MAXQ3120电表参考设计的定制功能

介绍

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：

这里有个重要的假设：每个字符都可填入一个lcd寄存器。如果所采用的lcd结构中，属于1位显示的某些段要占用多个lcd寄存器，则需要修改整个updatelcd。

数字的显示顺序是什么？
程序假设最右端的显示数字，是32位显示参数的低四位。这是最自然的顺序；如果你将“123456”传递给参数，则显示器会显示“123456”。

信号指示器
如果你想在显示特定信息的情况下，同时点亮特定的信号指示器，则需要另外一个8位变量来存储指示信息。updatelcd程序使用一个switch结构，以在显示数字之后马上点亮这些指示器。

特殊状态显示
在displayformatter.c文件的最后还有一组程序。这些程序控制特殊状态显示，例如电表初始化、eeprom初始化和程序故障(异常)。它们被直接写入lcd寄存器，而且要针对不同的显示进行定制。

定制显示管理器
除了显示用电量、时间和日期以外，如果你还想显示其它信息，则需要修改显示管理器。

显示管理器的第一部分，处理电表地址设置信息的显示。仅当地址设置按钮被按下时才起作用，不需要修改这一部分。

显示管理器的其它部分，通过全局变量g_lcdmode来获取类别。为确定要显示的下一个条目，这个变量在一个字节内包括了所有必要的信息。它的格式如下所示：

总会显示电表使用过程中累计的总用电量，并显示由g_lcdmode字节所指定的条目。在本参考设计中，这个变量被固定为1―除了显示总用电量以外，只显示时间和日期。

控制变量
显示管理器由状态变量disp所控制，该变量有两个元素：item和state。由名字可以得知，disp.state存放显示控制器的当前状态，而disp.item跟踪将要显示的信息，具体含义如下：

定制这个程序提供两种选项。你可以选择改变disp.item的赋值，以及改变程序中它们的选择顺序，或者你可以选择完全替换掉该程序。后一种选择可能更好。如果为可能显示的每个条目指定一个独立位，或为可显示条目分配一个列表索引，显然这样的条目选择结构更加灵活。选择上面的结构是因为它需要的ram空间最小。

添加寄存器
dl/t 645规定了大量寄存器，用于控制电表运行的各个方面。每个寄存器由一个16位寄存器号指定。在参考设计中，增加了很多寄存器来控制电表运行的各个方面；在代码中给出了这些寄存器的说明。本讨论内容提供了必要的信息，以便通过扩展寄存器映射从电表中获取更多信息，或者控制新的电表运行特性。
寄存器管理器如何工作
所有任务都不能挂起正常的任务轮操作，寄存器管理器任务要遵循这一原则有很大难度。这是因为寄存器管理器是唯一能够读/写eeprom的任务，并且eeprom写操作需要(相对)较长的时间―几个毫秒。因为每20ms (60hz环境下是16.7ms)就要为dsp程序提供处理器时间，寄存器管理器在eeprom写周期过程中，绝不允许将系统挂起几十毫秒的。

要解决eeprom写入时间问题，一个显而易见的方法是将i2c程序置为中断处理方式。这样一来，寄存器管理器可以启动一个eeprom传输过程，随即返回主函数入口main()；之后每次被调用时，寄存器管理器都会通过检查eeprom子系统的状态，来确定任务是否已经完成。采用这种方案带来一个问题，adc周期非常短，以至于adc中断服务程序需要独占中断子系统。因此，必须采取一些其它保障机制。

解决的方法是采用一个全局标志位：eepromoppending。当这个标志位为低时，任务轮实质上是一个无限循环过程，反复调用系统中的每一个任务。当标志位为高时，任务轮被调用时执行一次并返回，并不调用寄存器管理器。这样有什么帮助吗？

当寄存器管理器需要执行一个耗时很长的功能时，它启动这个功能并通过轮询来确定其是否完成。在轮询期间，寄存器管理器将eepromoppending置为高，并递归调用任务轮。下面的代码给出了一个实际例子：

01: uint8 readeeprom(uint16 address, uint8 length, uint8 *pdata)
02: {
03: int i;
04: g_messageboard.eepromoppending = 1;
05: for(i=0; i 06: {
07: if(i>0)spintaskwheel();
08: eeprom_address = address++;
09: while(eeprom_read_byte())
10: spintaskwheel();
11: *pdata++ = eeprom_data;
12: } // for
13: g_messageboard.eepromoppending = 0;
14: return 1;
15: }

在上面的第4行，eepromoppending标志位被置为高。在第7和10行中，spintaskwheel被调用。如果eeprom标志位为高时调用任务轮，则spintaskwheel函数运行一次，并在不调用寄存器管理器的情况下返回。这样，即使由于寄存器管理器等候eeprom完成操作而停止下来，电表的其它部分仍可持续正常运行。

哪些任务知晓这些寄存器？
只有两个任务知道寄存器号：寄存器管理器和消息译码器。这些程序中，通常只需要对寄存器管理器进行修改。消息译码器识别出与口令管理和其它监控功能有关的寄存器，并且必须在采用正常处理规则之前获取这些信息。因此，要构建自己的寄存器，只需要熟悉寄存器管理器。 三类寄存器
通常，有三类寄存器：只读、读写和具有额外功能的读写寄存器。只读寄存器的一个例子是b611，rms volts、phase a。主机向这个寄存器写数据是不能执行的；实际上，如果电表收到写数据会将其丢弃。而且，多数只读寄存器都不在eeprom中：通常，在线计算这些寄存器的结果，并根据需要报告结果。

读写寄存器的一个例子是c032，meter number (电表号)。写入数值不会对电表操作产生任何影响，而且可以随时提取该数据。最后，一个具有额外功能的读写寄存器例子是c030，meter constant, active (有效电表常数)。当这个寄存器被写入数据时，寄存器管理器不仅要更新eeprom，同时也要更新dsp程序使用的电表常数。

哪些任务需要寄存器信息？
下表列出了需要寄存器信息的任务。

通常，你主要考虑添加可通过消息译码器访问的寄存器。你可以增加用于显示的寄存器(或者用于其它任务的寄存器，但是依据惯例，你会主要考虑那些可通过通信端口检索的寄存器)。

读写寄存器
首先考虑第一种情况，即存储和读取无额外功能的读写寄存器。为了添加一个存储于eeprom内的寄存器，你必须添加两处信息：maxq3120rd.h文件和寄存器管理器中的processregisternumber程序。

maxq3120rd.h包含一个由typedef定义的名为eeprom_data的数据类型。这个定义并没有被真正实例化；而仅仅是作为模板，用于定义数据如何存入eeprom。在eeprom_data定义的下面，还定义了两个宏，用来返回两个值，分别是结构中某成员的偏移地址和某成员占用的字节数。定义新寄存器的第一步，是在结构中添加成员(最好是在尾部)，从而为寄存器分配eeprom存储空间。

下一步是定义寄存器号。这需要编辑寄存器管理器中定义的regparmtable结构。这个表包含了电表中定义的每个寄存器，并按编号排序。每个成员包括：

寄存器号，16位无符号值。
物理数据单元编号，用于计算实际寄存器值。例如，寄存器9110请求当月总的正向无功用电量。它是两个电能累加器的和：包括1象限的用电量和4象限的用电量。因此，物理单元的个数是二。寄存器管理器必须提取指定单元(currentquadrant1accumtariff)和下一个单元(currentquadrant4accumtariff)的数据，并求和以获得所需信息。
每个单元的长度，以字节为单位。
存储的数据类型：int_reg，表示寄存器包含被视为整数的二进制数据；bcd_reg，表示寄存器包含的是传输前无需进一步转换的bcd码数据；或者mdh_reg，表示寄存器包含的是日期信息(月：日：小时)。
eeprom中数据的偏移量(单位为字节数)。
为了节约处理时间，processregisternumber程序采用二元搜索算法找出寄存器地址。因此，表格保持排序状态是非常重要的。如果寄存器表变得无序，结果就无法预料了。

一旦表格被更新，新的寄存器可以通过通信通道进行读写。电表到底如何处理该信息，是下一部分的主要内容。

具有额外功能的读写寄存器
还有一种应用情况，即你想让一个写事件触发额外的功能。为了达到这种效果，必须让寄存器管理器向额外任务发送一个消息，或者更新执行额外功能所涉及的ram内容。作为样例说明，可在寄存器管理器中搜索c030，你会找到下面这段代码：

switch(register.word)
{
case 0xc030: // meter constant, real
action_value = 0;
for(i=4; i>1; i--)
{
action_value *= 100;
action_value += (g_commbuffer.message[i] & 0xf) +
(g_commbuffer.message[i] >> 4) * 10;
}
set_e_pulse(action_value); // this will set e_pulse
break;

这段代码在eeprom的寄存器数据更新完毕之后运行。在这个条件下，主机请求改变电表常数。存储在eeprom中的电表常数寄存器更新过后，传输到通信缓冲器的毫秒数值被转换成内部电表单位，并通过set_e_pulse函数发送给dsp程序。

只读寄存器
一些只读寄存器只是简单地从eeprom中读取数据(如用电量)，并通过电表的其它进程来更新其中的数据。然而，另外一些只读寄存器(如rms电压)并未存储在eeprom内。这些寄存器数据存储在eeprom内是没有任何意义的，而且如果这样做并连续更新数据，会迅速损耗eeprom！你可以在processregisternumber中的表格注释里找到这些寄存器，表述为“not stored in eeprom”(未存储在eeprom内)。

这些寄存器由寄存器管理器的getspecialregister程序来控制。对应每个只读寄存器，程序都在switch分支选择语句中提供相应的条件。例如：

case 0xb611:// voltage (phase a)
g_messageboard.eepromoppending = 1;
request_rms(rms_voltage_request);
spintaskwheel();
while(!(dsp_ctrl & 0x20))
spintaskwheel();
*value = get_rms() / 1000;
g_messageboard.eepromoppending = 0;
*size = 2;
break;

这个例子阐明了一个重要事实，即任何任务都不能挂起任务轮。case的第一条语句将消息板中的eepromoppending标志位置为高。然后它要求dsp函数计算rms电压值，并在dsp函数忙时递归调用任务轮。当eepromoppending标志位置为高后，执行一次任务轮循环，并且不调用寄存器管理器，从而避免了无限递归。一旦dsp函数完成，将提取rms值并清除eepromoppending标志位。

请注意，对于这种类型的只读寄存器，不必在maxq3120rd.h文件中添加结构来保留eeprom存储空间。也不必向processregisternumber表添加成员。在处理基于eeprom的寄存器之前，寄存器管理器主程序总要调用getspecialregister。

定制dsp程序
参考设计的dsp程序是一套汇编语言模块，它负责处理从adc到脉冲生成以及报告电压、电流、功率和用电量的整个信号流。大部分程序不需要修改，但也许你希望修改以下方面：
采用一个不同的电流或电压变换器，从而需要不同的增益因子。
改变系统生成电表脉冲的方式。
改变前端滤波。
dsp程序是如何工作的，以及你可以安全地改变哪些单元，以下部分从较高的层次对此进行了说明。

注意：dsp模块以预编译的目标文件形式公开发布。只有在签署了保密协议(nda)的情况下才可以提供汇编语言源代码。更多信息，请联系dallas semiconductor/maxim。

存储
dsp程序用到ram空间的低地址部分。在dsp模块中搜索“data memory map”，可以看到dsp程序用到的一系列ram变量。前两个字节是一组控制dsp函数运行的数据位。

常数
可通过调整两个常数来设置电压和电流通道的满量程读数。它们分别是w_v_scale和w_i_scale。缺省情况下，这两个常量被设置为400v和250a。电压被设置为正常条件下不会超越的电平值(280vrms以上)，而电流设定值与可能的电表分流值相一致(250μ至500μ，典型值)。

接口程序
用户程序可以直接使用一些内置程序的返回值。如果可能，你应该通过这些内置程序与dsp函数接口，而不是直接与dsp函数使用的内部变量接口。

get_and_clear_usage: 这是c代码用来提取电量累计值的主程序。通常情况下，需要对用电量进行累计时，dsp程序会通知异步事件管理器。然而，随时都可以调用这个程序以获取精确的用电量读数(截至当前)。注意，iar编译器会自动传递a[0]内的函数参数，并将结果返回给a[0]。
get_frequency: 返回0.1mhz步长的线路频率。值得注意的是，这个子程序缺省情况下并未加载；dl/t 645标准并未要求频率结果。
get_power_factor: 返回负载的功率因子。
get_power: 根据参数不同，返回无功或有功功率。
get_maxd: 返回自上次调用该函数后，电表记录的最大需量(功率)值。
request_rms: 根据参数不同，要求dsp计算rms电流或电压值。
get_rms: 返回最近一次请求的rms值。
set_e_pulse: 接受一个电表常数，并设置适当的dsp变量以使该电表常数生效。
中断服务程序
参考设计只使能了一个中断：就是afe中断，adc上有一组新的采样数据时产生该中断。因为adc采样周期为48μs，实际上中断服务程序会很快地结束它的工作，并返回到主代码中―在两个中断之间只有384个指令周期！

中断服务程序执行以下功能：

生成输出脉冲：如果需要一个脉冲，则启动它。如果脉冲正在进行中，则递减持续时间计数器的值，并在计数器回零时终止脉冲。
累加求和：将最近的能量采样值累加到所有适当的寄存器中。
累计rms值：如果被请求，则累计i2或v2。
检查电压下限：如果电压低于门限值，则递增一个计数器值。
过零检测：如果电压信号正向过零，则设置一个标志位。