2006 г.

Для расчёта электрической энергии, потребляемой за определённый период времени, необходимо интегрировать во времени мгновенные значения активной мощности. Для синусоидального сигнала мощность равна произведению напряжения на ток в сети в данный момент времени. На этом принципе работает любой счётчик электрической энергии

2006 г.

Установка и подключение электро-счетчика не вызывает затруднений. Щиток со счетчиком надо установить на четырех роликах (по углам щитка) в комнате, в близи того места, откуда проходит электропроводка от общего квартирного счетчика

2012 г.

Это устройство следит за использованием бытовой электросети и записывает показания на SD карту памяти. Простые аналоговые усилители усиливают сигнал с датчиков напряжения и тока, и, исходя из полученных, данных микроконтроллер ATmega168 вычисляет потребляемую мощность. Напряжение и ток измеряется с частотой 9615Гц, так что показания должны быть точными даже на несинусоидальных нагрузках, таких как компьютеры или люминесцентные лампы.

Принцип действия

В качестве исходного состояния принят нулевой уровень на всех выходах триггеров (Q 1 – Q 3), т. е. цифровой код 000. При этом старшим разрядом является выход Q 3 . Для перевода всех триггеров в нулевое состояние входы R триггеров объединены и на них подается необходимый уровень напряжения (т. е. импульс, обнуляющий триггеры). По сути это сброс. На вход С поступают тактовые импульсы, которые увеличивают цифровой код на единицу, т. е. после прихода первого импульса первый триггер переключается в состояние 1 (код 001), после прихода второго импульса второй триггер переключается в состояние 1, а первый – в состояние 0 (код 010), потом третий и т. д. В результате подобное устройство может досчитать до 7 (код 111), поскольку 2 3 – 1 = 7. Когда на всех выходах триггеров установились единицы, говорят, что счетчик переполнен. После прихода следующего (девятого) импульса счетчик обнулится и начнется все с начала. На графиках изменение состояний триггеров происходит с некоторой задержкой t з. На третьем разряде задержка уже утроенная. Увеличивающаяся с увеличением числа разрядов задержка является недостатком счетчиков с последовательным переносом, что, несмотря на простоту, ограничивает их применение в устройствах с небольшим числом разрядов.

Классификация счётчиков

Счетчиками называют устройства для подсчёта числа поступивших на их вход импульсов (команд), запоминания и хранения результата счёта и выдачи этого результата. Основным параметром счётчика является модуль счёта(емкость) Kс. Эта величина равна числу устойчивых состояний счётчика. После поступления импульсов Kс счётчик возвращается в исходное состояние. Для двоичных счётчиков Kс = 2 m, где m – число разрядов счётчика.

Кроме Kс важными характеристиками счётчика являются максимальная частота счёта fmax и время установления tуст, которые характеризуют быстродействие счётчика.

Tуст – длительность переходного процесса переключения счётчика в новое состояние: tуст = mtтр, где m – число разрядов, а tтр – время переключения триггера.

Fmax – максимальная частота входных импульсов, при которой не происходит потери импульсов.

По типу функционирования:

– Суммирующие;

– Вычитающие;

– Реверсивные.

В суммирующем счётчике приход каждого входного импульса увеличивает результат счёта на единицу, в вычитающем – уменьшает на единицу; в реверсивных счётчиках может происходить как суммирование, так и вычитание.

По структурной организации:

– последовательными;

– параллельными;

– последовательно-параллельными.

В последовательном счётчике входной импульс подаётся только на вход первого разряда, на входы каждого последующего разряда подаётся выходной импульс предшествующего ему разряда.

В параллельном счётчике с приходом очередного счётного импульса переключение триггеров при переходе в новое состояние происходит одновременно.

Последовательно-параллельная схема включает в себя оба предыдущих варианта.

По порядку изменения состояний:

– с естественным порядком счёта;

– с произвольным порядком счёта.

По модулю счёта:

– двоичные;

– недвоичные.

Модуль счёта двоичного счётчика Kc=2, а модуль счёта недвоичного счётчика Kc= 2m, где m – число разрядов счётчика.

Суммирующий последовательный счётчик

Рис.1. Суммирующий последовательный 3х разрядный счётчик.

Триггеры данного счетчика срабатывают по заднему фронту счетного импульса. Вход старшего разряда счетчика связан с прямым выходом (Q) младшего соседнего разряда. Временная диаграмма работы такого счетчика приведена на рис.2. В начальный момент времени состояния всех триггеров равны лог.0, соответственно на их прямых выходах лог.0. Это достигается посредством кратковременного лог.0, поданного на входы асинхронной установки триггеров в лог.0. Общее состояние счетчика можно охарактеризовать двоичным числом (000). Во время счёта на входах асинхронной установки триггеров в лог.1 поддерживается лог.1. После прихода заднего фронта первого импульса 0-разряд переключается в противоположное состояние – лог.1. На входе 1-разряда появляется передний фронт счетного импульса. Состояние счетчика (001). После прихода на вход счетчика заднего фронта второго импульса 0-разряд переключается в противоположное состояние – лог.0, на входе 1-разряда появляется задний фронт счетного импульса, который переключает 1-разряд в лог.1. Общее состояние счетчика – (010). Следующий задний фронт на входе 0-разряда установит его в лог.1 (011) и т.д. Таким образом, счетчик накапливает число входных импульсов, поступающих на его вход. При поступлении 8-ми импульсов на его вход счетчик возвращается в исходное состояние (000), значит коэффициент счета (КСЧ) данного счетчика равен 8.

Рис. 2. Временная диаграмма последовательного суммирующего счетчика.

Вычитающий последовательный счётчик

Триггеры данного счетчика срабатывают по заднему фронту. Для реализации операции вычитания счетный вход старшего разряда подключается к инверсному выходу соседнего младшего разряда. Предварительно триггеры устанавливают в состояние лог.1 (111). Работу данного счетчика показывает временная диаграмма на рис. 4.

Рис. 1 Последовательный вычитающий счетчик

Рис. 2 Временная диаграмма последовательного вычитающего счетчика

Реверсивный последовательный счётчик

Для реализации реверсивного счетчика необходимо объединить функции суммирующего счетчика и функции вычитающего счетчика. Схема данного счетчика приведена на рис. 5. Для управления режимом счета служат сигналы «сумма» и «разность». Для режима суммирования «сумма»=лог.1, «0»-кратковременный лог.0; «разность»=лог.0, «1»-кратковременный лог.0. При этом элементы DD4.1 и DD4.3 разрешают подачу на тактовые входы триггеров DD1.2, DD2.1 через элементы DD5.1 и DD5.2 сигналов с прямых выходов триггеров DD1.1, DD1.2 соответственно. При этом элементы DD4.2 и DD4.4 закрыты, на их выходах присутствует лог.0, поэтому действие инверсных выходов никак не отражается на счетных входах триггеров DD1.2, DD2.1. Таким образом, реализуется операция суммирования. Для реализации операции вычитания на вход «сумма» подается лог.0, на вход «разность» лог.1. При этом элементы DD4.2, DD4.4 разрешают подачу на входы элементов DD5.1, DD5.2, а соответственно и на счетные входы триггеров DD1.2, DD2.1 сигналов с инверсных выходов триггеров DD1.1, DD1.2. При этом элементы DD4.1, DD4.3 закрыты и сигналы с прямых выходов триггеров DD1.1, DD1.2 никак не воздействуют на счетные входы триггеров DD1.2, DD2.1. Таким образом, реализуется операция вычитания.

Рис. 3 Последовательный реверсивный 3-х разрядный счетчик

Для реализации данных счетчиков также можно использовать триггеры, срабатывающие по переднему фронту счетных импульсов. Тогда при суммировании на счетный вход старшего разряда надо подавать сигнал с инверсного выхода соседнего младшего разряда, а при вычитании наоборот – соединять счетный вход с прямым выходом.

Недостаток последовательного счетчика – при увеличении разрядности пропорционально увеличивается время установки (tуст) данного счетчика. Достоинством является простота реализации.

Рис. 3 – Реверсивный счетчик

Для счетных импульсов предусмотрены два входа: “+1” – на увеличение, “-1” – на уменьшение. Соответствующий вход (+1 или -1) подключается ко входу С. Это можно сделать схемой ИЛИ, если влепить ее перед первым триггером (выход элемента ко входу первого триггера, входы – к шинам +1 и -1). Непонятная фигня между триггерами (DD2 и DD4) называется элементом И-ИЛИ. Этот элемент составлен из двух элементов И и одного элемента ИЛИ, объединенных в одном корпусе. Сначала входные сигналы на этом элементе логически перемножаются, потом результат логически складывается.

Число входов элемента И-ИЛИ соответствует номеру разряда, т. е. если третий разряд, то три входа, четвертый – четыре и т. д. Логическая схема является двухпозиционным переключателем, управляемым прямым или инверсным выходом предыдущего триггера. При лог. 1 на прямом выходе счетчик отсчитывает импульсы с шины “+1” (если они, конечно, поступает), при лог. 1 на инверсном выходе – с шины “-1”. Элементы И (DD6.1 и DD6.2) формируют сигналы переноса. На выходе >7 сигнал формируется при коде 111 (число 7) и наличии тактового импульса на шине +1, на выходе <0 сигнал формируется при коде 000 и наличии тактового импульса на шине -1.

Все это, конечно, интересно, но красивей смотрится в микросхемном исполнении:

Рис. 4 Четырехразрядный двоичный счетчик

Вот типичный счетчик с предустановкой. СТ2 означает, что счетчик двоичный, если он десятичный, то ставится СТ10, если двоично-десятичный – СТ2/10. Входы D0 – D3 называются информационными входами и служат для записи в счетчик какого-либо двоичного состояния. Это состояние отобразится на его выходах и от него будет производится начало отсчета. Другими словами, это входы предварительной установки или просто предустановки. Вход V служит для разрешения записи кода по входам D0 – D3, или, как говорят, разрешения предустановки. Этот вход может обозначаться и другими буквами. Предварительная запись в счетчик производится при подаче сигнала разрешения записи в момент прихода импульса на вход С. Вход С тактовый. Сюда запихивают импульсы. Треугольник означает, что счетчик срабатывает по спаду импульса. Если треугольник повернут на 180 градусов, т. е. задницей к букве С, значит он срабатывает по фронту импульса. Вход R служит для обнуления счетчика, т. е. при подаче импульса на этот вход на всех выходах счетчика устанавливаются лог. 0. Вход PI называется входом переноса. Выход p называется выходом переноса. На этом выходе формируется сигнал при переполнении счетчика (когда на всех выходах устанавливаются лог. 1). Этот сигнал можно подать на вход переноса следующего счетчика. Тогда при переполнении первого счетчика второй будет переключаться в следующее состояние. Выходы 1, 2, 4, 8 просто выходы. На них формируется двоичный код, соответствующий числу поступивших на вход счетчика импульсов. Если выводы с кружочками, что бывает намного чаще, значит они инверсные, т. е. вместо лог. 1 подается лог. 0 и наоборот. Более подробно работа счетчиков совместно с другими устройствами будет рассматриваться в дальнейшем.

Параллельный суммирующий счётчик

Принцип действия данного счетчика заключается в том, что входной сигнал, содержащий счетные импульсы, подается одновременно на все разряды данного счетчика. А установкой счетчика в состояние лог.0 или лог.1 управляет схема управления. Схема данного счетчика показана на рис.6

Рис. 4 Суммирующий счетчик параллельного действия

Разряды счетчика – триггеры DD1, DD2, DD3.

Схема управления – элемент DD4.

Достоинство данного счетчика – малое время установки, не зависящее от разрядности счетчика.

Недостаток – сложность схемы при повышении разрядности счетчика.

Счетчики с параллельным переносом

Для повышения быстродействия применяют способ одновременного формирования сигнала переноса для всех разрядов. Достигается это введением элементов И, через которые тактовые импульсы поступают сразу на входы всех разрядов счетчика.

Рис. 2 – Счетчик с параллельным переносом и графики, поясняющие его работу

С первым триггером все понятно. На вход второго триггера тактовый импульс пройдет только тогда, когда на выходе первого триггера будет лог. 1 (особенность схемы И), а на вход третьего – когда на выходах первых двух будет лог. 1 и т. д. Задержка срабатывания на третьем триггере такая же, как и на первом. Такой счетчик называется счетчиком с параллельным переносом. Как видно из схемы, с увеличением числа разрядов увеличивается число лог. элементов И, причем чем выше разряд, тем больше входов у элемента. Это является недостатком таких счетчиков.

Разработка принципиальной схемы

Формирователь импульсов

Формирователь импульсов – устройство, необходимое для устранения дребезга контактов, возникающего при замыкании механических контактов, который может привести к неправильной работе схемы.

На рисунке 9 приведены схемы формирователей импульсов от механических контактов.

Рис. 9 Формирователи импульсов от механических контактов.

Блок индикации

Для отображения результата счёта необходимо использовать светодиоды. Чтобы осуществить такой вывод информации можно воспользоваться простейшей схемой. Схема блока индикации на светодиодах приведена на рисунке 10.

Рис. 10 Блок индикации на светодиодах.

Разработка КСУ (комбинационной схемы управления)

Для реализации данного счётчика из серии ТТЛШ микросхем К555 я выбрал:

две микросхемы К555ТВ9 (2 JK-триггера с установкой)

одну микросхему К555ЛА4 (3 элемента 3И-НЕ)

две микросхемы К555ЛА3 (4 элемента 2И-НЕ)

одну микросхему К555ЛН1 (6 инверторов)

Данные микросхемы обеспечивают минимальное количество корпусов на печатной плате.

Составление структурной схемы счётчика

Структурная схема – совокупность блоков счётчика, выполняющих какую-либо функцию и обеспечивающих нормальную работу счётчика. На рисунке 7 показана структурная схема счётчика.

Рис. 7 Структурная схема счётчика

Блок управления выполняет функцию подачи сигнала и управления триггерами.

Блок счёта предназначен для изменения состояния счетчика и сохранения этого состояния.

Блок индикации выводит информацию для зрительного восприятия.

Составление функциональной схемы счётчика

Функциональная схема – внутренняя структура счётчика.

Определим оптимальное количество триггеров для недвоичного счётчика с коэффициентом счёта Кс=10.

M = log 2 (Кс) = 4.

M = 4 значит для реализации двоично-десятичного счётчика необходимо 4 триггера.

Простейшие одноразрядные счетчики импульсов

Простейшим одноразрядным счетчиком импульсов может быть JK-триггер и D-триггер, работающий в счетном режиме. Он считает входные импульсы по модулю 2-каждый импульс переключает триггер в противоположное состояние. Один триггер считает до двух, два соединенных последовательно считают до четырех, п триггеров-до 2n импульсов. Результат счета формируется в заданном коде, который может храниться в памяти счетчика или быть считанным другим устройством цифровой техники-дешифратором.

На рисунке показана схема трехразрядного двоичного счетчика импульсов, построенного на JK-триггер ax K155TB1. Смонтируйте такой счетчик на макетной панели и к прямым выходам триггеров подключите светодиодные (или транзисторные - с лампой накаливания) индикаторы, как это делали ранее. Подайте от испытательного генератора на вход С первого триггера счетчика серию импульсов с частотой следования 1 … 2 Гц и по световым сигналам индикаторов постройте графики работы счетчика.

Если в начальный момент все триггеры счетчика находились в нулевом состоянии (можно установить кнопочным выключателем SB1 «Уст.0», подавая на вход R триггеров напряжение низкого уровня), то по спаду первого же импульса (рис. 45,6) триггер DD1 переключится в единичное состояние-на его прямом выходе появится высокий уровень напряжения (рис. 45,в). Второй импульс переключит триггер DD1 в нулевое состояние, а триггер DD2-B единичное (рис. 45,г). По спаду третьего импульса триггеры DD1 и DD2 окажутся в единичном состоянии, а триггер DD3 все еще будет в нулевом. Четвертый импульс переключит первые два триггера в нулевое состояние, а третий в единичное (рис. 45,д). Восьмой импульс переключит все триггеры в нулевое состояние. По спаду девятого входного импульса начнется следующий цикл работы трехразрядного счетчика импульсов.

Изучая графики, нетрудно заметить, что каждый старший разряд счетчика отличается от младшего удвоенным числом импульсов счета. Так, период импульсов на выходе первого триггера в 2 раза больше периода входных импульсов, на выходе второго триггера - в 4 раза, на выходе третьего триггера - в 8 раз. Говоря языком цифровой техники, такой счетчик работает в весовом коде 1-2-4. Здесь под термином «вес» имеется в виду объем информации, принятой счетчиком после установки его триггеров в нулевое состояние. В устройствах и приборах цифровой техники наибольшее распространение получили четырехразрядные счетчики импульсов, работающие в весовом коде 1-2-4-8. Делители частоты считают входные импульсы до некоторого задаваемого коэффициентом счета состояния, а затем формируют сигнал переключения триггеров я нулевое состояние, вновь начинают счет входных импульсов до задаваемого коэффициента счета и т. д.

На рисунке показаны схема и графики работы делителя с коэффициентом счета 5, построенного на JK-триггерах Здесь уже знакомый вам трехразрядный двоичный счетчик дополнен логическим элементом 2Й-НЕ DD4.1, который и задает коэффициент счета 5. Происходит это так. При первых четырех входных импульсах (после установки триггеров в нулевое состояние кнопкой SB1 «Уст. 0») устройство работает как обычный двоичный счетчик импульсов. При этом на одном или обоих входах элемента DD4.1 действует низкий уровень напряжения, поэтому элемент находится в единичном состоянии.

По спаду же пятого импульса на прямом выходе первого и третьего триггеров, а значит, и на обоих входах элемента DD4.1 появляется высокий уровень напряжения, переключающий этот логический элемент а нулевое состояние. В этот момент на его выходе формируется короткий импульс низкого уровня, который через диод VD1 передается на вход R всех триггеров и переключает их в исходное нулевое состояние.

С этого момента начинается следующий цикл работы счетчика. Резистор R1 и диод VD1, введенные в этот счетчик, необходимы для того, чтобы исключить замыкание выхода элемента DD4.1 на общий провод.

Действие такого делителя частоты можете проверить, подавая на вход С первого его триггера импульсы, следующие с частотой 1… 2 Гц, и подключив к выходу триггера DD3 световой индикатор.

На практике функции счетчиков импульсов и делителей частоты выполняют специально разработанные микросхемы повышенной степени интеграции. В серии К155, например, это счетчики К155ИЕ1, К155ИЕ2, К155ИЕ4 и др.

В радиолюбительских разработках наиболее широко используют микросхемы К155ИЕ1 и К155ИЕ2. Условные графические обозначения этих микросхем-счетчиков с нумерацией их выводов показаны на рис. 47.

Микросхему К155ИЕ1 (рис. 47,а) называют декадным счетчиком импульсов, т. е. счетчиком с коэффициентом счета 10. Он содержит четыре триггера, соединенных между собой последовательно. Выход (вывод 5) микросхемы - выход ее четвертого триггера. Устанавливают все триггеры в нулевое состояние подачей напряжения высокого уровня одновременно на оба входа R (выводы 1 и 2), объединенные по схеме элемента И (условный символ «&»). Счетные импульсы, которые должны иметь низкий уровень, можно подавать на соединенные вместе входы С (выводы 8 и 9), также объединенные по И. или на один из них, если в это время на втором будет высокий уровень напряжения. При каждом десятом входном импульсе на выходе счетчик формирует равный по длительности входному импульс низкого уровня. Микросхема К155ИЕ2 (рис.48,б)

Двоично-десятичный четырехразрядный счетчик. В нем также четыре триггера, но первый из них имеет отдельные вход С1 (вывод 14) и отдельный прямой выход (вывод 12). Три других триггера соединены между собой так, что образуют делитель на 5. При соединении выхода первого триггера (вывод 12) со входом С2 (вывод 1) цепи остальных триггеров микросхема становится делителем на 10 (рис. 48, а), работающем в коде 1-2-4-8, что и символизируют цифры у выходов графического обозначения микросхемы. Для установки триггеров счетчика в нулевое состояние подают на оба входа R0 (выводы 2 и 3) напряжение высокого уровня.

Два объединенных входа R0 и четыре разделительных выхода микросхемы К155ИЕ2 позволяют без дополнительных элементов строить делители частоты с коэффициентами деления от 2 до 10. Так, например, если соединить между собой выводы 12 и 1, 9 и 2, 8 н 3 (рис. 48,6), то коэффициент счета будет 6, а при соединении выводов 12 и 1, 11,. 2 и 3 (рис. 48,в) коэффициент счета станет 8. Эта особенность микросхемы К155ИЕ2 позволяет использовать ее и как двоичный счетчик импульсов, и как делитель частоты.

Цифровой счетчик импульсов – это цифровой узел, который осуществляет счет поступающих на его вход импульсов. Результат счета формируется счетчиком в заданном коде и может храниться требуемое время. Счетчики строятся на триггерах, при этом количество импульсов, которое может подсчитать счетчик определяется из выражения N = 2 n – 1, где n – число триггеров, а минус один, потому что в цифровой технике за начало отсчета принимается 0. Счетчики бывают суммирующие, когда счет идет на увеличение, и вычитающие – счет на уменьшение. Если счетчик может переключаться в процессе работы с суммирования на вычитание и наоборот, то он называется реверсивным.

Счетчик импульсов — это последовательностное цифровое устройство, обеспечивающее хранение слова информации и выполнение над ним микрооперации счета, заключающейся в изменении значения числа в счетчике на 1. По существу счетчик представляет собой совокупность соединенных определенным образом триггеров. Основной параметр счетчика — модуль счета. Это максимальное число единичных сигналов, которое может быть сосчитано счетчиком. Счетчики обозначают через СТ (от англ. counter).

Счетчики импульсов классифицируют

● по модулю счета:
. двоично-десятичные;
. двоичные;
. с произвольным постоянным модулем счета;
. с переменным модулем счета;
. по направлению счета:
. суммирующие;
. вычитающие;
. реверсивные;
● по способу формирования внутренних связей:
. с последовательным переносом;
. с параллельным переносом;
. с комбинированным переносом;
. кольцевые.

Суммирующий счетчик импульсов

Рассмотрим суммирующий счетчик (рис. 3.67, а ). Такой счетчик построен на четырех JK-триггерах, которые при наличии на обоих входах логического сигнала «1» переключаются в моменты появления на входах синхронизации отрицательных перепадов напряжения.

Временные диаграммы, иллюстрирующие работу счетчика, приведены на рис. 3.67, б . Через К си обозначен модуль счета (коэффициент счета импульсов). Состояние левого триггера соответствует младшему разряду двоичного числа, а правого — старшему разряду. В исходном состоянии на всех триггерах установлены логические нули. Каждый триггер меняет свое состояние лишь в тот момент, когда на него действует отрицательный перепад напряжения.

Таким образом, данный счетчик реализует суммирование входных импульсов. Из временных диаграмм видно, что частота каждого последующего импульса в два раза меньше, чем предыдущая, т. е. каждый триггер делит частоту входного сигнала на два, что и используется в делителях частоты.

Трехразрядный вычитающий счетчик с последовательным переносом

Рассмотрим трехразрядный вычитающий счетчик с последовательным переносом, схема и временные диаграммы работы которого приведены на рис. 3.68.
{xtypo_quote}В счетчике используются три JK-триггера, каждый из которых работает в режиме Т-триггера (триггера со счетным входом).{/xtypo_quote}

На входы J и К каждого триггера поданы логические 1, поэтому по приходу заднего фронта импульса, подаваемого на его вход синхронизации С, каждый триггер изменяет предыдущее состояние. Вначале сигналы на выходах всех триггеров равны 1. Это соответствует хранению в счетчике двоичного числа 111 или десятичного числа 7. После окончания первого импульса F первый триггер изменяет состояние: сигнал Q 1 станет равным 0, a ¯ Q 1 − 1.

Остальные триггеры при этом свое состояние не изменяют. После окончания второго импульса синхронизации первый триггер вновь изменяет свое состояние, переходя в состояние 1, (Q x = 0). Это обеспечивает изменение состояния второго триггера (второй триггер изменяет состояние с некоторой задержкой по отношению к окончанию второго импульса синхронизации, так как для его опрокидывания необходимо время, соответствующее времени срабатывания его самого и первого триггера).

После первого импульса F счетчик хранит состояние 11О. Дальнейшее изменение состояния счетчика происходит аналогично изложенному выше. После состояния 000 счетчик вновь переходит в состояние 111.

Трехразрядный самоостанавливающийся вычитающий счетчик с последовательным переносом

Рассмотрим трехразрядный самоостанавливающийся вычитающий счетчик с последовательным переносом (рис. 3.69).

После перехода счетчика в состояние 000 на выходах всех триггеров возникает сигнал логического 0, который подается через логический элемент ИЛИ на входы J и К первого триггера, после чего этот триггер выходит из режима Т-триггера и перестает реагировать на импульсы F.

Трехразрядный реверсивный счетчик с последовательным переносом

Рассмотрим трехразрядный реверсивный счетчик с последовательным переносом (рис. 3.70).

В режиме вычитания входные сигналы должны подаваться на вход Т в. На вход Т с при этом подается сигнал логического 0. Пусть все триггеры находятся в состоянии 111. Когда первый сигнал поступает на вход Т в, на входе Т первого триггера появляется логическая 1, и он изменяет свое состояние. После этого на его инверсном входе возникает сигнал логической 1. При поступлении второго импульса на вход Т в на входе второго триггера появится логическая 1, поэтому второй триггер изменит свое состояние (первый триггер также изменит свое состояние по приходу второго импульса). Дальнейшее изменение состояния происходит аналогично. В режиме сложения счетчик работает аналогично 4-разрядному суммирующему счетчику. При этом сигнал подается на вход Т с. На вход Т в подается логический 0.
В качестве примера рассмотрим микросхемы реверсивных счетчиков (рис: 3.71) с параллельным переносом серии 155 (ТТЛ):
● ИЕ6 — двоично-десятичный реверсивный счетчик;
● ИЕ7 — двоичный реверсивный счетчик.

Направление счета определяется тем, на какой вывод (5 или 4) подаются импульсы. Входы 1, 9, 10, 15 — информационные, а вход 11 используется для предварительной записи. Эти 5 входов позволяют осуществить предварительную запись в счетчик (предустановку). Для этого нужно подать соответствующие данные на информационные входы, а затем подать импульс записи низкого уровня на вход 11, и счетчик запомнит число. Вход 14 — вход установки О при подаче высокого уровня напряжения. Для построения счетчиков большей разрядности используются выходы прямого и обратного переноса (выводы 12 и 13 соответственно). С вывода 12 сигнал должен подаваться на вход прямого счета следующего каскада, а с 13 — на вход обратного счета.

СЧЁТЧИК НА МИКРОКОНТРОЛЛЕРЕ

Во многих устройствах техники и автоматики всё ещё установлены механические счетчики. Они считают количество посетителей, продукцию на конвейере, витки провода в намоточных станках и так далее. В случае выхода из строя найти такой механический счетчик непросто, а отремонтировать невозможно ввиду отсутствия запчастей. Предлагаю заменить механический счетчик электронным с использованием микроконтроллера PIC16F628A.

Электронный счетчик получается слишком сложным, если строить его на микросхемах серий К176, К561. особенно если необходим реверсивный счет. Но можно построить счетчик всего на одной микросхеме — универсальном микроконтроллере PIC16F628A, имеющем в своем составе разнообразные периферийные устройства и способном решать широкий круг задач.

Вот и недавно меня попросил человек сделать счётчик импульсов на много разрядов. Я отказался от светодиодных индикаторов, так как они занимают много места и потребляют немало энергии. Поэтому реализовал схему на LCD. Счётчик на микроконтроллере может замерять входные импульсы до 15 знаков разрядности. Два первых разряда отделены точкой. EEPROM не использовалась, потому что не было необходимости запоминать состояние счётчика. Так-же имеется функция обратного счёта - реверса. Принципиальная схема простого счетчика на микроконтроллере:

Счетчик собран на двух печатных платах из фольгированного стеклотекстолита. Чертёж приведён на рисунке.

На одной из плат установлены индикатор LCD, на другой — 4 кнопки, контроллер и остальные детали счетчика, за исключением блока питания. Скачать платы и схему счётчика в формате Lay, а так-же прошивку микроконтроллера можно на форуме. Материал предоставил Samopalkin.

В данном примере применения описывается, как реализовать электронный счетчик электроэнергии на микроконтроллере серии MSP430FE42x. Документ содержит описание некоторых основополагающих принципов и рекомендации по использованию микроконтроллеров серии MSP430FE42x, а также рисунки печатных плат и демонстрационные версии программ.

1 Введение

В данном примере применения описаны схема электрическая принципиальная и программное обеспечение электронного счетчика электроэнергии на микроконтроллере семейства MSP430FE42x. В качестве дополнения предполагается использовать руководство пользователя модуля ESP430CE1.

Микроконтроллеры семейства MSP430FE42x со встроенным сигнальным процессором ESP430CE1 для однофазного счетчика электроэнергии со встроенным аналоговым входным терминалом и температурным датчиком были разработаны специально для использования в устройствах измерения потребляемой мощности. ESP430CE1 выполняет большинство действий по измерению потребления электроэнергии автоматически, не используя ресурсы вычислительного ядра. Это позволяет сохранить ресурсы вычислительного ядра для использования их в других задачах, например для осуществления связи с другими устройствами. ESP430CE1 может работать с различными токовыми датчиками. В качестве токового датчика он может использовать Роговского без дополнительных внешних компонентов шунт, токовые трансформаторы (СТ), включая трансформаторы со связью по постоянному току и большим фазовым сдвигом, или катушки индуктивности. Все параметры могут быть настроены программно, а калибровочные константы могут быть сохранены во Flash памяти микроконтроллера MSP430 и переданы ESP430CE1 при инициации системы.

2 Аппаратная часть

Схема монтажной платы и блок-схема устройства приведены в приложении А и описываются в нижеследующих разделах данного примера применения. Монтажная плата может использоваться с токовыми трансформаторами или шунтами и может быть перестроена. Такая монтажная плата выпускается компанией Softbaugh и имеет серийный номер для заказа DE427. Заказать ее можно на сайте компании Softbaugh, адрес которого в интерненте www.softbaugh.com .

Подключение каналов V1, I1 и I2 показаны на схеме, приведенной в приложении А.

2.1 Использование шунта в качестве преобразователя тока

Рисунок 1. Блок-схема подключения шунта к двухпроводной однофазной сети

2.2 Использование CT в качестве преобразователя тока

Рисунок 2. Блок-схема подключения CT к двухпроводной однофазной сети

2.3 Подключение CT и шунта в качестве преобразователя тока, позволяющее обнаруживать несанкционированного подключения

Рисунок 3. Блок-схема подключения шунта и CT к двухпроводной однофазной сети, позволяющее обнаруживать несанкционированное подключение

2.4 Подключение CT для подключения к трехпроводным однофазным сетям, применяемым в США

Рисунок 4. Блок-схема ANSI электросчетчика, использующегося в трехпроводных однофазных сетях

2.5 Подключение входов датчиков напряжения

Печатная плата оснащена делителем напряжения, рассчитанным на работу в сетях со среднеквадратическим значением напряжения 230 В. Также она содержит схему защиты, рассчитанную на это напряжение.

Емкостной источник питания способен обеспечивать ток потребления до 4 мА. Необходимо обеспечить, чтобы ток потребления не превысил это допустимое значение. Для этого в демонстрационной схеме был использован светодиод с низким током свечения.

2.6 Подключение входов датчиков тока

На печатной плате имеется место для монтажа SMD резистора, используемого в качестве нагрузки для токового трансформатора, но этот резистор не установлен в поставляемой плате. Замечание: нагрузочный резистор для СТ не установлен, но при подключении СТ его необходимо установить, иначе MSP430 будет поврежден.

2.7 Сглаживающий фильтр

В качестве сглаживающего фильтра рекомендуется использовать резистор номиналом 1 кОм, подключенный последовательно ко входу АЦП, и конденсатор номиналом 33 нФ, подключенный между входом преобразователя и землей. Для исключения влияния синфазных помех рекомендуется использовать сглаживающие фильтры в обоих каналах токового преобразователя.

2.8 Неиспользуемые каналы АЦП

Неиспользуемые каналы АЦП не должны быть ни к чему подключены.

3 Расчет констант для измерителя ESP430CE1

Измерителю необходимы константы, соответствующие примененным трансформаторам и/или шунтам. В данном разделе показан расчет констант для измерителя ESP430CE1.

3.1 Коэффициент преобразования по напряжению

Коэффициент преобразования по напряжению, в соответствии с которым пересчитывается реальное входное напряжение во входное напряжение модуля ESP430CE1 рассчитывается по приведенным ниже формулам:

V(inp.max) = VoltageGain x V (Line, Nom.) x sqrt(2) x R2 /(R1 + R2)
kV1 = Voltage (Line, nominal) x 2 x sqrt(2) / (2 15 x (1- (Vref – V(inp.max) x 2)/Vref))

3.2 Коэффициент преобразования по току для шунта

Коэффициент преобразования по току для шунта, в соответствии с которым пересчитывается реальный входной ток в ток модуля ESP430CE1 рассчитывается по приведенным ниже формулам:

V(I, inp.max) = CurrentGain x Imax x R(Shunt) x sqrt(2)

3.3 Коэффициент преобразования по току для трансформатора тока

Коэффициент преобразования по току для трансформатора тока, в соответствии с которым пересчитывается реальный входной ток в ток модуля ESP430CE1 рассчитывается по приведенным ниже формулам:

V(I, inp.max) = CurrentGain x Imax / CTRatio x R(Burden) x sqrt(2)
kI1 = Current (Line, nominal) x 2 x sqrt(2) / (2 15 x (1- (Vref – V(I, inp.max) x 2)/Vref))

3.4 Уровень прерывания по мощности

Уровень прерывания по мощности ESP430CE1 рассчитывается по следующей формуле:

InterruptLevel = Pulses/kWh x (1000 / 3600) x fADC / (kV1 x kI1 x 4096)

Pulses/kWh определяет сколько прерываний на каждый кВт*ч будет сформировано.

4 Калибровка измерителя

Калибровка электронного счетчика электроэнергии на базе микроконтроллера семейства MSP430 при помощи обычной калибровочной аппаратуры, используемой для калибровки обычных электросчетчиков, возможна, но неэффективна. Вычислительная мощность MSP430 позволяет делать это другими методами, которые приведены ниже.

Основная калибровка может быть инициализирована при помощи команды с0, переданной через UART. Для выполнения этой команды необходимо в файле parameter.h определить входные значения следующих параметров:

- calVoltage
- calCurrent
- calPhi
- calCosPhi
- calFreq

Калибровка фазового сдвига между током и напряжением должна быть выполнена с точностью 0.5 градуса, так как ошибка фазового сдвига, возникающая в датчиках, превышает это значение, поэтому более высокая точность не может быть достигнута.

Для калибровки счетчика электроэнергии необходимо разделить тракты измерения тока и напряжения. Это позволяет выполнить калибровку с малыми потерями энергии и определить величины напряжения, тока и фазового сдвига. На рисунке 5 показана схема включения электросчетчика при калибровке.

Рисунок 5. Электронный счетчик электроэнергии на MSP430 с внешними терминалами

4.1 Калибровка при непрерывном измерении

Нормальный рабочий режим ESP430CE1 устанавливается путем посылки вычислительным ядром команды SetMode. Величина измеренной мощности, записанная после каждого измерения в регистр ActEnSPer1 (и в регистр ActEnSPer2 для систем с двумя датчиками), преобразуется вычислительным ядром в сигнал с постоянной частотой, пропорциональный измеренной мощности. Для формирования сигнала с постоянной частотой может быть использован модуль таймера Timer_A.

При калибровке выполняются следующие действия:

• Вычислительное ядро устанавливает в нулевом контрольном регистре ESP430CE1 флаги Curr_I1, Curr_I2, соответствующие режиму измерения.
• Регистры параметров инициализируются для измерения мощности в нагрузке. Выполняется это при помощи команды SET_PARAM.
• После получения команды mSet_Mode ESP430CE1 переходит в режим измерения электроэнергии.
• Первый результат измерения, находящийся ActEnSPer1 (и ActEnSPer2 в системах с двумя датчиками), не используется, так как неизвестна точка начала.
• Следующие результаты измерений, находящиеся в ActEnSPer1 (и ActEnSPer2 в системах с двумя датчиками) являются правильными и используются для вычислений.
• Флаг St_ZCld в нулевом регистре состояния указывает, что при следующей доступной выборке (флаг St_NEVal установлен), новые результаты измерения за прошлый период доступны в регистрах ActEnSPer1 и ActEnSPer2.
• Вычислительное ядро сбрасывает флаг St_NEVal при помощи команды mCLR_EVENT и выполняет считывание данных (см. описание алгоритма считывания ниже).
• Если необходимо, например, для вычисления результата за больший период, последние четыре пункта повторяются.

Вышеупомянутые шаги повторяются и во второй калибровочной точке.

Калибровка обоих датчиков должна быть выполнена независимо. При калибровке одного датчика измерителя ток через второй датчик должен быть нулевым. И наоборот.

4.1.1 Формулы

Калибровка производится за один основной период (или за nper основных периодов) при двух токах нагрузки I1HI и I1LO. Номинальная вычисленная мощность для двух точек калибровки:

nHIcalc = Cz1 x I1HI x V1 x cos?1 x (nper / fmains) x (fADC / 4096) [шаги 2 ]
nLOcalc = Cz1 x I1LO x V1 x cos?1 x (nper / fmains) x (fADC / 4096) [шаги 2 ]

Результирующие значения для наклона и смещения:

Наклон: GainCorr1 = ((nHIcalc – nLOcalc) / (nHImeas – nLOmeas)) x 2 14
Смещение: Poffset = (((nHImeas x nLOcalc) – (nLOmes – nHIcalc)) / (nHImeas – nLOmeas)) x (fmains / nper) x (4096 / fADC),

где fmains – основная частота в Гц;

fADC – частота дискретизации АЦП в Гц (обычно 4096 Гц);
nper – количество основных периодов, использованных при калибровке;
nHIclac – вычисленная мощность в точке калибровки с высоким током в шагах в квадрате;
nHImaes – измеренная мощность в точке калибровки с высоким током в шагах в квадрате;
nLOclac – вычисленная мощность в точке калибровки с низким током в шагах в квадрате;
nLOmaes – измеренная мощность в точке калибровки с низким током в шагах в квадрате;

4.1.2 Пример калибровки

Для схемы, показанной на рисунке 1, калибровка производится при следующих условиях:

V1 = 230 В, I1HI= 20 A, I1LO = 1 A, cos?1 = 1, nper = 1, fADC = 2048 Гц, fmains = 50 Гц.

nHIcalc = Cz1 x I1HI x V1 x cos?1 x (nper / fmains) x (fADC / 4096) = 29,322.80806 x 20 х 230 х 1 х (1 / 50) х (2048 / 4096) = 1,348,849.171 = 14,94F1h [шагов 2 ]
nLOcalc = Cz1 x I1LO x V1 x cos?1 x (nper / fmains) x (fADC / 4096) = 29,322.80806 x 1 х 230 х 1 х (1 / 50) х (2048 / 4096) = 67,422.458 = 1,0772h [шагов 2 ]

Результат измерения в обеих точках:

n1Himeas = 14,6040h (ошибка -1 % по сравнению с n1Hicalc = 14,94F1h)
n1Lomeas = 1,0CB7h (ошибка +2 % по сравнению с n1Localc = 1,0772h)

GainCorr1 = ((nHIcalc – nLOcalc) / (nHImeas – nLOmeas)) x 2 14 = ((14,94F1h – 1,0772h) / (14,6040h – 1,0CB7h)) x 2 14 = 40С0h

Poffset = (((nHImeas x nLOcalc) – (nLOmes – nHIcalc)) / (nHImeas – nLOmeas)) x (fmeins / nper) x (4096 / fADC) = (((14,6040h x 1,0772h) – (1,0CB7h – 14,94F1h)) / (14,6040h – 1,0CB7h)) x (50 / 1) x (4096 / 2048) = -215,489 = FFFC,B63Fh

Если точки калибровки исправить с учетом наклона и смещения, тогда:

ncorr = (nmeas x GainCorr1)) x 2-14 + (Poffset1) x (nper / fmains) x (fADC / 4096) nHIcorr = 14,6040h x 40C0h x 2-14 +FFFC,B63Fh x ((1 x 2048) / (50 x 4096)) = 1,348,890 = 14,951Ah nLOcorr = 1,0CB7h x 40C0h x 2-14 +FFFC,B63Fh x ((1 x 2048) / (50 x 4096)) = 67,441 = 1,0771h

Результирующая ошибка при обеих коррекциях равняется +3.1 Е-5, т.е. 31 ppm.

4.2 Калибровка при помощи ПК

На рисунке 6 показан один из возможных вариантов установки для калибровки электронных счетчиков электроэнергии. Электросчетчики подключены к последовательному порту ПК через последовательный порт USART0, работающий в режиме UART или SPI. Все необходимые для калибровки вычисления выполняются ПК, а MSP430 каждого электросчетчика только запоминает полученные корректировочные величины во встроенной памяти данных или внешней EEPROM памяти.

ПК управляет калибровочной установкой, состоящим из генератора напряжения, генератора тока и фазовращателя, через коммуникационный интерфейс. ПК считывает результаты умножения напряжения и тока, вычисленные встроенными АЦП (или количество импульсов Ws на выходе каждого электросчетчика) и сравнивает это значение со значением, полученным эталонным электросчетчиком, который является частью калибровочной аппаратуры. ПК вычисляет ошибку электросчетчика в одной (например, при номинальном токе) или двух (например, при максимальном и номинальном токе потребления) точках калибровки. По результатам этих ошибок вычисляются индивидуальные корректировочные коэффициенты для наклона и угла смещения и передаются в конкретный электросчетчик, в котором микроконтроллер MSP430 сохраняет эти значения.

Рисунок 6. Калибровка электронных электросчетчиков при помощи ПК

Формулы для вычисления значений калибровочных констант приведены в руководстве пользователя модуля ESP430CE1.

4.3 Самокалибровка

Другой метод калибровки использует способность MSP430 выполнять сложные вычисления. Основное преимущество этого метода калибровки - это простота: Для передачи данных при этом методе не требуется никаких проводных соединений (см. рисунок 7). Уравнения исправления ошибок, используемые измерителем во время теста, такие же, как и приведенные в приведенном выше разделе "Калибровка при непрерывном измерении".

• Измеритеи, которые будут калиброваться, переводятся в режим калибровки при помощи скрытого переключателя, UART, ключа, входного импульса и т.д.
• ПК включает калибровочную аппаратуру, которая отдает определенное количество энергии, измеряемое при помощи эталонного измерителя, калибруемым электросчетчикам..
• Электросчетчики измеряют выданное количество энергии и вычисляют значение электропотребления WEM1 для 100 % номинального тока Inom.
• После этого калибровочная аппаратура отключается (I = 0, U = 0). Это позволяет при необходимости вычислить и измерить смещение самого АЦП.
• ПК включает калибровочную аппаратуру, которая снова отдает электросчетчикам определенное количество электроэнергии (например 5 % Inom, 100 % Vnom, cos?=1). После этого аппаратура снова отключается (i = 0, U = 0).
• Счетчики снова измеряют электроэнергию и вычисляют значение WEM0 для 5 % номинального тока Inom.
• По двум значениям WEM1 и WEM0, найденным для 100 % и 5 % номинального тока Inom, электросчетчики вычисляют индивидуальные величины смещения и наклона.
• После калибровки можно провести простой визуальный тест:
  - для обнуления индикаторов электросчетчики сбрасываются - калибровочная аппаратура выдает точно определенное количество энергии (при различных значениях тока, напряжения и cos?) - Визуально проверяется, чтобы на всех электросчетчиках отображалось одинаковая величина измеренного значения потребленной энергии - По показаниям ЖКИ можно определить, что рассчитанные коэффициент наклона и смещения выходят за допустимые пределы.

Пример: если провести калибровку при следующих параметра:

• 10 000 Ws (100 % Inom, 100 % Vnom, cos? = 1)
• 5 000 Ws (100 % Inom, 100 % Vnom, cos? = 0.5)

калибруемые электросчетчики должны показать значение Ws, равное 15 900 ± допустимая точность. Если вычисленное значение выходит за допустимые пределы, то электросчетчик признается не прошедшим калибровку.

Рисунок 7. Самокалибровка электросчетчиков

5 Емкостной источник питания

На рисунке 8 показан емкостной источник питания, формирующий одно напряжение Vcc = +3 В. Если его выходного тока недостаточно, то можно использовать выходной буфер на базе NPN транзистора.

Уравнения для разработки приведенных ниже источников питания приводятся в разделе 3.8.3.2 "Емкостной источник питания" примера применения SLAA024. В данной главе описываются другие источники питания и уравнения для их расчета.

Рисунок 8. Емкостной источник питания

5.1 Детектор обнаружения отключения/включения линейного напряжения

Так как детектор падения напряжения ESP430CE1 объединен со счетчиком циклов линейного напряжения, то при пропадании линейного напряжения он не работает. Для обнаружения этого можно отслеживать нахождение VRMS в течение определенного интервала времени ниже заданного порога или использовать внешнюю цепь для детектирования отключения линейного питания. При использовании внешней цепи для снижения потребления можно отключать модуль ESP430CE1.

Рисунок 9. Детектирование наличия линейного напряжения

6.1 Заземление

Правильная трассировка печатной платы очень важна для систем, использующих АЦП с высоким разрешением. Ниже приведены основные рекомендации по трассировке плат.

1. Использование, по возможности, отдельных шин аналоговой и цифровой "земли".

2. Максимально толстые дорожки от источника питания до выводов DVSS, AVSS, DVCC, и AVCC.

3. Установка конденсатора в точке схождения всех линий аналоговой "земли". Установка конденсатора в точке схождения всех цифровых "земель".

4. Конденсатор Cb следует расположить в точке схождения всех шин питания. Это необходимо для обеспечения низкого полного сопротивлению этого конденсатора.

5. AVSS и DVSS терминалы должны быть внешне соединены вместе.

6. AVCC и DVCC терминалы должны быть внешне соединены вместе.

7. Источник питания и накопительный конденсатор Cb должны быть расположен максимально близко друг к другу. Между выводами, подключенным к шинам аналогового и цифрового питания, должны быть установлены конденсаторы Ca и Cb.

8. Для развязки шин аналогового и цифрового питания необходимо использовать катушку индуктивности L. Также можно использовать и резистор, но при использовании катушки индуктивности обеспечивается лучшая фильтрация высоких частот.

9. Если по периметру печатной платы проходит дорожка, то она должна быть подключена к заземляющей шине платы.

Рисунок 10. Заземление аналого-цифрового преобразователя

6.2 Чувствительность к ЭМИ

На рисунке 11 упрощенно показана не оптимальная трассировка: серым выделены участки, способные принимать внешние наводки от внешних источников ЭМИ. Для снижения влияния внешних источников ЭМИ эти участи по площади должны быть минимальными.

Рисунок 11. Трассировка платы, чувствительной к внешним ЭМИ

На рисунке 12 показана печатная плата, имеющая оптимальную трассировку. Участки, являющиеся приемниками ЭМИ, имеют минимальную площадь.

Рисунок 12. Трассировка печатной платы, имеющей минимальную чувствительность к ЭМИ

7 Демонстрационная программа

7.1 Инициализация аналогового терминала

При отключенном модуле ESP430CE1, Вычислительное ядро MSP430 имеет доступ к модулю SD16 модулю. Сначала вычислительное ядро MSP430 должно сделать инициацию входного аналогового терминала. При этом производится установка коэффициента усиления, частоты дискретизации и частоты генератора синхроимпульсов для SD16:

//==================================================================== /** * Подпрограмма инициализации аналогового терминала. * * Настройка модуля сигма-дельта АЦП в качестве аналогового терминала для * резистивного счетчика, определяющего несанкционированное подключение, * использующего токовый трансформатор и шунт в качестве токового датчика * (см. настройку каналов 0 и 1). */ void init_analog_front_end(void) { /** * Сначала проверяется, что встроенный сигнальный процессор отключен, * в противном случае будет невозможно изменить данные в регистре SD16. * */ ESPCTL &= ~ESPEN; /** * После этого выполняются основные настройки аналогового терминала, * которые относятся ко всем каналам: выбор синхроимпульсов (SMCLK), * параметров делителя (в зависимости от частоты SMCLK) и опорного * напряжения. */ SD16CTL= SD16SSEL_1 // Выбор синхроимпульсов: SMCLK // SD16CTL = 0x800 + SD16SSEL_1 // Clock Выбор синхроимпульсов: SMCLK + (Amp:) #if (MCLK_FREQ == 2) | SD16DIV_1 // деление на 2 => Частота синхроимпульсов АЦП: 1.094 МГц #endif #if (MCLK_FREQ == 4) | SD16DIV_2 // деление на 4 => Частота синхроимпульсов АЦП: 1.094 МГц #endif #if (MCLK_FREQ == 8) | SD16DIV_3 // деление на 8 => Частота синхроимпульсов АЦП: 1.094 МГц #endif | SD16REFON; // Использование встроенного ИОН SD16CCTL0 = SD16INCH_0; // I1 SD16CCTL1 = SD16INCH_0; // I2 SD16CCTL2 = SD16INCH_0; // V SD16CONF0 |= 0x70; // SD16CONF1 |= 0x68; // Задержка синхроимпульсов АЦП 40 нс // =================================================================== /** * - Выбор коэффициента усиления АЦП: * - VIN,MAX(GAIN = 1) = 0.5V > VCT(пиковое) * - VIN,MAX(GAIN = 2) = 0.25V < VCT(пиковое) * - VIN,MAX(GAIN = 16) = 0.031V > VShunt(пиковое) * - VIN,MAX(GAIN = 32) = 0.015V < VShunt(пиковое) */ // =================================================================== // Настройка нулевого канала аналогового терминала - Ток 1 SD16INCTL0= I1_Gain; // Установка коэффициента усиления для нулевого канала (I1) SD16CCTL0 |= SD16OSR_256; // Установка коэффициента дискретизации = 256 (по умолчанию) // =================================================================== // Настройка первого канала - Ток 2 SD16INCTL1= I2_Gain; // Установка коэффициента усиления первого канала (I2) SD16CCTL1 |= SD16OSR_256; // Установка коэффициента дискретизации = 256 (по умолчанию) // =================================================================== // Настройка второго канала - Напряжение SD16INCTL2= V_Gain; // Установка коэффициента (V) SD16CCTL2 |= SD16OSR_256; // Установка коэффициента дискретизации = 256 (по умолчанию) /** * \Замечание * Пожалуйста запомните, что коэффициент дискретизации для всех каналов должен * быть идентичным. По умолчанию он равен 256. */ } // Конец init_analog_front_end()

7.2 Инициализация электросчетчика

Перед использованием ESP430CE1 надо настроить. Пример подпрограммы настройки модуля:

//==================================================================== /** * Инициализация ESP430CE1. * */ void init_esp_parameter(unsigned char flashvars) { volatile unsigned int timeout; // /\ Предотвращение "оптимизации" переменных. // Копирование значений инициализации в ОЗУ if (flashvars) s_parameters = s_parameters_flash; /** * Проверяем, что встроенный сигнальный процессор * активизирован, */ ESPCTL |= ESPEN; MBCTL = 0; /** * и не находится в режиме измерения или калибровки, */ if ((RET0 & 0x8000) != 0) { // Перевод встроенного сигнального процессора в режим ”Idle” MBOUT1= modeIDLE; // ESP_IDLE; MBOUT0= mSET_MODE; timeout= 0xffff; while (((RET0 & 0x8000) != 0) && (timeout?? > 0)) ; } /** * и готов принять сообщение, запрашивающее * версию программного обеспечения. */ MBOUT0= mSWVERSION; timeout= 0xffff; do { while (((MBCTL & IN0IFG) == 0) && (timeout?? > 0)) ; if (timeout == 0) { display_error(); return; } } while (MBIN0 != mSWRDY); firmware_version= MBIN1; // Запись версии программы. /** * После этого производится инициализация параметров. * * Control 0: выполняется установка для: * - Канал измерения тока I2 ? детектирования несанкционированного подключения * - Расчет абсолютного значения активной энергии * (отрицательная энергия расценивается как несанкционированное подключение) * - Переключение алгоритма для удаления постоянной составляющей тока I1 * - Переключение алгоритма для удаления постоянной составляющей тока I2 */ set_parameter(mSET_CTRL0, defSET_CTRL0); /** * \установка номера измерения: * т.е. 4096 * 50Hz. => прерывание раз в секунду */ set_parameter(mSET_INTRPTLEVL_LO, s_parameters.pSET_INTRPTLEVL.w); set_parameter(mSET_INTRPTLEVL_HI, s_parameters.pSET_INTRPTLEVL.w); /** * Номинальная основная частота: * т.е. 50 Гц. */ set_parameter(mSET_NOMFREQ, defSET_NOMFREQ); /** * Коррекция фазовой ошибки: * Установка фазовой ошибки для тока 1/2 от номинальной основной частоты для * токового трансформатора по его техническим характеристикам * Фазовая ошибка шунта равна нулю. */ set_parameter(mSET_PHASECORR1, (int)s_parameters.pSET_PHASECORR1); set_parameter(mSET_PHASECORR2, (int)s_parameters.pSET_PHASECORR2); /** Настройка параметров для двух токов: * Токовый трансформатор: * * Имеется две возможности настройки значений двух * токов: */ set_parameter(mSET_ADAPTI1, defSET_ADAPTI1); // = 1 * POW_2_14 = 16384 set_parameter(mSET_ADAPTI2, defSET_ADAPTI2); // = 1 * POW_2_14 = 16384 /** Установка настроенного коэффициента усиления: */ set_parameter(mSET_GAINCORR1, s_parameters.pSET_GAINCORR1); set_parameter(mSET_GAINCORR2, s_parameters.pSET_GAINCORR2); /** Установка настроенного смещения: */ set_parameter(mSET_V1OFFSET, s_parameters.pSET_V1OFFSET); set_parameter(mSET_I1OFFSET, s_parameters.pSET_I1OFFSET); set_parameter(mSET_I2OFFSET, s_parameters.pSET_I2OFFSET); // set_parameter(mSET_POFFSET1_LO, s_parameters.pSET_POFFSET1_LO); // set_parameter(mSET_POFFSET1_HI, s_parameters.pSET_POFFSET1_LO); /** Настроенные параметры становятся текущими: */ #if withStartCurrent == 1 set_parameter(mSET_STARTCURR_INT, s_parameters.pSET_STARTCURR_INT); set_parameter(mSET_STARTCURR_FRAC, s_parameters.pSET_STARTCURR_FRAC); #else set_parameter(mSET_STARTCURR_INT, 0); set_parameter(mSET_STARTCURR_FRAC, 0); #endif /** Параметры регулировки для периода удаления постоянной составляющей: */ set_parameter(mSET_DCREMPER, defSET_DCREMPER); } // End of init_esp_parameter()} // Конец подпрограммы init_esp_parameter()

7.3 Программа Demo 1

Demo 1 – простая демонстрационная программа, которая инициализирует ESP430CE1 для измерения электрической энергии и вывода результата на индикатор. При этом происходит мигание светодиода. Эта программа может работать с отладочным комплектом Kickstart производства компании IAR.

Ниже приведены файлы демонстрационной программы их назначение:

Файл	Назначение и функции
Main.c	Управляет инициализаций системы и вызывает функции для индикации обновленного значения, запрашиваемого подпрограммами обработки прерывания: Init FLL and System Clock Init Basic Timer and Real time Clock Init LCD Init analog front end Init ESP430CE1 Parameters Start Measurement
FET4xx_RTCwLCD.s43	Основная подпрограмма для обслуживания ЖКИ и RTC
Display.c	Подпрограмма высокого уровня для ЖКИ
FLL.c	Подпрограмма установки ФАПЧ и системы синхронизации
PortFunc.c	Подпрограмма обработки прерывания по порту Port1
TimerA.c	Подпрограмма инициализации и обслуживания таймера Timer_A. Timer_A используется для формирования импульсов
EMeter.c EMeter.c	Содержит подпрограмму инициализации и подпрограмму обслуживания аналогового терминала, ESP430CE1 и прерывания от ESP430CE1
FE427_Measure_v3.ewp FE427_Measure_v3.eww	Файлы проектов для программы Workbench версии 3 производства компании IAR
FE427_Measure.ewp FE427_Measure.eww	Файлы проектов для программы Workbench версии 2 производства компании IAR
FE427_Measure.hzp FE427_Measure.hzs	Файлы проектов для программы CrossStudio производства компании Rowley

Блок – схема демонстрационной программы приведена на рисунке 13.

Рисунок 13. Блок – схема демонстрационной программы

7.4 Генерация импульса электропотребления

Этот импульс может быть использован для индикации определенного уровня потребленной энергии. Для формирования этого выходного сигнала может использоваться три метода.

7.4.1 Непосредственное использование выхода сигнала прерывания по уровню

В первом методе непосредственно используется выход источника прерывания модуля ESP430 по заданному уровню. Реализация этого метода весьма проста и не требует задействования дополнительных аппаратных или программных ресурсов. Но ввиду того, что измеряется энергия синусоидальных колебаний, этот сигнал может иметь некоторые переходные колебания.

Активизируется этого метода:

// *define TIMERA_PULSE_OUTPUT
// *define WITH_AVERAGING

7.4.2 Использование выхода модуля таймера Timer_A

Во втором методе для удаления переходных колебаний используется модуль таймера Timer_A. Этот метод приемлем для формирования импульсов с частотой до 30 Гц. Перед использованием этого метода в файле parameter.h необходимо сделать следующие установки.

*define TimerAClock TASSEL_1/* ACLK = 32 кГц
*define TACLOCK 32768ul
*define CLOCKSPERPERIOD (TACLOCK/defSET_NOMFREQ)

Активизация метода производится следующим образом:

*define TIMERA_PULSE_OUTPUT
// *define WITH_AVERAGING

7.4.3 Использование выхода модуля таймера Timer_A при усреднении

В третьем методе используется только модуль таймера Timer_A для усреднения по времени и формирования импульсов несущей частоты.

Активизация этого метода производится следующим образом:

*define TIMERA_PULSE_OUTPUT
*define WITH_AVERAGING

7.5 Управление

Имеется две кнопки, которые используются для выполнения следующих функций:

• S_A: Выключение модуля ESP430CE1 и перевод MSP430 в режим пониженного потребления. Часы реального времени при этом продолжают работать.
• S_B: Переключение между режимами индикации.

7.5.1 Файл Parameter.h

Все конфигурационные настройки выполняются в файле parameter.h. К ним относятся:

• Уровень выходного импульса.
• Коэффициенты передачи по напряжению и току
• Конфигурационные параметры для модуля ESP430CE1

#define для withDisplay позволяет масштабировать код для различных функций и размеров. Код использует функции с плавающей точкой для выхода UART и калибровки. Включение одной из этих двух частей увеличит размер кода.

Определение шунта, *define shunt, позволяет выбрать к чему будет подключен вход I1 - к шунту или трансформатору тока.

Для упрощения расчета основных параметров, используемых в файле parameter.h, можно использовать файл для Excel FE427_Settings.xls. После ввода требуемой информации в белые поля все параметры будут рассчитаны и отображены. По нажатию кнопки "Save Parameter to File" все параметры будут сохранены в файл ‘Test_Parameter.h’.

Этот файл с рассчитанными параметрами будет включен в исходный код вместо заданных по умолчанию в файле ‘Parameter.h’ параметров если снять ремаркирование со строки ‘#define Test’ в самом файле ‘Parameter.h’.

7.6 Демонстрационная программа Demo 2

Демонстрационная программа Demo 2 устанавливается как комплексное приложение, включающее в себя UART и некоторые подпрограммы автокалибровки, которые сохраняют параметры во flash память. Для вычисления электропотребления вместо функции формирования потребления по превышению заданного уровня используются возвращаемые модулем ESP430CE1 значения. Программа Demo 1 выполняет инициализацию модуля ESP430CE1, вывод данных на индикатор и осуществляет управление светодиодом индикации включения. Эта демонстрационная программа слишком большая, чтобы использоваться при помощи комплекта Kickstart компании IAR.

Демонстрационная программа Demo 2 включает в себя все файлы, содержащиеся в программе Demo 1, и файлы, приведенные в нижеследующей таблице:

7.6.1 Связь по UART

Формат передаваемых данных: 57600 / 8 N 1
Каждая команда должна заканчиваться символом "CR".
Команда ’h’ выводит в окне терминала приведенный ниже текст помощи:

Версия программного обеспечения MSP430FE427: 0114
Команды UART:

SHxx: Установка часов
SMxx: Установка минут
SSxx: Установка секунд
SDxx: Установка дня
SOxx: Установка месяца
SYxx: Установка года
Dx: Установка режима индикатора
D1: Отключение
D2: Время
D3: Дата
D4: Напряжение (В)
D5: Ток (A)
D6: Пиковое напряжение (В)
D7: Пиковое значение тока (A)
D8: Частота (Гц)
D9: CosPhi
DA: Температура
DB: Мощность (кВт)
DC: Электропотребление (кВт * ч)
H: показать текст помощи
Tx: установка тестового режима
R: сброс системы
Mx: Выполнение тестовых измерений в течение x*50 циклов
I: Инициализация
C0: Автокалибровка U / I / P / фазового сдвига
C1: Калибровка уровня прерывания
C2: Калибровка фазовой коррекции 1
C3: Калибровка фазовой коррекции 2
C4: Калибровка смещения V1
C5: Калибровка смещения I1
C6: Калибровка смещения I2
C9: Сохранение параметров во flash памяти
СА: Калибровка коэффициента передачи по напряжению
СВ: Калибровка коэффициента передачи по току
СС: Калибровка коэффициента передачи по мощности
+: Увеличение калибровочного значения
-: Уменьшение калибровочного значения

7.6.2 Калибровка

Основная часть процесса калибровки может быть выполнена при помощи UART команды "C0".

Для выполнения этой команды в файле parameter.h должны быть определены входные параметры:

• calVoltage
• calCurrent
• calPhi
• calCosPhi
• calFreq

По UART команде "C9" рассчитанные значения могут быть сохранены во flash памяти.

7.6.3 Файл Parameter.h

Все конфигурационные настройки выполняются в файле parameter.h:

• Установка уровня выходного импульса
• Коэффициенты по напряжению и току
• Параметры настройки модуля ESP430CE1

#defines для withUARTComm, withCalibration, withDisplay позволяют изменять код для различных функций и размеров. Включение одной из этих двух частей увеличит размер кода.