程單片機在復(fù)位后，根據(jù)用戶現(xiàn)在的用電狀態(tài)(有無竊電)和從 X25045 讀出的用戶以前的用電狀態(tài)，判斷執(zhí)行下面四種主要動作模塊中的一個:竊電開始、竊電結(jié)束、繼續(xù)竊電、繼續(xù)無竊電。相應(yīng)的動作模塊處理結(jié)束以后，根據(jù)當時的內(nèi)部情況和外部狀態(tài)，設(shè)置相應(yīng)的喚醒方式，通過軟件設(shè)置使微處理器進入節(jié)電運行狀態(tài)。等待相應(yīng)時間后，由定時中斷或 X25045 將單片機喚醒，重復(fù)執(zhí)行下一個周期。圖 27 是系統(tǒng)軟件的流程圖。用戶以前竊電？用戶當前有竊電？竊電繼續(xù)模 塊模塊進入節(jié)電運行狀態(tài)定時中斷喚醒YY竊電結(jié)束模 塊N 用戶當前有竊電？竊電開始模 塊Y無竊電繼續(xù)模塊N進入節(jié)電運行狀態(tài)NX25045 喚醒初始化圖 27 系統(tǒng)軟件流程圖單片機進入等待工作方式后，內(nèi)部時鐘信號仍然供給中斷系統(tǒng)、定時/計數(shù)器和串行口。系統(tǒng)在有竊電時的定時中斷喚醒就是利用了單片機的這一特點。在用戶無竊電時使用的 X25045 喚醒是利用了 X25045 的定時復(fù)位功能，通過復(fù)位將單片機喚醒。之所以在不同場合用兩種喚醒方式，是為了更方便的確定系統(tǒng)當時的運行狀態(tài)，并且 X25045 的喚醒時間有一定的誤差，不能用在有竊電時參考竊電量的計算，在用戶無竊電時單片機定時復(fù)位，能提高單片機運行的可靠性。流程圖中沒有給出系統(tǒng)響應(yīng)外部命令的流程，因為外部命令輸入是作為系統(tǒng)的串行中斷，當系統(tǒng)工作在節(jié)電運行狀態(tài)時，這個中斷能隨時喚醒單片機進行中斷處理，而在正常的運行過程中，系統(tǒng)也是隨時響應(yīng)這個中斷。單片機能響應(yīng)的外部命令有:讀用戶竊電記錄、讀用戶當前用電狀態(tài)、讀系統(tǒng)當前時間、修改系統(tǒng)時間、清除記錄。竊電信息的記錄模塊開始置竊電開始時間置竊電結(jié)束時間= 竊電開始時間置參考竊電量=0竊電記錄數(shù)加 1設(shè)置竊電標志模塊結(jié)束模塊開始累加參考竊電量修改竊電結(jié)束時間竊電方式發(fā)生改變？修改竊電方式模塊結(jié)束YN模塊開始累加參考竊電量修改竊電結(jié)束時間置無竊電標志模塊結(jié)束圖 28 竊電開始 圖 29 竊電繼續(xù) 圖 210 竊電結(jié)束模塊流程圖 模塊流程圖 模塊流程圖 系統(tǒng)記錄的用戶竊電信息主要是指用戶的總竊電次數(shù)、用戶當前的竊電狀態(tài)(有無竊電 )和用戶每一次竊電的起始時間(5 字節(jié))、參考竊電量(4 字節(jié))、竊電方式(1 字節(jié))、結(jié)束時間(5 字節(jié)) ，其中用戶的竊電起始時間和結(jié)束時間精確到分，參考竊電量的值為一個比例量，手持機或負控中心讀得這一數(shù)據(jù)后乘一個系數(shù)后能得到用戶的參考竊電量(千瓦時)。這些信息全部存儲在串行 EEPROM X25045 中。與用戶竊電信息記錄有關(guān)的有 3 個動作模塊:竊電開始模塊，繼續(xù)竊電模塊和竊電結(jié)束模塊。監(jiān)控模塊可以根據(jù)當時的具體情況，調(diào)用這 3 個模塊中的一個。圖 28, 29, 210 是這三個模塊的流程圖。這三個模塊再加上無竊電繼續(xù)模塊就構(gòu)成了系統(tǒng)軟件的主干。無竊電繼續(xù)模塊比較簡單，這里不再贅述。當單片機檢測到用戶開始竊電時，生成一條竊電記錄，寫入 X25045 中。這條竊電記錄中的竊電開始時間和竊電結(jié)束時間相等，參考竊電量為 0。此后，只要用戶繼續(xù)竊電，單片機將對母線上的電流進行累加，并在每三分鐘結(jié)束時刷新一次參考竊電量和竊電結(jié)束時間。如果此時用戶的竊電方式發(fā)生改變，也將當前的竊電方式加入到以前的竊電方式中。在用戶竊電結(jié)束時的主要工作是修改用戶的用電狀態(tài)標記為無竊電。在繼續(xù)竊電模塊中，竊電結(jié)束時間、參考竊電量是被不斷刷寫而不是在竊電結(jié)束時一次性寫入，這種做法的優(yōu)點是能保證在電壓不足或干擾導(dǎo)致 RAM數(shù)據(jù)丟失的情況下，系統(tǒng)不會誤記竊電結(jié)束時間，也不會丟失過多的竊電量，缺點是每一條記錄的竊電結(jié)束時間、參考竊電量被重新刷寫的頻率比較頻繁，但 X25045 的每一字節(jié)的寫入次數(shù)有一定的限度。為了延長 X25045 的壽命，在X25045 中使用三個地址做為指針(1FFH, 1F8H, 1FOH)，通過三—二表決方式確定一個記錄指針來標記記錄信息在 X25045 中的起始位置，每一次刪除記錄后，這三個指針同時加 5，這樣避免了 X25045 的同一個位置被頻繁改寫。由于三個指針在 X25045 中的位置不連續(xù)，同時有兩位數(shù)據(jù)被破壞的概率很小，這樣對系統(tǒng)可靠性的影響不大，但卻極大的延長系統(tǒng)的壽命。表(21)是記錄信息在 X25045 中的存儲