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阐述了电子式多功能电能表的设计方法、硬件设计的技术关键和软件设计流程。以NEC公司的uPD78F0338单片机为例，实现了四费率、六负载曲线、两套费率结构的三相四线电子式多功能电能表。
电子式多功能电能表主要针对国内市场三相电的工业用户。随着电力工业改革的深入，工业三相用电对多功能电能表的需求大大增加。目前国内多功能仪表种类少，价格高，功能不完善。它们往往只针对某些地区的特定要求而开发，缺乏通用性，有些产品不能完全满足国标的要求。本文介绍的电子式多功能电能表就是为了满足这一市场需求而设计的。
这是一款智能高科技电能计量产品，可以同时测量正/负有功电能、正/负无功电能和四象限无功电能。还具有多费率控制、负荷曲线记录、各相失压、过压和频率超限记录、数据液晶显示等多种功能。主站可以通过RS-485总线或手持红外抄表器进行抄表、设置和抄表。
软件代码全部用C/C++语言编写，编码效率高，可维护性好，便于模块化设计，功能模块可以根据用户需求轻松裁剪。而且代码经过了优化，生成的目标代码的大小和执行效率与汇编代码相差无几。该产品的技术指标完全符合GB/T 17215-1998《1和2级静止交流有功功率表》、DL/T614-1997《多功能电能表》和DL/T645-。
多功能电能表的总体结构和硬件设计
多功能桌子的整体结构
MCU主控制器是电子式多功能电能表硬件的核心，负责按键输入扫描、工作状态检测、计量数据的读取、计算和存储、电表参数的现场配置以及与外界的通信控制。其主要功能单元包括MCU主控制器单元、电量测量模块、红外和RS-485通信模块、电表校准模块、EEPROM存储阵列等。其他辅助模块主要包括:时钟日历电路、异常报警电路、按键输入电路、复位和看门狗电路、开关电源模块和备用电池电路、大屏幕液晶显示模块和LED显示模块。多功能桌的整体结构框图如图1所示。
高性能主控制器单元
主控制器采用NEC公司8位单片机中的高档产品uPD78P0338。该单片机采用120引脚QFP封装，集成了60KBFlash、异步通信串口、40x4 LCD驱动、高达10MHz的总线时钟和10位ADC的10通道，可通过简单的接口在系统中编程，极大地方便了在线调试和软件升级。并且支持高级语言，很好的满足了多功能表任务多、数据量大、算法复杂等功能需求。
串行端口多路通信单元
通信电路模块主要包括TSOPl838红外接收器、红外发射二极管、载波电路、MAX487专用485收发电路、驱动/开关二极管等部件。
为了方便用户抄表，本电能表设计了红外本地抄表和RS-485集中抄表两种串行抄表方式。由于uPD78F0338只有一个串口，所以在通信电路设计中采用了串口复用技术。互补开关由9012、9014和几个电阻组成，通过单片机的一个I/O口控制红外和RS-485通信模式的切换，如图2所示。
高精度电量计量模块
计量模块由高精度专用电能计量芯片SA9904、电流互感器等外围电路元件组成。SA9904是Sames公司生产的三相双向功率/电能计量芯片，可以测量有功/无功功率、电压、频率、异常相序等。，并能独立测量各相用电信息，符合IEC521/1036标准，能满足1交流电能表的准确度要求。每个数据寄存器都具有24位精度。因此能更好地满足多功能仪表测量各种电数据的要求。SA9904引脚及其外围电路图如图3所示。
其中CLK、DO、DI构成与MCU控制器的接口，用于传输控制命令和测得的电量数据，IIps、IIPt、IIPr用于电流采样，IVPl、IVP2、IVP3用于电压采样。
时钟日历模块
时钟电路采用EPSON公司生产的RTC-4553实时时钟芯片。内部集成了32.768kHz的石英晶体振荡器，简化了外围电路，可以根据需要自由设置以获得更高的频率。同时集成了时钟和日历计数器，可选择24小时或12小时的显示模式。时钟可通过软件每隔30秒调整一次，并提供0.1Hz或1024Hz的定时脉冲输出，可在电能表外定时校验时钟精度。RTC-4553引脚及其外围电路图如图4所示。
其中，SCK、辛和Sout与主处理器接口，以发送控制指令或传输日期和时间数据。该系统的日历时钟模块使用电池作为备用电源，以确保断电时日期和时间的准确性。
多功能电能表的软件设计
数据结构设计
多功能电能表涉及多种多样的数据类型。字节包括单字节、双字节、三字节、四字节和六字节等。根据表示的含义，包括时间、时间、电压、电流、有功功率、无功功率、有功电能、无功电能、频率、功率因数、阈值、状态字、系数、表号等。复杂的数据类型对数据结构的设计提出了更高的要求。这种实现方案通过采用各种数据寻址方法和各种类型的存储器来解决这个问题。
数据结构设计要点
系统的数据存储方式有:内部ROM、RAM和外部EEPROM。
内部ROM用来存储大量的常数表，RAM用来存储临时变量和栈。这种方案需要2.5KB左右的RAM，而串行EEPROM存储各种用户电量数据和表格设置参数，通过12C总线与CPU交换数据。根据设计要求的最大要求，电能表需要250KB左右的EEPROM。该方案由8片256位EEPROM级联而成。
数据寻址模式
EEPROM的数据存取采用两种方式；直接地址访问，直接通过数据的EEPROM地址读写数据；数据ID寻址，通过数据编码读写数据。
通信端口复用功能的设计
红外通信和RS-485***通过串行端口(RxD/TxD)进行通信。由于串口通信是从一个低电平位(0)开始的，所以红外接收器(与485接收器之间用一个晶体管隔开)被引到一个中断引脚INTP1，通过它引起的中断可以判断串口数据是否来自红外。发送的时候，及时发送，不要互相干扰。由于红外通信和遥控接收器使用同一个接收管，当判断红外源中断时，启动定时器INTTM4检测红外接收器。如果脉宽为9ms或0.56ms，则判断为红外遥控，根据定时检测遥控码。否则，判断红外产生的串口接收中断，定时检测关闭。
红外38.4kHz调制信号由CPU内部分频输出(P05/PCL)。f = FX/27 = 4.9152/128 = 38.4 khz .
由于红外传输字节之间有15 ~ 20 ms的可选延迟，485通讯不需要延迟。在传输中断中进行数据传输，传输操作后立即关闭红外通信的传输中断许可，延迟时间到期后允许传输中断。
多功能表格程序流程图
多功能表主程序流程主要包括初始化、数据校验、负荷曲线修复和事务处理，其流程图如图5所示。
日常交易处理流程体现了多功能电表的大部分主要功能，包括费率处理、计量数据采集与处理、自动抄表、电力脉冲输出、电表校准模块、停电检测与处理模块等。流程图如图6所示。