資深工程師解密電表研發(fā)：一場牽一發(fā)而動全身的修行

電能表，于普通人而言，是每個月一次的繳費數(shù)字；于初入行的人而言，是幾個元器件、零部件的組合；而對于資深的電表工程師而言，這則是一場牽一發(fā)而動全身的修行。一款電表的研發(fā)過程中，除了對技術(shù)人員本身的技術(shù)經(jīng)驗累積要求高外，還需要傾注更多的恒心和毅力。本文將以ADE7755芯片設(shè)計單相復(fù)費率電能表為例，為讀者揭開電表研發(fā)的神秘面紗。

當企業(yè)決定研發(fā)一款新電表，拿到一份客戶的技術(shù)規(guī)格書的時候，第一步是做什么呢？是找方案公司設(shè)計方案？找供應(yīng)商選器件？這些都不是。這里需要重點說明的一點是，沒有哪一個大的廠商會愿意完全投入經(jīng)歷去研發(fā)一款全新的表型，全新產(chǎn)品不僅研發(fā)周期長，人員精力投入大，投資成本高，而且風(fēng)險很大。企業(yè)的利益趨向決定了它們不會做這種高投資高風(fēng)險的事情。一切的產(chǎn)品研發(fā)都是基于現(xiàn)有產(chǎn)品，在現(xiàn)有產(chǎn)品上做改動。所以，當工程師拿到一分新產(chǎn)品的技術(shù)規(guī)格書的時候，第一步要做的是仔細地閱讀規(guī)格書的每一條功能要求，并且與現(xiàn)有的產(chǎn)品做比較，找出與新產(chǎn)品最相似的產(chǎn)品——即最適合進行改造的現(xiàn)有表型，下一步即是根據(jù)每一條不同的功能要求制定改進初步方案。了解改進中硬件需要做什么，軟件需要做什么，哪些元器件需要替代更換。下一步則是針對需要更換的元器件尋找供應(yīng)商，上板編程調(diào)試。

為讀者大家更詳細的了解電表的研發(fā)流程，以下將以單相復(fù)費率電能表為例來詳細闡述電表的設(shè)計方法、硬件設(shè)計的技術(shù)關(guān)鍵和軟件設(shè)計流程。

電能表的硬件電路設(shè)計

電能表的硬件電路設(shè)計由電源電路設(shè)計、計量電路設(shè)計、通訊電路設(shè)計、MCU及其它部分電路設(shè)計四大部分組成。

主要功能模塊

MCU主控制器也即是我們常常說的電表的CPU，主要負責(zé)按鍵輸入掃描、工作狀態(tài)檢測、計量數(shù)據(jù)的讀入、計算和存儲、電表參數(shù)的現(xiàn)場配置以及與外界的通信控制等。，一般來說，在新產(chǎn)品的設(shè)計中，MCU是不會換的；凡是涉及到更換MCU的新品研發(fā)，必將是更加的費時費力。所以，電表廠商對于MCU的選用都是非常慎重和穩(wěn)定的，不會輕易更換品牌和供應(yīng)商。當然，為了規(guī)避缺貨等風(fēng)險，以及保持一定的價格競爭，對大廠而言，通常的做法是不會讓一家供應(yīng)商獨領(lǐng)風(fēng)騷，2-3家分攤所有產(chǎn)線的元器件供貨是比較穩(wěn)妥的做法。電能表MCU的主流供應(yīng)商有TI、Freescale、ST、NXP等。

計量電路的設(shè)計是電能表的核心部分，是電能表計量準確性的關(guān)鍵部分，也是電能表計量功能的體現(xiàn)，。目前主流的計量芯片有ADI、ST、CirrusLogic、IDT、TI等。

存儲器件的選擇又會根據(jù)所要存儲數(shù)據(jù)的類型數(shù)量來決定。如一般的時間記錄,簡單功能的電能表，選用EEPROM就足夠，而要實現(xiàn)復(fù)合曲線的記錄，如按日/小時/分鐘/秒存儲，因存儲的信息量巨大，則需要更大的存儲容量，測試則需要選用flash,容量越大，軟件設(shè)置也會越復(fù)雜。

其他主要功能模塊還包括紅外和RS—485通信模塊、校表模塊、時鐘日歷電路、工作異常報警電路、按鍵輸入電路、復(fù)位和看門狗電路、開關(guān)電源模塊和后備電池電路、大屏幕液晶顯示模塊和LED顯示模塊。而像RS-485芯片、載波芯片，一般在進行新產(chǎn)品設(shè)計時，是不用替換的。

單相復(fù)費率電能表的硬件組成框圖

由上圖所示，電源電路為了提高系統(tǒng)的抗干擾性、可靠性，分為三個獨立的電源，使計量電路，RS485通訊和MCU的電源相互隔離，達到互不影響的目的，但是它們使用同一個變壓器，所以應(yīng)注意變壓器的選擇。在計量電路部分，ADE7755芯片是一個數(shù)模混合的電路，因此設(shè)計較為困難，要到達良好的計量效果，要采取一定的抗干擾措施（比如數(shù)字地和模擬地應(yīng)在PCB板上單點連接），特別是在對電流、電壓采樣的電路直接接在外部線路上，干擾比較嚴重。I2C總線在整個系統(tǒng)中占有重要的地位，它關(guān)系到LCD顯示、電量數(shù)據(jù)存儲、時間和日期的讀取等等，它是MCU與外部設(shè)備的接口，是MCU獲取信息的窗口，并且根據(jù)外部信息作出相應(yīng)的判斷和動作（比如凍結(jié)時間到，MCU作出凍結(jié)電量事件發(fā)生）。在通訊電路中，電能表有兩個通訊信道（紅外信道、RS485通訊信道），在通訊發(fā)生時MCU要判斷是那個信道進行通訊，并且接收通訊幀，判斷是否正確，并執(zhí)行通訊命令。從上面可以看出MCU的作用，它是系統(tǒng)的控制器，起著決定性的作用。

單相復(fù)費率電能表的軟件設(shè)計

軟件系統(tǒng)是整個電能表系統(tǒng)的靈魂，它是系統(tǒng)的神經(jīng)中樞，它是整個系統(tǒng)的控制、指揮中心。電能表軟件系統(tǒng)的算法設(shè)計在整個電能表系統(tǒng)設(shè)計中占有重要的一個環(huán)節(jié)，控制算法的優(yōu)劣對整個系統(tǒng)正確、可靠的運行有決定性的影響，因此在進行電能表軟件系統(tǒng)的算法設(shè)計時，要仔細、反復(fù)地進行設(shè)計、論證，考慮各個方面地因素，使控制算法正確、可靠。

軟件系統(tǒng)包括程序數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模塊、程序初始化模塊、時鐘及顯示處理模塊、通訊處理模塊和電量處理模塊五大部分組成，各個部分都其特殊的任務(wù)，在電表系統(tǒng)中完成它們相應(yīng)的功能。

程序數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模塊是對程序中的數(shù)據(jù)進行分析，合理的分配數(shù)據(jù)內(nèi)存，定義程序涉及的變量。它是根據(jù)整個程序的算法來制定的，同時一個好的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對整個程序的寫作有非常重要的作用，因此根據(jù)電能表軟件系列實現(xiàn)的功能及其算法制定合理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。DDSF系列電能表的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包括兩個部分：MCU內(nèi)存數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和EEPROM數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

程序初始化模塊是對整個程序進行初始化，它包括兩個部分：MCU初始化和電表各部件初始化。MCU初始化是對MCU各部件進行初始化，為各部件在程序工作時提供合適的初始狀態(tài)，它包括配置I/O口工作模式、看門狗初始化、定時器初始化、鍵盤中斷初始化、串口中斷初始化、比較器中斷初始化等等。電表各部件初始化是對電能表系統(tǒng)各部件進行配置工作狀態(tài)，初始化它們的工作方式，為程序工作提供電表部件初始狀態(tài)，它包括指示燈初始化、LCD顯示初始化、實時時鐘初始化、電量恢復(fù)、通訊信道、歷史電量處理等等部件的初始化。

時鐘、顯示處理模塊是程序系統(tǒng)中進行時鐘和顯示處理的模塊，是通過對當前時鐘的比較，對有關(guān)時鐘事件是否發(fā)生進行判斷，程序?qū)r鐘事件作出處理，可以說時鐘就是這個程序模塊的節(jié)奏，告訴程序哪個事件在什么時候發(fā)生。比如說顯示數(shù)據(jù)刷新事件，它是1S的時間對顯示數(shù)據(jù)進行刷新，當時間間隔1S時，顯示數(shù)據(jù)刷新事件發(fā)生，程序進行顯示數(shù)據(jù)刷新處理。它包括時鐘及其相關(guān)處理、顯示事件處理、電能反向時間事件處理、費率和電量結(jié)算事件處理等等部分組成的。

通訊處理模塊是電能表系統(tǒng)進行外界通訊的模塊，它是依照國標的通訊規(guī)程編寫的一個軟件模塊，它包括通訊接收處理、通訊命令處理及通訊發(fā)送處理，當通訊接收到一幀正確的數(shù)據(jù)時，通知程序通訊命令處理事件發(fā)生，執(zhí)行通訊命令解釋及執(zhí)行命令操作，當命令要求發(fā)生通訊數(shù)據(jù)時，通訊發(fā)送事件發(fā)送，

進行通訊數(shù)據(jù)發(fā)送。同時由于通訊信道有紅外信道和RS485信道兩個信道，在通訊時應(yīng)判斷是哪一個信道進行通訊的。

電量處理模塊是電能表系統(tǒng)中實現(xiàn)電能計量的程序，是實現(xiàn)其基本功能的程序，這部分程序也是電能表軟件系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的程序，其計量的正確性，可靠性及電量數(shù)據(jù)儲存的正確性是關(guān)乎到整個系統(tǒng)的成敗，關(guān)系到全局，因此這部分計量的算法要設(shè)計正確、合理。它包括MCU上電對各電量值的恢復(fù)、對各電量脈沖的累計、對各電量小數(shù)整數(shù)累計、及對電量掉電保護等程序，在電量脈沖累計一定值是，電量小數(shù)加1事件發(fā)生，當電量小數(shù)累計一定值時，電量整數(shù)加1事件發(fā)生，執(zhí)行電量整數(shù)累計程序。

電能表的軟件系統(tǒng)是由五大部分組成的，每一個部分完成其特定的任務(wù)，而且是缺一不可的，同時各個模塊之間存在著一定的聯(lián)系，存在著數(shù)據(jù)交換的可能，它們不是相互獨立的，而是相互聯(lián)系、統(tǒng)一，形成整個電能表軟件系統(tǒng)。

一場牽一發(fā)而動全身的修行

在新產(chǎn)品的研發(fā)中，硬件和軟件設(shè)計兩大部分中，任何一個元器件的更換，一條代碼的修改都是牽一發(fā)而動全身的操作，會涉及到一系列的硬件電路的改動、測試，一整套的流程操作全部要變動，“哪怕是一點點的變動，所有的工作都得要全部重新開始。”常聽電表工程師這樣抱怨道。電表產(chǎn)品的研發(fā)特點決定了研發(fā)人員不僅需要豐富的技術(shù)知識和經(jīng)驗，更需要執(zhí)著的耐心和毅力，才能在把自己逼瘋掉之前做出合格的產(chǎn)品。

你，是否也正進行著這樣一場修行呢？