1、前言

目前新型的電子式多費(fèi)率電能表已逐漸取代老式電子電能表。多費(fèi)率電能表計(jì)量不同時(shí)間段的用電量，根據(jù)不同的電能費(fèi)率計(jì)算出用戶使用電能費(fèi)用。本文基于德州儀器的MSP430F435單片機(jī)，結(jié)合EPSON公司推出的高精度時(shí)鐘芯片RTC-4553芯片，對(duì)多費(fèi)率電能表的工作時(shí)間進(jìn)行測(cè)量。由于電能表在不同地域及不同季節(jié)使用，溫差很大，存在一定的溫度漂移，造成一定的時(shí)間累積誤差。因此必須進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼`差補(bǔ)償，本文將基于MSP430單片機(jī)采用C 語(yǔ)言編程進(jìn)行溫度補(bǔ)償方法，提高計(jì)時(shí)精度。

2、系統(tǒng)介紹

電能表的采用什么MCU有多種方案，不少已經(jīng)投入實(shí)際使用。但是基于MSP430 單片機(jī)作為電能表主控模塊還沒(méi)有廣泛投產(chǎn)使用。用于系統(tǒng)時(shí)間計(jì)量的串行時(shí)鐘芯片很多，如DS1302、DS1307、PCF8485等時(shí)鐘芯片。

圖1是多費(fèi)率三相電能表的時(shí)間計(jì)量部分，合理的把TI 的MSP430單片機(jī)和EPSON的 RTC-4553集合，發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，避開(kāi)復(fù)雜的外圍電路的設(shè)計(jì)，采用現(xiàn)成的高精度時(shí)間計(jì)量芯片。 

 
2.1、硬件部分：

MSP430F435

T1公司的MSP430系列單片機(jī)是一種具有超低功耗的功能強(qiáng)大的單片機(jī)。新開(kāi)發(fā)的F系列具有Flash存儲(chǔ)器，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)調(diào)試及實(shí)際應(yīng)用上比其他MCU都有比較明顯的優(yōu)勢(shì)。

1、超低功耗

MSP430F系列運(yùn)行在1MHZ時(shí)鐘的條件下時(shí)，工作模式不同為0.1~400uA,工作電壓為1.8~3.6V。

2、 超強(qiáng)處理能力

8MIPS的CPU內(nèi)核，16位×16位的硬件乘法器。

3、靈活的配置方法

MSP430 F系列具有豐富的尋址方式，只需要27條指令；片內(nèi)寄存器數(shù)多，可以實(shí)現(xiàn)多種運(yùn)算；有高效的查表處理方法。這一切保證了可以編譯出高效的程序。許多中斷，可以嵌套，使用方便。

4、片上集成外圍功能模塊

MSP430 F系列集成了較多的片上外圍設(shè)備。這些外圍設(shè)備功能相當(dāng)強(qiáng)大：12位A/D，精密模擬比較器，硬件乘法器，2組頻率可以達(dá)到8MHZ的時(shí)鐘模塊，2個(gè)帶有許多捕獲比較的16位定時(shí)器，看門(mén)狗功能，2個(gè)可實(shí)現(xiàn)異步和同步及多址訪問(wèn)的串行通信接口，數(shù)十個(gè)可實(shí)現(xiàn)方向的設(shè)置及中斷功能的并行輸入，輸出端口，擁有 SPI和UASRT通訊端口。

5、 高效的開(kāi)發(fā)方式。

MSP430FX系列具有FLASH存儲(chǔ)器，這一特點(diǎn)使得它的開(kāi)發(fā)工具相當(dāng)簡(jiǎn)便。利用單片機(jī)自身帶有的JTAG接口或片內(nèi)BOOT ROM內(nèi)固化的默認(rèn)的加載程序載入器Bootstrap可以進(jìn)行串口或并口，通過(guò)UART將程序代碼裝入Flash 存貯器中。

可以在一臺(tái)PC及一個(gè)小JATAG控制器的幫助下實(shí)現(xiàn)程序的下載，方便的完成在線程序調(diào)試。

RTC-4553

EPSON公司推出的RTC-4553時(shí)鐘芯片。該芯片采用內(nèi)置晶振和獨(dú)特的數(shù)據(jù)方法，大大提高了時(shí)鐘精度和可靠性。 RTC-4553配有串行通信接口，另有30×4bit SRAM，有2000～2099的百年日歷，采用14腳SOP封裝，電池耗電2μA，時(shí)鐘誤差<3 min/年且無(wú)需調(diào)整，是儀器儀表高精度時(shí)鐘的理想芯片。

RTC-4553內(nèi)部結(jié)構(gòu)和引腳

串行RTC-4553時(shí)鐘芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。內(nèi)置32.768khz晶振，它包含I/O控制器、移位寄存器、命令及邏輯控制器，表態(tài)RAM、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、計(jì)數(shù)器等部分。CS0為片選腳，低電平選中；WR為讀寫(xiě)使能口，高為讀，低為寫(xiě)；L1～L5為出廠調(diào)整精度和測(cè)試用，使用中懸空；CS1為芯片掉電檢查口，可直接與系統(tǒng)電源連接，芯片測(cè)到該口為低時(shí)，自動(dòng)進(jìn)入低功耗狀態(tài)；SCK為時(shí)鐘口，SIN為數(shù)據(jù)輸入口，SOUT為數(shù)據(jù)輸出口。另外，芯片還有1 個(gè)時(shí)鐘信號(hào)輸出口TPOUT，該口可輸出1024Hz或1/10Hz的信號(hào)，以供檢測(cè)芯片的時(shí)鐘精度所用。其中RTC-4553共有46×4bit寄存器。這些寄存器分3頁(yè)，第1頁(yè)共16個(gè)，分別為時(shí)鐘寄存器和控制寄存器，用來(lái)存放秒、分、時(shí)、日、月、年、星期和3個(gè)特殊寄存器；第2頁(yè)、第3頁(yè)各有15 個(gè)，共30個(gè)SRAM寄存器，頁(yè)面的選擇通過(guò)操作控制寄存器3的MS1、MS0位來(lái)實(shí)現(xiàn)。

具體如表一所示：
地址 寄存器名 D3 D2 D1 D0 記數(shù)范圍 說(shuō)明
0 S1 s8 s4 s2 s1 0-9 1秒寄存器
1 S10 0 s40 s20 s10 0-5 10秒寄存器
2 MI1 mi8 mi4 mi2 mi1 0-9 1分寄存器
3 M10 0 mi40 mi20 m10 0-5 10分寄存器
4 H1 h8 h4 h2 h1 0-9 1小時(shí) 寄存器
5 H10 PM/AM 0 h20 h10 0-2 10小時(shí)寄存器
6 W 0 w4 w2 w1 0-6 星期寄存器
7 D1 d8 d4 d2 d1 0-9 1天寄存器
8 D10 0 0 d20 d10 0-3 10天寄存器
9 MO1 mo8 mo4 mo2 mo1 0-9 1月寄存器
A MO10 0 0 0 mo10 0-1 10月寄存器
B Y1 y8 y4 y2 y1 0-9 1年寄存器
C Y10 y80 y40 y20 y10 0-9 10年寄存器
D C1 TPS 30ADJ CNTR 24/12 - 控制寄存器1
E C2 BUSY PONC ------- * - 控制寄存器2
F C3 SYSR TEST MS1 MS0 - 控制寄存器3

RTC-4553時(shí)鐘芯片各寄存器表一

其中C1寄存器的D0位用于設(shè)置顯示時(shí)間的方式，置1為24 小時(shí)方式，置0 為12小時(shí)方式顯示，C2寄存器的BUSY為0時(shí)芯片為正常狀態(tài)，可讀可寫(xiě)，當(dāng)為1時(shí)，芯片的時(shí)鐘寄存器禁止讀寫(xiě)。

上電時(shí)PONC=1，所有寄存器被初始化，時(shí)鐘指向00/01/01/12:00:00，星期日。并且所有其他寄存器清零。

寄存器C3用于設(shè)定工作方式和系統(tǒng)復(fù)位標(biāo)志。其中MS1和MS0設(shè)置工作方式，00、01

表示選中時(shí)間寄存器和C1 、C2、C3寄存器，10和11時(shí)表示選中用戶RAM和C3寄存器。

對(duì)于時(shí)間寄存器和功能寄存器有不同的寫(xiě)操作方法。RTC-4553采用特殊的寫(xiě)指令數(shù)據(jù)寫(xiě)入，對(duì)第0頁(yè)的0D～0FH及第1頁(yè)、第2頁(yè)的寄存器的操作采用常規(guī)寫(xiě)法，地址后面的數(shù)據(jù)將原樣寫(xiě)入寄存器中，而對(duì)時(shí)間寄存器寫(xiě)操作指令只能將內(nèi)部的內(nèi)容加1，并自動(dòng)完成轉(zhuǎn)換，不能直接寫(xiě)入數(shù)據(jù)。芯片這種獨(dú)特的設(shè)計(jì)，防止了時(shí)鐘區(qū)數(shù)據(jù)被意外干擾出現(xiàn)非法數(shù)據(jù)的可能，這正是該芯片高可靠性的原因所在。圖3為時(shí)間寄存器寫(xiě)時(shí)序。

WR 和CS0為0時(shí)，芯片為寫(xiě)狀態(tài)。SIN的前4位是寄存器地址，隨著SCK腳上的時(shí)鐘變化，內(nèi)部寄存器的數(shù)據(jù)將出現(xiàn)在SOUT輸出端口上。數(shù)據(jù)在SCK上升沿輸入，在下降沿輸出。前4位是所選寄存器的地址，后4位是寄存器的數(shù)據(jù)，即時(shí)間值。一次操作完成后其內(nèi)部的內(nèi)容加1，這是該款時(shí)鐘芯片的特殊操作所在。

在片選擇中芯片，WR置高時(shí)，芯片處于讀出狀態(tài)，輸入需要8個(gè)時(shí)鐘，4個(gè)用來(lái)輸入地址；輸出數(shù)據(jù)也需要8個(gè)時(shí)鐘，包括4個(gè)地址位4個(gè)數(shù)據(jù)位。數(shù)據(jù)在 SCK上升沿輸入，在下降沿輸出。寄存器的地址由SIN腳輸入，頁(yè)面由MS0、MS1決定。圖4為讀時(shí)序圖。

2.2、軟件部分

對(duì)于MSP430單片機(jī)，由TI 公司自帶的嵌入式軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)IAR EMBEDDED WORKBENCH。該軟件可對(duì)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)進(jìn)行在線調(diào)試，帶有C 編譯器，可采用編程效率很高，維護(hù)方便的C語(yǔ)言編程。

1、 MSP430單片機(jī)端口功能設(shè)置

通過(guò)MSP430的P1.1-P1.4和P3.0端口對(duì)RTC-4553時(shí)鐘芯片進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)傳遞，其中P1.1端口用于 SIN，P1.4 用于SCK，P1.2用于CS，P1.3用于SOUT，P3.0用于WR。這些端口的設(shè)定是基于多費(fèi)率電表其他功能模塊的安排而確定。

2、 主控程序解析

在該時(shí)間控制系統(tǒng)中在程序設(shè)計(jì)上主要涉及到數(shù)據(jù)的發(fā)送、接收、數(shù)據(jù)補(bǔ)償。

第一、 數(shù)據(jù)發(fā)送程序流程圖

第二、 數(shù)據(jù)接收程序流程圖

第三、 時(shí)間數(shù)據(jù)補(bǔ)償

其中α參量與溫度的平方有關(guān)系的量。由溫度傳感器獲取當(dāng)前溫度，與標(biāo)準(zhǔn)溫度25℃相差平方 其中θΤ是當(dāng)前檢測(cè)到溫度，MSP430 單片機(jī)有檢測(cè)溫度傳感器，可檢測(cè)當(dāng)前溫度；θx為標(biāo)準(zhǔn)溫度25℃，在此溫度下芯片可認(rèn)為沒(méi)有誤差。根據(jù)多費(fèi)率電表在

環(huán)境中實(shí)際溫差，可取五分鐘為一個(gè)時(shí)間間隔對(duì)芯片的誤差進(jìn)行累計(jì)，程序設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，把當(dāng)前溫度值代入上面的表達(dá)式中即可，設(shè)定一個(gè)變量存放誤差，每24 小時(shí)補(bǔ)償一次，當(dāng)然，如果誤差很小那么誤差就忽略不計(jì)。對(duì)于多費(fèi)率電能表對(duì)時(shí)間還有其他操作，比如時(shí)間校對(duì)，以及時(shí)間寫(xiě)許可等一些操作。這些都是軟件必須的考慮的問(wèn)題，以對(duì)時(shí)鐘芯片正確操作。

從整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，如何使用MSP430 單片機(jī)控制RTC-4553時(shí)鐘芯片關(guān)鍵所在是程序算法的設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)采用BCD碼，對(duì)十位和個(gè)位有著不同的操作方法，對(duì)于小時(shí)寄存器的操作又有不同的方法，這些都是必須考慮的問(wèn)題。其溫度誤差補(bǔ)償在測(cè)量系統(tǒng)尤其是計(jì)時(shí)的電能表中也是必須要考慮的溫度，涉及到許多問(wèn)題。否則將影響電表的計(jì)時(shí)精度，甚至是錯(cuò)誤。

3、 結(jié)語(yǔ)

時(shí)鐘集成芯片有很多種，可與許多種單片機(jī)組合用于測(cè)量時(shí)間系統(tǒng)，大多數(shù)電能表存在時(shí)間誤差補(bǔ)償問(wèn)題。該測(cè)量系統(tǒng)有機(jī)的結(jié)合了MSP430 單片機(jī)、RTC-4553時(shí)鐘芯片及C語(yǔ)言編程，基于MSP430 單片機(jī)已開(kāi)發(fā)出性價(jià)比很高的三相多費(fèi)率電能表，目前已正式投產(chǎn)。當(dāng)然計(jì)量電能的三相多費(fèi)率多功能表還涉及其他許多功能模塊，包括諸如數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)通訊等模塊。