基于MAXQ3120微控制器的电表(EM)参考设计

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。

添加任务

如电表参考设计中所定义，任务是一段单线程代码，它执行电表要求的某项功能，并快速(通常只有几毫秒)返回调用函数。然而，大多数任务都需要比这更长的时间才能完成。比如，在任何合理的速率下发送一个消息都需要多个周期。因此，大多数任务都需要一个状态变量，以便将其分解为数个子任务。

一旦任务编写完成，你就可以在spintaskwheel.c文件的任务列表中加入该调用。注意，你可以将任务加在执行流程的任何位置，并根据你的需要多次频繁调用它。你将发现，DSP任务调用非常频繁，串口驱动器SerialPortDriver任务也被调用了几次。因为要保持电能测量的完整性，DSP任务不允许被搁置数个周期，同时不允许SerialPortDriver任务错过输入字符。

最后，测试你的代码。任务轮循环时，你的新任务将伴随其它任务被调用。

全局变量

由于未使用真正意义上的多任务操作系统，也就意味着不会有编程人员所熟知的、真正意义上的消息传递、信号量或其它机制。通信是通过上文提到的消息板以及一组全局变量实现的，各个任务必须按照严格的规则来设置和读取这些变量信息。这些全局变量列举如下：

g_CommSystEMState: 这个变量包括一组通信通道控制位。具体来说，每个通道包括：一个active (活动)位，用于指明某个特定通道处于活动状态(从而可丢弃到达另一个通道的字符)；一个TBE位，用于使闲置通道做好工作准备；以及一个data loss (数据丢失)位，当闲置通道收到字符而另一通道正忙于通信时，该位被置高。

g_TransmitByte; g_ReceiveByte: 分别保存着下一个要传送的字节和最新接收到的字节。

g_CommBuffer: 一个50字节数组，包含刚接收到的消息或要发送的消息。注意系统仅有一个通信缓存。它不仅被两个通信通道所共享，也被发送和接收通道所共享。

g_MeterAddress: 一个包含电表网络地址的6字节数组。初始化时从EEPROM内读取该信息，并存放在RAM中。

g_MessageFormatterData; g_DispFormatterData; g_ScheduleManagerData; g_AEMData; g_LCLRegData: 这些寄存器在寄存器管理器和各种任务间传送数据。例如，一个需要发送的寄存器内容，会被寄存器管理器放入g_MessageFormatterData中。

g_AEMRegisterNeeded; g_DispFormatterRegRequest; g_RequestScheduleManager; g_LCLRegRequest: 这些寄存器里，包含了特定任务需要读或写的寄存器。注意，消息译码器没有全局地址寄存器：寄存器管理器可以智能地从消息缓存中找出这个信息。

g_LCDMode: 包含显示器的模式字节。见下面的显示定制部分。

g_TariffInEffect: 包含当前有效的费率号码。这个函数有自己的全局变量，以便每次累计电能时，无需通过多次EEPROM读操作来确定将采样值存在什么位置。

g_PW: 包含当前有效的各个通信通道的口令号码。

g_irTimer; g_rsTimer: 用于计数各个通道口令有效时间的定时器。一旦接收到口令后，它的有效期限是60秒。一个口令的有效时间结束后，g_PW中相关的4位数据就会被清零。

g_LoadCurveUsage; g_LoadCurvePeak; g_LoadCurveTimeStamp: 与负载曲线记录任务相关的变量。g_LoadCurveUsage累计用电量，并会最终报告给负载曲线记录任务。负载曲线记录任务会定
期地将该值写入EEPROM并随后清除该变量。

g_LoadCurvePeak和g_LoadCurveTimeStamp跟踪负载曲线的最大功率值，并记录峰值功率产生的间隔和时间。

AEMState: 包含一组与异步事件相关的变量。当接收到一个设置电表地址消息时，msg_rx标志被置为高。地址设置逻辑电路被激活后，变量timer包含恢复正常显示所需的秒数。DSPState和Register变量跟踪寄存器用电量信息从DSP逻辑传送到用电量报告函数的过程。通常，寄存器变量包括所有用电类型(有功、无功、正功率和负功率等)。

g_new_baud: DL/T 645协议规范提供了一种只改变单个消息波特率的机制。当收到波特率变更请求并得到确认后，下一个消息就会以更高的波特率传送。随后，波特率恢复到正常值(本设计中采用1,200bps)。g_new_baud总是保存下一个消息的波特率。

g_TransmitDelay: 一些RS-485转换器在发送完最后一个字符后会延迟一段固定时间，随后切换回接收模式。因此，当主机传送完一个请求后，它可能会丢失电表发送的前几个字符，因为与主机串口相连的RS-485转换器仍处在发送模式下。这个变量保存了发送状态保持的固定延时，延时结束后主机的RS-485转换器切换回接收模式。

current_temp: 如果引用该变量，它将包含从DS3231 RTC/温度传感器中读出的最新数值。

定制功能

本参考设计符合DL/T 645－多功能、瓦时电表通信协议。但这篇文档不仅仅对通信协议进行说明。DL/T 645确实对一个多功能电表需要执行的操作进行了规定，包括测量、时段管理和报告功能。因此，如果你要选择其它电表协议，你必须替换掉寄存器管理器以及除串口管理器之外的所有消息函数，或者至少对其进行重大修改。修改的细节不在本文讨论范畴内。

本文档将着重讨论三个定制领域：显示定制、寄存器映射定制和DSP函数定制。

显示定制

显示器完全由显示管理器控制。其它任何任务都不会向MAXQ3120的LCD寄存器写入数据。DisplayFormatter.c模块包含了显示管理器及其主要子程序UpdateLCD。

如果你只是想在电表中使用一个不同的LCD模块，则只需修改UpdateLCD。所以我们将从这个模块的定制开始说起。如果你想改变显示信息的类型，你就要修改DisplayManager，并且可能需要给电表的其它部分提供额外的钩子(hook)函数。

定制UpdateLCD

UpdateLCD接收两个参数：一个待显示的32位数值和一个8位信号指示器数值 。32位显示值包括8个4位数值。因此，UpdateLCD支持8位、7段显示器。注意，MAXQ3120支持112段显示，所以可以定制该程序以支持更大规模的显示器。 如果想用不同的显示器，你需要修改LCDFont结构。它被定义为static const类型。这样定义的结构进行编译和连接后，将驻留在程序空间，而不是数据空间。

LCD空间分配表：