1、前言

目前新型的電子式多費率電能表已逐漸取代老式電子電能表。多費率電能表計量不同時間段的用電量，根據(jù)不同的電能費率計算出用戶使用電能費用。本文基于德州儀器的MSP430F435單片機，結(jié)合EPSON公司推出的高精度時鐘芯片RTC-4553芯片，對多費率電能表的工作時間進行測量。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，造成一定的時間累積誤差。因此必須進行適當?shù)恼`差補償，本文將基于MSP430單片機采用C 語言編程進行溫度補償方法，提高計時精度。

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)投入實際使用。但是基于MSP430 單片機作為電能表主控模塊還沒有廣泛投產(chǎn)使用。用于系統(tǒng)時間計量的串行時鐘芯片很多，如DS1302、DS1307、PCF8485等時鐘芯片。

圖1是多費率三相電能表的時間計量部分，合理的把TI 的MSP430單片機和EPSON的 RTC-4553集合，發(fā)揮各自的優(yōu)勢，避開復雜的外圍電路的設(shè)計，采用現(xiàn)成的高精度時間計量芯片。 

 
2.1、硬件部分：

MSP430F435

T1公司的MSP430系列單片機是一種具有超低功耗的功能強大的單片機。新開發(fā)的F系列具有Flash存儲器，在系統(tǒng)設(shè)計，開發(fā)調(diào)試及實際應用上比其他MCU都有比較明顯的優(yōu)勢。

1、超低功耗

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

2、 超強處理能力

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，可以實現(xiàn)多種運算；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)備功能相當強大：12位A/D，精密模擬比較器，硬件乘法器，2組頻率可以達到8MHZ的時鐘模塊，2個帶有許多捕獲比較的16位定時器，看門狗功能，2個可實現(xiàn)異步和同步及多址訪問的串行通信接口，數(shù)十個可實現(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、 高效的開發(fā)方式。

MSP430FX系列具有FLASH存儲器，這一特點使得它的開發(fā)工具相當簡便。利用單片機自身帶有的JTAG接口或片內(nèi)BOOT ROM內(nèi)固化的默認的加載程序載入器Bootstrap可以進行串口或并口，通過UART將程序代碼裝入Flash 存貯器中。

可以在一臺PC及一個小JATAG控制器的幫助下實現(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時鐘芯片。該芯片采用內(nèi)置晶振和獨特的數(shù)據(jù)方法，大大提高了時鐘精度和可靠性。 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，時鐘誤差<3 min/年且無需調(diào)整，是儀器儀表高精度時鐘的理想芯片。

RTC-4553內(nèi)部結(jié)構(gòu)和引腳

串行RTC-4553時鐘芯片的內(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、實時時鐘、計數(shù)器等部分。CS0為片選腳，低電平選中；WR為讀寫使能口，高為讀，低為寫；L1～L5為出廠調(diào)整精度和測試用，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，芯片測到該口為低時，自動進入低功耗狀態(tài)；SCK為時鐘口，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 個時鐘信號輸出口TPOUT，該口可輸出1024Hz或1/10Hz的信號，以供檢測芯片的時鐘精度所用。其中RTC-4553共有46×4bit寄存器。這些寄存器分3頁，第1頁共16個，分別為時鐘寄存器和控制寄存器，用來存放秒、分、時、日、月、年、星期和3個特殊寄存器；第2頁、第3頁各有15 個，共30個SRAM寄存器，頁面的選擇通過操作控制寄存器3的MS1、MS0位來實現(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 寄存器
5 H10 PM/AM 0 h20 h10 0-2 10小時寄存器
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)置顯示時間的方式，置1為24 小時方式，置0 為12小時方式顯示，C2寄存器的BUSY為0時芯片為正常狀態(tài)，可讀可寫，當為1時，芯片的時鐘寄存器禁止讀寫。

上電時PONC=1，所有寄存器被初始化，時鐘指向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)復位標志。其中MS1和MS0設(shè)置工作方式，00、01

表示選中時間寄存器和C1 、C2、C3寄存器，10和11時表示選中用戶RAM和C3寄存器。

對于時間寄存器和功能寄存器有不同的寫操作方法。RTC-4553采用特殊的寫指令數(shù)據(jù)寫入，對第0頁的0D～0FH及第1頁、第2頁的寄存器的操作采用常規(guī)寫法，地址后面的數(shù)據(jù)將原樣寫入寄存器中，而對時間寄存器寫操作指令只能將內(nèi)部的內(nèi)容加1，并自動完成轉(zhuǎn)換，不能直接寫入數(shù)據(jù)。芯片這種獨特的設(shè)計，防止了時鐘區(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為時間寄存器寫時序。

WR 和CS0為0時，芯片為寫狀態(tài)。SIN的前4位是寄存器地址，隨著SCK腳上的時鐘變化，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)，即時間值。一次操作完成后其內(nèi)部的內(nèi)容加1，這是該款時鐘芯片的特殊操作所在。

在片選擇中芯片，WR置高時，芯片處于讀出狀態(tài)，輸入需要8個時鐘，4個用來輸入地址；輸出數(shù)據(jù)也需要8個時鐘，包括4個地址位4個數(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，頁面由MS0、MS1決定。圖4為讀時序圖。

2.2、軟件部分

對于MSP430單片機，由TI 公司自帶的嵌入式軟件開發(fā)平臺IAR EMBEDDED WORKBENCH。該軟件可對開發(fā)系統(tǒng)進行在線調(diào)試，帶有C 編譯器，可采用編程效率很高，維護方便的C語言編程。

1、 MSP430單片機端口功能設(shè)置

通過MSP430的P1.1-P1.4和P3.0端口對RTC-4553時鐘芯片進行控制和數(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

在該時間控制系統(tǒng)中在程序設(shè)計上主要涉及到數(shù)據(jù)的發(fā)送、接收、數(shù)據(jù)補償。

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、 時間數(shù)據(jù)補償

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前溫度，與標準溫度25℃相差平方 其中θΤ是當前檢測到溫度，MSP430 單片機有檢測溫度傳感器，可檢測當前溫度；θx為標準溫度25℃，在此溫度下芯片可認為沒有誤差。根據(jù)多費率電表在

環(huán)境中實際溫差，可取五分鐘為一個時間間隔對芯片的誤差進行累計，程序設(shè)計比較簡單，把當前溫度值代入上面的表達式中即可，設(shè)定一個變量存放誤差，每24 小時補償一次，當然，如果誤差很小那么誤差就忽略不計。對于多費率電能表對時間還有其他操作，比如時間校對，以及時間寫許可等一些操作。這些都是軟件必須的考慮的問題，以對時鐘芯片正確操作。

從整個系統(tǒng)設(shè)計過程中發(fā)現(xiàn)，如何使用MSP430 單片機控制RTC-4553時鐘芯片關(guān)鍵所在是程序算法的設(shè)計，數(shù)據(jù)采用BCD碼，對十位和個位有著不同的操作方法，對于小時寄存器的操作又有不同的方法，這些都是必須考慮的問題。其溫度誤差補償在測量系統(tǒng)尤其是計時的電能表中也是必須要考慮的溫度，涉及到許多問題。否則將影響電表的計時精度，甚至是錯誤。

3、 結(jié)語

時鐘集成芯片有很多種，可與許多種單片機組合用于測量時間系統(tǒng)，大多數(shù)電能表存在時間誤差補償問題。該測量系統(tǒng)有機的結(jié)合了MSP430 單片機、RTC-4553時鐘芯片及C語言編程，基于MSP430 單片機已開發(fā)出性價比很高的三相多費率電能表，目前已正式投產(chǎn)。當然計量電能的三相多費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，數(shù)據(jù)通訊等模塊。