MAXQ3120电表参考设计的定制功能

MAXQ3120电表(EM)参考设计构建了一款多功能、多费率电表，它符合世界范围的全部可用标准。参考设计构成了一款能够适合各地要求和各种性能要求的电表原型。这篇文档将指导软件工程师，通过定制代码实现一些特殊的需求。

目标读者

本文档假定读者熟悉C语言、MAXQ20微控制器架构以及汇编语言。读者也需熟知全电子式电表的基理。

工具

电表参考设计采用IAR Embedded Workbench工具进行编译。为便于将软件移植到其它开发环境中，除了一种例外情况外，整个软件避免了与IAR相关的语言特性。这种例外情况位于汇编语言文件中，其中包括了一些对标准汇编伪指令集的特定IAR扩展。这些特定IAR扩展命令，不仅可告知连接器各不同段的分配情况，而且告知调试器有关某些机器资源的变化情况。在其它开发环境下构建工程，可将这些伪指令去除。

高层硬件描述

硬件的核心器件是MAXQ3120微控制器。MAXQ3120几乎囊括了实现多功能、多费率电表所需要的所有功能，这些功能包括：双通道、高精度A/D转换器(ADC)，一个乘法累加器(MAC)，通信端口和一个显示控制器。完成一个电表设计，仅需要少量的外部元件。

在参考设计中，提供两个通信通道：一路红外通道，包含一个可解码38kHz载波频率的接收模块和一个直接由微控制器驱动的红外LED，一路完全隔离的RS-485通道；用作非易失存储器的128kb I2C EEPROM；一个可视LED和一路隔离光耦通道，用于指示电表脉冲；一个用于设置网络地址的按钮；和一个用于显示的LCD。

这种硬件构成预示着以下一些应用信息。选择一个外置I2C EEPROM，意味着系统中必须包含I2C软件，而不提供硬件I2C主机。电表脉冲硬件意味着软件必须能够产生极为精确的脉冲定时。两路通信端口表明，微控制器有限的资源要被两路通道所共享。

软件系统综述

软件系统必须同时跟踪多个进程。首先也是最重要的一点，软件系统必须监测ADC，计算用电量并报告其它额外信息，这些信息包括RMS电压和电流、功率因数和峰值功率。这个基本进程非常关键，其它任何进程都不能干扰这个最重要的基础任务。在持续监视用电量的同时，软件还必须驱动显示、监视两路通信端口、监视按钮以及电力线路上的电源失效事件，完成从外部EEPROM获取信息的请求，并跟踪费率时段的变化。

任务管理方式

初始一看，要完成以上多个实时任务，迫切需要某种实时操作系统(RTOS)来进行调度管理和资源分配。但进一步分析后，就会发现不用传统RTOS的两个充分理由。

首先，要求即时响应ADC中断。当ADC有可用的采样数据时，必须在48μs内提取该采样数据。并且，当检测到一个过零点时，电源周期处理程序为了在下一个电源周期之前完成执行操作，必须独占CPU资源。(电源周期处理程序将占用CPU运算能力的25%到30%。) 尽管RTOS可以满足这些要求，却不能最有效地利用资源。

其次，用于保存任务上下文的空间非常有限。大多数RTOS都要给每个任务提供一个完整的虚拟处理器，以在其中执行操作，而这需要保存各个任务的上下文。由于仅有256个16位字RAM可供使用，少量任务就会耗尽存储器空间。

所以，本参考设计选择了一个简单的任务轮。在这种配置方式下，任务会被按顺序调用，而每个任务在锁定事件发生时，都要释放CPU的控制权。锁定事件是指所有其它任务都必须等待的事件，它包括：从EEPROM中提取数据，等待一个电源周期或是等待通信通道上的字符。如果当前任务需要等待其它任务完成时才能结束自身任务，这时也会产生一个锁定事件。在任何锁定事件中，任务必须存储它的当前状态并返回任务轮。这种协作式多任务机制，使得一个处理能力相对低些的控制器就能够胜任工作。

任务间的通信是通过一组公共数据结构来完成的，这些数据结构要根据一套严格的规则才允许被修改。这些数据结构中最重要的部分是消息板，当发生某个事件时，一个任务要设置消息板中的一组数据位以通知另一个任务。例如，假设接收到一个消息并将其正确译码，则消息译码器任务会告知另一个需要该消息的任务(比如寄存器管理器)已经收到了消息，并要求第二个任务必须执行某些操作。

缺省任务列表

以下是参考设计中采用的缺省任务列表：  

DSP：对应每个电源周期，这个程序会计算电力线路的所有参数，并累加本电源周期的用电量。  

串口驱动器：检测两路通信通道的状态，并将第一个发出字符的通道置为“活动”通道。在消息检查器任务确定消息完成或产生超时之前，通道将始终保持活动状态。

消息检查器：验证输入字符串符合协议规范，并在完整接收消息后通知消息译码器。  

消息译码器：解释接受到的消息并执行相应的请求操作。  

异步事件管理器：执行那些不是按照时间表进行的事件任务，比如峰值检测和电能累计。  

时段表管理器：周期性检查时钟，并按照时段表调整费率寄存器的值。
显示管理器：根据时间和其它事件刷新LCD显示。  

消息格式器：为消息译码器解释的消息准备回复信息。  

消息构建器：接收格式化后的消息并加上用于传输的消息头和消息尾。

寄存器管理器：执行读/写EEPROM操作。  

计时管理器：通告按固定时基启动的任务。  

负载曲线记录器：被请求时，向EEPROM记入用电量，便于将来报告这些数据。