【自动化】智能ic电表的设计1

武汉理工大学毕业设计（论文）智能IC电表的设计学院（系）自动化学院专业班级电气1105班学生姓名肖厦颖指导教师黄亮学位论文原创性声明本人郑重声明所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包括任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保障、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关学位论文管理部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权省级优秀学士论文评选机构将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1、保密囗，在年解密后适用本授权书2、不保密囗。作者签名年月日导师签名年月日摘要智能电网建立在高速双向通讯网络的基础上，通过先进的传感测量技术，实时将采集到用户用电情况反馈回网络，紧密的供需联系使智能电网能及时应对电网出现的种种问题，使电网更加安全可靠、经济高效地运行。智能电网的卓越性能推动世界各国纷纷开始大刀阔斧地进行电力市场的改革创新。最早使用的电表是机械式电表，通过磁场对转盘产生的力矩转动转盘计费，这种电表弊端极多，磁场很容易受到外界环境的干扰，导致电能计量不精确，灵敏度和稳定性很差。其后兴起的电子式电能表抛弃了早先的机械式计量方式，利用集成电路进行数据处理，很大程度上提高了计量的精度，同时大大减小了电能表的体积。随着近年来电子技术的飞速发展，电路集成化程度更高，出现了单片机、DSP、ARM等微处理器，人们将这些智能化集成芯片应用于电表中，使更多拓展功能得以实现。本文设计了一款具有功率检测、显示功能，并能读取IC卡信息，能对电量进行管理的智能电表。本设计以DSP微处理器作为核心，将采样得到的电参量进行实时分析，可存储测量结果，并通过网络将结果反馈给上位机，有显示和简单的操作功能，实现了人机交互。本文首先介绍了基于傅里叶变换的谐波电能计量的理论基础，包括了对于周期信号的傅立叶级数分解公式、DFT的概念和FFT算法的基本原理，以及考虑谐波存在情况下的功率计算方法；然后介绍了系统硬件电路的设计，包括对前置电路、A/D采样电路、DSP数据处理系统，以及输入输出系统和IC卡读写模块的设计，讲述了元器件的选型理由和每个模块的硬件连接电路；最后介绍了系统的软件设计，利用模块化设计结构，分为DSP主程序、AD采样子程序、按键子程序、主循环流程几个部分说明，其中给出了FFT程序设计依据，即利用DSP浮点库，直接调用FFT算法，简单方便地实现了RFFT（快速FFT变换）。关键词智能电表；FFT；AD转换；DSPABSTRACTTHESMARTGRIDISBASEDONTHEHIGHSPEEDBIDIRECTIONALCOMMUNICATIONNETWORK,ANDFEEDBACKSTHEELECTRICITYCONSUMPTIONOFUSERSWHICHHASBEENCOLLECTEDTOTHENETWORKINREALTIMETHROUGHADVANCEDSENSORMEASUREMENTTECHNOLOGYTHEINTIMATECONNECTIONBETWEENSUPPLYANDDEMANDMAKESITPOSSIBLEFORTHESMARTGRIDTOHANDLESORTSOFPROBLEMSINTIME,WHICHHELPSTOACHIEVEGRIDSSECURITY,RELIABILITY,ECONOMYANDEFFICIENCYHIGHPERFORMANCEOFSMARTGRIDPUSHESCOUNTRIESAROUNDTHEWORLDTOINITIATEDRASTICTHEREFORMANDINNOVATIONOFTHEELECTRICITYMARKETTHEEARLIESTELECTRICMETERISTHEMECHANICALMETER,WHICHMEASURESELECTRICITYBYROTATINGTHEDIALVIAATORQUEGENERATEDBYTHEMAGNETICFIELDTHEREARESOMANYDISADVANTAGESINTHISWAYFOREXAMPLE,THEMAGNETICFIELDISSOSUSCEPTIBLETOTHEINTERFERENCEFROMEXTERNALENVIRONMENTTHATTHEMEASUREMENTISNOTTHATACCURATEANDTHESENSITIVITYANDSTABILITYISPOORTHENTHEELECTRONICELECTRICMETERWASINVENTED,WHICHABANDONEDTHEEARLIERMECHANICALMEASUREMENTMETHODTHEELECTRONICMETERUSESANINTEGRATEDCIRCUITFORDATAPROCESSINGITGREATLYIMPROVEDTHEACCURACYOFMEASUREMENT,ANDGREATLYREDUCEDTHEVOLUMEOFMETERSWITHTHERAPIDDEVELOPMENTOFELECTRONICTECHNOLOGYRECENTLY,THEINTEGRATEDCIRCUITISBETTER,ANDTHEMICROCONTROLLERMCU,DSP,ARMANDOTHERMICROPROCESSORSHASAPPEAREDTHEYAREAPPLIEDTOTHEMETERASINTELLIGENTINTEGRATEDCHIPANDMAKETHEELECTRICMETERACHIEVEMOREFUNCTIONSTHISPAPERDESIGNEDASMARTELECTRICMETER,WHICHCANDETECTPOWER,DISPLAY,READTHEICCARDINFORMATION,ANDBEABLETOMANAGETHEELECTRICPOWERTHISDESIGNUSESDSPASTHECPUOFTHESYSTEMITCANANALYSISELECTRICALPARAMETERSTHATHAVEBEENCOLLECTEDINREALTIMEANDSTORETHEMEASUREMENTRESULTS,ANDTHENFEEDBACKTHESERESULTSTOTHEUPPERCOMPUTERTHROUGHTHENETWORKITCANALSODISPLAYTHERESULTSANDALLOWSDOINGSOMESIMPLEOPERATIONTOACHIEVETHEHUMANCOMPUTERINTERACTIONFIRSTLY,THISPAPERINTRODUCESTHETHEORETICALBASISOFTHEHARMONICENERGYMETERINGBASEDONTHEFOURIERTRANSFORM,INCLUDINGDECOMPOSITIONFORMULAOFFOURIERSERIESFORAPERIODICSIGNAL,THEBASICPRINCIPLEOFTHECONCEPTOFDFTANDFFTALGORITHM,THEPOWERCALCULATIONMETHODINCASEWHERETHEREISSOMEHARMONICTHENTHISPAPERINTRODUCESTHEDESIGNOFHARDWARECIRCUIT,INCLUDINGTHEPRECIRCUIT,A/DSAMPLINGCIRCUIT,DSPDATAPROCESSINGSYSTEMS,THEINPUT/OUTPUTSYSTEMANDICCARDREADERMODULEDESIGNITMAINLYTELLSTHESELECTINGREASONSOFHARDWARECOMPONENTSANDDESCRIBESTHESECONNECTIONCIRCUITSOFEACHMODULEFINALLY,THISPAPERINTRODUCESTHEDESIGNOFTHESOFTWARE,ITCANBEDIVIDEDINTOFOURPARTSTOEXPLAINWITHAMODULARDESIGNSTRUCTURETHEMAINPROGRAM,ADSAMPLINGSUBROUTINE,KEYSUBROUTINE,THEMAINLOOPFLOWAMONGTHESEPARTS,ITSPECIALLYEXPLAINSTHEDESIGNFOUNDATIONOFFFTPROGRAM,WHICHUSESTHEFLOATINGPOINTUNITOFDSPANDCALLSTHEFFTALGORITHMDIRECTLY,MAKINGITEASYTOACHIEVETHERFFTKEYWORDSSMARTELECTRICMETERS；FFT；A/DCONVERSION；DSP第1章绪论11课题的研究背景最早使用的电表是机械式电表，通过磁场对转盘产生的力矩转动转盘计费，电流大小改变磁场大小，从而改变力矩及旋转速度，起到计量电费的作用。这种电表弊端极多，磁场很容易受到外界环境的干扰，导致电量计量不精确，灵敏度和稳定性很差。其后兴起主流使用的电能表是电子式电表，电子式电表抛弃了早先的机械式计量方式，而是采取利用集成电路进行数据处理的方式，对电能进行计量，大大减小了电能表的体积，很大程度上提高了计量的精度。随着电子技术的发展，电路集成化程度更高，单片机、DSP、ARM等微处理器也在快速发展，人们将这些智能化芯片应用于电表中，实现了更多的拓展化功能，随之涌现出了许多功能更强的智能电表，例如分时计费电表、异地抄表电表、智能IC卡智能电表等。12本论文研究方向作为智能电网的用户终端，智能电表也随之迅猛发展。世界各国都在积极发展智能电网的建设，网络化管理的兴起，直接导致了智能电表普及率激增，据调查研究统计，智能电表将在2020年突破2亿只的使用量。我国也紧跟世界形势，积极推进智能电网的建设。随着不断地改进，电表也从传统的机械式电表、人工抄表模式，逐渐变化到如今常见的电子式电表。然而这依然不能满足国际上对智能电表的定义，除了能像传统电电表能计量电量之外，智能电表还应具有如预付费等支持用户控制的功能，不仅计量保证精确，还要能实现防窃电漏电等智能化功能。所以本文在基本的电子式电能表的基础上，设计一款具有功率检测、显示功能，并能读取IC卡信息的电能表，以005精度级精准地进行计量，并且可以管理用户使用的电量。第2章总体设计方案21系统设计思路目前国内市场通用的电表多使用单微处理器结构，利用单片机或者DSP就可以完成数据处理、显示通讯等功能。还有小部分电表采用双CPU结构，即DSP加MCU的结构，DSP具有高速运算的能力从而被用来进行高速的数据处理，而MCU将数据处理的结果再处理，即负责系统调控、显示，连接上位机等功能。但这种构造的测量仪器结构复杂且成本很高。随着DSP的快速发展，其运行速度和引脚数量越来越多，内部存储空间和集成的外部设备也越来越丰富。它已经可以代替MCU实现许多的拓展功能，而且DSP在数字信号处理的运算速度上明显优于MCU，本文是针对智能电表的设计，由于智能电表所需的相关功能由单独的DSP已经可以很好地实现，故而并不需要采用双CPU的结构进行设计。22总体设计框图本次设计中要求智能电表要能够实时准确计量单相用户消耗的电能，能够显示当前时刻的电压和电流大小。其次，电表所测得的功率和消耗的电能数据能够通过无线通信传到上位机。最后，电表具有预付费功能，能够通过读写IC卡实现计费功能。系统的总体设计框图如图21所示，配电网电压电流信号属于强电信号，数字电路不能直接对其处理，且信号中含有丰富的谐波成分，在对信号采样前需要进行信号调理。前置电路包括电压互感器PT、电流互感器CT和放大、滤波电路。强电压、电流信号通过电压互感器和电流互感器即变为弱电信号，互感器实现了一次侧强电和二次侧弱电信号的隔离，确保二次计量电路的安全。互感器输出5V以内的弱电压信号，这一信号中还含有丰富的谐波成分，依据采样定理，为了避免发生频谱混叠，要求采样频率高于信号中最高频率的两倍。若直接用AD对互感器输出信号进行采样则采样频率会相当高，给后续信号处理带来麻烦。所以互感器输出信号还需通过低通滤波和放大电路，滤除原信号中的高频谐波和噪声，调整信号幅值大小，便于AD采样。调理后的信号通过16位高速AD（模数转换器）转换为数字信号，实现高速采样，并将数据传输到DSP中，DSP最后对采样得到的数据进行计算处理，这样就得以精确实时地测量功率等重要电参量。DSP同时负责整个系统的控制管理，通过连接按键获得用户指令，通过LED数码管显示电参量，通过IC卡存储电量消耗数据和计费信息，通过GPRS网络发生功率和电量计量数据。PTCT放大器A/D转换器DSP显示滤波电路按键图21系统总体框图第3章电能表谐波电能计量的理论基础精确计量用户所用的电量是电表的主要功能，在智能电表的设计过程中要尽量提高电表的精度。然而电网谐波的存在使传统的计量方法不能精确地反映用户实际的用电量。谐波是叠加在基波上的正弦分量，其频率是基波频率的整数倍。要想准确计量电量，就要在设计中考虑到谐波对测量结果的影响，对电网采样的数据进行谐波分析，使结果更加准确。法国工程师FOURIER在1822年提出一项重大理论即任意一个连续的周期函数XT都可以分解为无穷多个不同频率正弦函数的和。这就是本设计谐波分析的理论基础。把连续的时域信号转换为频域信号的方式称作连续傅立叶变换，它是电力系统信号处理领域中一种重要分析方法。在实际的信号分析计算中，处理器难于对连续信号直接处理，通常需要对连续信号进行采样，对所得离散信号进行分析，与连续傅立叶变换相对应的分析方法是离散傅立叶变换（DFT）。由于离散傅立叶变换的计算量非常大，即使对长度较短的信号做离散傅立叶变换也需要完成相当多的复数乘加运算，这大大限制的离散傅立叶变换的实时运用。快速傅立叶变换FFT的出现解决了这一问题，FFT并不是一种新的算法，而是快速计算离散傅立叶变换的一种方法，FFT的出现大大减小完成离散傅立叶变换所需的计算量和所需存储空间，加快了离散傅立叶变换的运算速度，这一算法开启了数字信号处理的新篇章，使得实时分析信号的频率成分变成可能。目前多种DSP对乘加运算均有专门的硬件电路实现，可以在一个指令周期内完成一次加法运算和一次乘法运算。通常可见的各种型号的DSP都提供了专门的快速傅立叶算法函数，这些函数充分利用硬件电路资源和快速傅立叶算法的特征，使得快速傅立叶算法在DSP上实现快速而准确，开发方便。本设计利用快速傅立叶算法分解电能信号，DSP接收到AD采集到的数据后，通过快速傅立叶变换，可以得到基波和各次谐波的电量参数，然后再计算功率和电能。31傅立叶变换原理电力系统的电压、电流等非正弦周期信号可用以时间T变量的周期函数表示如下（31）FTFTKT式中T表示周期,单位为秒。该周期函数变化的频率为，0,12TF/1角频率为，令，该周期函数可以表示成为F/2T（32）RTFK式中为该周期函数的周期，以角度表示，单位RAD，。R2TR将周期函数用傅立叶级数进行分解,可以将原函数表示为基波和无数高FT次谐波之和，如下所示（33）1022110SINCOSISINSINNNTBTAATATTTF式中是直流分量，和分别是第N次谐波的余弦系数和正弦系数。（34）SINA（35）COB（36）2NNA（37）NBRCTG利用正弦函数的正交性，可得到（38）21100TDFDTFTA（39）COSCOS200TNTFTNTFN（310）I1I200TDTFTDTFTBN通常情况下，电力系统畸变波形幅值是连续的，没有数学意义上的间断点，满足傅立叶级数存在的条件,因此都能按上述方法将波形分解,表示为基波和无数高次谐波之和1。32离散傅立叶变换DFT由于实际的信号都是连续的，数字信号处理器难于直接分析，所以一般先将它采样做离散化再进行分析。离散傅里叶变换就可用来分析经采样离散化的模拟信号。时域下连续信号的频谱可如下式表示（311）DTETXXJ将X（T）抽样后得到X（NT），离散信号X（NT）的傅里叶变换可以表示为（312）10NNKNKW其中，被称为蝶形因子。公式（312）计算了0,1KJE/2N点的离散傅立叶变换。计算X（K）约需次复数加法和次复数乘法。当22NN较大时，这个计算量相当大，限制了离散傅立叶变换的运用。蝶形因子良NW好的对称性和周期性可以用来加快运算的速度2，下面为对称性和周期性的表达式对称性2/NKKNW周期性33快速傅里叶变换（FFT）傅里叶变换的发现使得许多在时域下不易分析的复杂信号得到一种简便的分析方法。复杂信号在频域下往往展现出一些有价值的特征，但是在进行频谱分析时，离散傅立叶变换的计算量太大，导致了运算不易实现。这之后直到1965年，COOLEY和TURKEY机器计算傅立叶级数的一种算法一文的发表，提出了基于离散傅里叶变换的新型算法，这种新型快速算法解决了之前的问题，大大减小了运算量，经过后人多年的改进，进一步减小了计算量，更加适合于处理器运算，发展成为一套完善的、高效的计算方法，被称作快速傅里叶变换。快速傅立叶变换是近代数值计算最重要的成果之一，过去的数值处理、模拟研究等工作往往要等试验结束后才能进行，而FFT可使这些工作得以实时完成。它将以往要事后进行的数据处理和系统模拟研究等工作进入到实时处理状态，打开了数字信号处理应用上的新局面。快速傅立叶变换的原理与离散傅里叶变换一样，不同的是快速傅里叶变换大大减少了计算离散傅里叶变换所需的乘法和加法次数，使N点的DFT的运算量从数量级降为NN数量级，从而极大地提高了运算速度。快速傅立叶算法可分为两大类即按频率抽取DIF快速傅立叶算法和按时间抽取DIT快速傅立叶算法3。本设计选用较为常见的按时间抽取快速傅立叶算法。按时间抽取快速傅立叶算法是将输入序列XN按N的奇偶分解为奇序列和偶序列4奇序列偶序列分别令N2R，N2R1，R0,1,2,N/21，可得（313）/21/212100/2/2RRNNKRKNRRRRRRXKWXW式中4/NN/2JJNE令（314）/21200,1/K，21RKNRAX，（315）/21/20,/W，NRKRB，N于是（316）KA0,1，/12KN，XB根据蝶形因子的对称性，可以得到2/KN/2,/，N，N这样X（K）就能用A（K）、B（K）完整地表示出来。当N8时，A（K），B（K）及X（K）的关系如图所示图31N8时的FFT变换关系按照上述方法继续分解，再分别令R2L，R211，L0,1,N/41，则A（K），B（K）又可分别表示为（317）/41/4122100/4/4WWNNLKLKNLLLLLLXXLL（318）/41/40KL，,1/NLKNLC（319）/41/40DL2，0,/41LKLX则（320）/2KC,N/KNAWD（321）/,0,1/44K同理，令（322）/41/40KL,K,N/NLNLEX（323）/41/40L3W,0,1/4LKLF那么（324）/2K，,/KNBF（325）/2KEWK，0,1N/44NBF若N8,这时CK,DK,EK,FK都是2点的DFT,不用继续分解了,即（326）0X4,X5126F037,1CD当N16,32,或2的更高次幂时，原序列的离散傅立叶变换均可按上述方法继续细分下去，直到2点的离散傅立叶变换为止，可以方便地直接求出。蝶形运算如下图所示X1KX2KX1KWNKX2KX1KWNKX2K图32蝶形运算示意图34谐波功率计算在考虑电网谐波的情况下,电压与电流分别表示为（327）1SINKTNKKUU（328）1ITKKII式中，为第K次谐波电压峰值和电流峰值。，为初相角。KUIK1有效值的计算电压有效值的定义为（329）201TRAMUUDT直接将此公式离散化，用离散求和代替积分，可得（330）2S1MRAMUU式中M表示每周期电压信号的采样的点数，通常为2的幂。电流I的有效值定义类似，表示如下（331）2S1IMRAMI2单相有功功率的计算有功功率一般是指平均有功功率，其定义为（332）0UIDTTPT36仿真分析为验证本章前面几节所提出的算法，本节将用SIMULINK和MATLAB联合仿真验证智能电表的工作原理。整体的思路为在SIMULINK中模拟谐波电压并施加到感性R和L串联负载的两端，测出负载两端的电压和电流，输入到MATLAB的工作空间中。在MATLAB中对SIMULINK产生的电压和电流信号进行快速傅立叶变换，再求得各次谐波功率之和。SIMULINK中的仿真模型如图33所示，通过谐波电压生成函数US，产生含有13次谐波的谐波电压源，加到RL负载两端，再用电压表、电流表、示波器，得到电压、电流的波形。US函数设置基波幅值为220V，初相角为0，第3,5,7,9,11,13次谐波的幅值分别为20V，10V，18V，17V，19V，18V；初相角分别为1/6，1/5，1/6，1/4，1/5，1/7。负载为20和10MH电感的串联阻抗。图33谐波电压带负载仿真模型示波器显示的电压、电流波形如图34,35所示。图34电压波形图图35电流波形图仿真中，为了得到较高的计算精度，且便于后续数据处理，设定了一较小的仿真步长，一周期取512个采样点计算，然而本设计预设每周期进行64点FFT变换，所以需要在每八个点中只取一个点，对512点信号抽样后变为64点，再做FFT变换，作出输出FFT变换所得的电压、电流频谱，如图36和图37所示。图36电压频谱图图37电流频谱图由电压和电流的傅立叶变换结果，算出电压和电流相位，再算得各次谐波电压和电流的相位差。电流幅值、电压幅值和相位差的余弦值之积再求和即为功率值。最后求得各次谐波功率P约为603313W。35本章小结本章主要内容是基于傅里叶变换的谐波电能计量的理论基础。包括了对于连续周期信号的傅立叶级数分解公式、离散傅立叶变换的概念和快速傅立叶算法的基本原理与按时间抽取快速傅立叶算法的实现，最后介绍了考虑谐波存在情况下的功率计算方法，并给出了仿真分析。第4章系统硬件设计41硬件系统总体方案设计系统硬件设计分为前置电路、A/D采样电路、DSP数据处理系统、输入输出系统（按键模块、显示模块和通讯模块）及IC卡读取模块这五大部分。MAX72198个8位共阴极LEDDIG07AG,DPDSPTMS320F28335UI前置电路KUKI按键模块A/D转换器SLE4442IC卡读写模块显示模块SIM300C图41系统总体设计图本设计的数据处理核心为FFT算法，可以选用MSP430系列单片机或者DSP芯片。前文已经提到，本设计对精度要求较高，对每周波进行64次采样。普通单片机的计算能力较差，尤其是对谐波分析时，需要进行快速的乘法和加法计算，然而普通单片机运算速度较慢，达不到本设计数据处理对实时性的较高要求；对于MSP430系列单片机，虽然能完成FFT算法，但由表41可知，MSP430做一次64点FFT浮点数运算的时间在108MS，而本设计要求一个周期（即20MS）内完成对电压、电流信号的两次64点FFT运算，所以使用MSP430单片机依旧达不到本设计对计算速率的要求。表41单周波打点数与时间对应表算法N64N128N256N512N1024MSP430扩展C16位整型09MS21MS47MS89MS229MS标准ANSIC32位浮点型108MS257MS597MS1354MS3042MS而DSP芯片具有高速信号处理的能力，能有效实现复杂、先进的算法，尤其是DSP具有轻松实现FFT算法的优点，而且速度快精度高，故而本文采用DSP进行数据处理，完成数据的计算以及程序控制等工作，系统运算速度也得以大幅提高。DSP同时可以完成系统控制功能，将计算得到的数据二次处理，实现指令的键入，数据的储存与显示。下面将分别对各部分进行器件的选取及设计说明。42前置电路前置电路指输入A/D转换器之前的信号处理电路，包括了电压互感器（PT），电流互感器（CT）和放大器。由于数值较大，从电网采集的电压和电流信号并不能直接输入到模数转换器中，所以本设计先通过前置电路将其从大电压、大电流转换为适合A/D转换器输入的小电压、小电流信号,为后续输入模/数转换模块中进行处理做好准备。421互感器的选取与设计如果采用传统的电磁式电流互感器进行电流转换，则需要在互感器二次侧接入小电阻将电流信号转换为电压信号输出，会产生会影响一次侧电压，而且二次消耗功率，造成发热问题，影响测量精度，所以本设计中的电流转换功能通过霍尔电流传感器来实现，霍尔电流传感器可将输入电流信号直接转换为电压信号输出，实现电流的非接触测量。由于本设计的输入电流取自电网，若家庭电功率为7KW，电压有效值为220V，那么电流有效值大概为30A，所以选用南京托肯电子生产的型号为TBC50SY的霍尔电流传感器，其参数见表42。本设计选用山东力创公司型号为LCTV3JCF的电压互感器，因其机械性能好，、耐环境温度范围较大，电压隔离能力强，安全可靠，且性价比高。表42霍尔电流传感器TBC50SY相关参数产品型号TBC50SY额定输入电流3050A测量电流范围90150A匝比1300013125内接测量电阻400250额定输出电压405V电源电压155V静态功耗电流15MA零电流失调20MV失调电压漂移05MV/线性度01FS响应时间1S绝缘电压50KV工作温度4085储存温度40125表43电压互感器相关参数产品型号额定输入电压额定输出电压误差线性度线性范围隔离耐压LCTV3JCF220VAC05VAC01L12倍额定2500V422放大器和滤波电路的选取与设计在信号没有受到干扰等理想情况下的时候，常采用通用运算放大器对微弱的信号进行放大，然而实际的传感器工作环境往往引起其两条输出线上产生较大的干扰信号，有时是共模干扰5。而在智能检测系统中，往往对精确度要求较高，需要将传感器输出的电信号按所设倍数精确放大，而这些信号通常是差值信号，只有放大电路具有高的输入阻抗，有较大的共模抑制比，才能满足实际要求6。本设计选用AD813X作为放大器。AD813X不同于常规的运算放大器，它多一个输入端和一个输出端，并且有两个反馈回路（常规运放只有一个反馈回路）。这种结构特点使更多新型电路的设计成为可能，同时仍然可以利用运算放大器的基本原理（“虚短”和“虚断”）来分析其放大倍数等工作参数7。AD813X基本电路结构如图42所示。AD813XININRG1RG2DINDINVOCMOUTOUTRF2RL,DMVOUT,DMRF1图42AD813X基本电路结构图AD813X共有7个有用引脚，另一个引脚NC为无用引脚。其中，IN、IN分别是正输入、负输入；OUT、OUT分别是正输出和负输出，这里要注意，OUT和DIN反相；V和V分别为正电源电压和负电源电压；VOCM引脚的电压以11的比例设定共模输出电压，例如此引脚电压为1V，那么OUT和OUT的直流偏置电平就是1V。假设两个反馈回路的反馈系数分别为1、2，那么根据运算放大器的典型假设可以得到1122/GFR由此又可得打适用于任何1和2值的单端转差分增益方程1/当设定的时候，增益方程可以化简为。12/FGFGRR/FGR常用的滤波器有巴特沃兹（BUTTERWORTH）滤波器、切比雪夫滤波器、贝塞尔（BESSEL）滤波器等几种8。巴特沃兹滤波器很好地平衡了衰减和相位相应，通带、阻带都不存在纹波，但是其通、阻带间的过渡较宽，瞬态特性一般。相同阶数下，切比雪夫滤波器的过渡带相对较窄，而其通带纹波比较明显。贝塞尔滤波器瞬态相应更好，但是它的频率相应相对较差。综合考虑本设计的各种要求，选择切比雪夫滤波器来完成滤波功能。本设计取到的最高次谐波为第13次谐波，而根据采样定理，采样频率应不超过第32次谐波的频率，所以要求将33次及以上的高次谐波完全滤去，要求滤波器必须有优越的瞬态相应，可以忽略一部分纹波带来的影响，所以，切比雪夫滤波器相对之下最适合用于本设计。ACVIN4992492K100PF953215K33PFVOUT2K100PF953215K33PF549549200PF200PF图43放大滤波电路如图43是放大滤波电路的设计。由AD813X放大器和切比雪夫滤波原理结合而成，构成一个有源滤波器。由图该图参考了ADI公司提供该款滤波器应用设计资料。由前文介绍的该类放大器原理可知9，这个有源滤波器结构在信号的输入部分有两个极点，在信号的输出部分有一个极点，可以实现差分输出，可在驱动差分输入的A/D转换器的时候起到抗混叠的作用。由前文的讨论，利用图43所示结构可实现一个三阶切比雪夫滤波器，设计其截至频率为16KHZ，由MATLAB滤波器设计工具求得该滤波器的三个极点分别为33512，1675687063，8706285I。由此求得滤波器的传递函数为235135179684KHSSS放大器的输入端是一个多路反馈结构，可较为方便的实现二阶环节，其等效电路图如下图所示。而需要实现的传递函数为1132521211131413425由文献14中所示参数的计算过程如下首先选定选定，求得中间变量543CPF，计算有052796871KF2512143438973085270734HPFNRKK实际中选择VISHAY公司的HA系列电容器，HA10C01E容值43PF，HA10C01M容值82NF，D55342K07B电阻51K，D55342K07B电阻255K。在输出部分实现一阶环节，采用RC低通滤波结构，传递函数为11参数计算如下。选定，则100120153661001091864实际中选择VISHAY公司的D55342K07B18E2RS2电阻，阻值为182K。293D1051010A2电容100NF。在MATLAB中做出其BODE图，可得频率响应如图所示，可见该滤波其满足设计要求，能够滤掉高频谐波，防止信号采样造成频谱混叠。43采样电路A/D转换作为采样电路的核心，对本系统的各项性能指标至关重要。电能表对数据采集的精度要求较高，如果精度不够高，将会直接影响到采样电路之后的数据处理部分的数据结果，导致结果出现较大偏差。431A/D转换器的选取（1）A/D转换器的位数检测系统的精度和其检测范围的大小决定了所需A/D转换器的位数。一般来讲，其位数至少需要比总精度要求的最低分辨率高一位，且由这个位数对应的最低分辨率应不低于系统中其他模块所能达到的最高精度。本设计要求的最小精度级为005，即005，一个N位A/D转换器的精度为1/2N，12、14、16位A/D转换器均可以满足005精度级的要求，本设计选用16位A/D转换器，因其比较常见，而且便于编程，同时，16位的高精度采样有利于合理分配误差来源。（2）A/D转换器的转换速率A/D的转换速率主要由信号的最高频率决定，满足采样定理，即在进行模拟/数字信号的转换过程中，当采样频率大于最高频率的2倍时FSMAX2FMAX，采样得到的数字信号可以完整反映原信号包含的所有信息10，实际工程中一般还要求采样频率要达到被采样信号最高频率的510倍。假设所考虑的电网最高次谐波为第13次谐波，那么本设计选择每周波采样64个点，即采样频率大概是最高次谐波频率5倍，基本满足采样定理和工程实际的要求。综合以上分析，本文选用两片ADI公司生产的AD7610作为模数转换器，分别将电压、电流信号转换为数字信号输出，以实现对信号的处理和分析。AD7610是16位、速率为250KSPS、单通道、单极性/双极性可编程输入的A/D转换器。其软件可编程输入范围为5V，10V，符合前一环节放大器的输出电压范围；转换速率和信噪比高，满足本设计测量要求；价格比四通道输入的AD974等芯片相对较低，也满足性价比高的设计需求。432AD7610介绍AD7610共有48个引脚，图44为其引脚图。图44AD7610引脚图（1）电源类模拟电源地引脚AGND（1,3,42脚），模拟电源引脚AVDD（2,44脚），输入/输出接口数字电源地OGND（6,7,17脚），输入/输出接口数字电源OVDD（18脚），数字电源DVDD（19脚）,数字电源地DGND（20脚），输入范围选择TEN（30脚）和BIPOLAR（36脚）配合以选择输入电压范围，如表44所示。表44输入范围选择输入范围BIPOLARTEN0V至5V低电平低电平0V至10V低电平高电平5V高电平低电平10V高电平高电平（2）输入/输出信号类模拟输入地检测IN（39脚），模拟输入IN（40脚），并行16位输出口D0D7（916脚）和D8D15（2128脚）。（3）控制信号类串行/并行选择输入SER/PAR（8脚），输出繁忙BUSY（29脚），读取数据/RD（31脚），片选/CS（32脚），关断输入PD（34脚）。44DSP数据处理系统DSP是本设计数据处理的核心，通过DSP，可以完成数据采集、处理、计算、存储等功能。同时，DSP控制前置电路中的A/D转换器，使其配合数据处理的速率，高速有效地进行模数转换，一些可控接口电路也由DSP控制，协同DSP工作运转。441DSP在电能计量中的应用上文已经提到，DSP由于其运算处理的快速性和精确性，而优于普通单片机，作为精确测量仪表设计中的首选。作为电网不可或缺的元素之一的电能表，其计量精度更是关系到家家户户的使用者，只有电表的精度达到要求，才能保证用户用电量的精确计量，保证供电方及时对用户用电情况合理准确地进行分析，从而为广大用户提供更稳定、更经济可靠的用电环境。普通的单片机囿于其计算能力的有限性，不能满足电能表作为计量工具对精度的要求，目前，国内已有智能电表生产商选用DSP作为核心测量芯片，以获得电能计量精度的大幅提高，这也为后续电能表测量技术的发展开辟了新的领域11。本设计也沿用这一思路，以DSP作为数据处理的核心，完成相关功能。442DSP的选取（1）定点DSP。定点DSP只能完成对整数的运算，不能在较大动态范围内进行运算，而且在运算时要考虑到数值“溢出”的问题，给编程带来许多麻烦，但其优点在于运算简单，功耗较小12。（2）浮点DSP与定点DSP相对比，浮点DSP不仅可以处理整数，也可以对浮点数进行运算，因为其允许尾数、阶码的数据格式，所以能提供很大的动态范围，浮点DSP更复杂的结构也使其拥有实现更多功能的强大处理能力，但同时，长指令及宽的地址总线也给它带来了相对较大的功率损耗13。因本设计对功耗要求不高而对数据精度要求较高，故选用浮点DSP。综合比较众多DSP的性能和国内市场应用率，本文选用美国德州仪器（TEXASINSTRUMENTS，TI）公司新推出的TMS320F28335作为数字信号处理器，TI公司是世界上最大的DSP供应商，其市场份额远远领先于同行业的其他产家，在中国市场占有的市场份额也相当大，选用该系列的DSP，除了其具有更优的结构功能、能实现设计要求的功能之外，还可以得到丰富的软硬件材料支撑，对后续设计较有帮助。TMS320F28335是一款32位定点并包含单精度浮点运算单元（FPU）的DSP，片内资源丰富，与原有的C2000系列DSP相比，TMS320F28335DSP增加了浮点运算内核，在保持原有DSP芯片优点的基础上，实现了进行复杂浮点运算的功能，同时节省了程序代码的执行时间和存储空间，具有成本低、功耗小、精度高、外设集成度高等优点。443TMS320F28335简介TMS320F28335在原有的32位定点架构之上，多含一个32位单精度的TI浮点库（FPU），这个高效的C/C引擎使用户可以用高层次语言开发算术算法，可实现复杂的浮点运算，节省程序代码执行的时间和存储空间。其3232位MAC64位处理能力使更高的数字分辨率问题得到有效解决。TMS320F28335的总线分为内存总线和外设总线这两种，在内存、外设和CPU之间常用总线来进行数据移动。其多总线结构（即通常所说的哈佛总线结构）使得C28X能在一个单周期内完成取一个指令，读取并写入一个数据值。TMS320F28335DSP具有150MHZ的高速处理能力，具备32位浮点处理单元（FPU），6个DMA通道，同时支持ADC、EMIF和MCBSP，能输出多达18路的PWM，12位的16通道ADC。总体性能比上一代DSC提高了50，还能兼容定点C28X通用软件，简化了软件开发，缩短了开发周期，降低了开发成本。（1）TMS320F28335主要特性操作速率为150MHZ。多总线（哈佛）结构，可快速执行中断。40位的算术逻辑运算单元（ALU）。1616位乘法器，含浮点库。功耗较低，33V工作电源。（2）主要引脚说明GPIO087通用输入/输出其中GPIO0GPIO63可任意与八个外部内核中断的其中一个相连。所有的GPIO引脚都可设置为“I/O/Z（I输入，O输出，Z高阻抗）”这三种状态，内部还有一个上拉电阻器，可选择启用或者禁用。其中，复位时GPIO0GPIO11引脚内的上拉电阻器不启用，而GPIO12GPIO87是启用状态。XD0XD31外部接口数据线路。444TMS320F28335与ADC接口电路设计本设计采用TI公司DSP器件TMS320F28335控制A/D转换和数据采集，并将处理得到的数据进行再处理，管理输入、输出设备，使整个电表系统协调运行。模数转换AD7610UI前置电路（220V）KUKI（4545V）IND0D15模数转换AD7610IND0D15DSPTMS320F28335BUSYBUSY/CONVST/CS/CS（475475V）/CONVSTGPIO14XD0XD15GPIO15GPIO35GPIO16XD16XD31GPIO30图45DSP与前置电路、ADC的接口电路装置的硬件连接原理如图4所示。DSP和AD的连接采用的是第6区域地址的外部接口功能，AD芯片工作在并行通信模式下，每次读取一固定地址的数据，DSP的外部接口产生的信号时序直接将AD转换结果取回。除数据传输之外，DSP通过GPIO35引脚用作片选信号使能AD芯片，GPIO15引脚作为控制采样的时钟信号，通过GPIO14、GPIO16引脚可查询AD数据转换是否完成。46输入输出系统DSP在完成数据处理功能之后，还要对这些数据结果进行二次处理，即控制输入输出设备，使用户能输入操作指令，也能直观方便地看到系统的处理结果。DSP作为本系统的CPU，协调控制整个仪器系统的工作，使电表运行有序、稳定，计算精确，操作起来简单方便，显示直观，还可以在需要的时候根据功能拓展要求方便地实现其他功能。461显示模块设计本设计选用MAX7219芯片作为显示电路的核心。MAX7219芯片结构紧凑，该芯片实现了DSP与LED显示芯片之间的接口，数据需要串行输入，串行输出，LED为传统的7段式数码管附加一个小数点，总共八位信号，共阴极作为驱动。它由条状图显示，或由64个独立的LED显示。芯片上包含一个BCD码解码器、复用扫描电路、段与数字驱动器和用来存储每一位数字的88位静态RAM。而且它只需要利用一个外接电阻就能设置所有LED的段电流。方便使用的内外性征保证MAX7219成为多种智能测量仪表的常选。（1）MAX7219芯片简介1）MAX7219的性能特点10MHZ串行接口。独立的LED段控制。150A低功耗关断（数据保持），即当芯片处于低功耗运行时，工作电流降为150A，相当于关断模式，而数据仍可以被保留下来。数字和模拟亮度控制，它能显示18位的数字，可以全亮也能强迫消隐。上电时显示消隐。驱动共阴极LED显示屏。24引脚DIP和SO封装。2）MAX7219引脚MAX7219采用24引脚DIP和SO封装。引脚图如图46所示。图46MAX7219引脚图3）硬件连接MAX7219的DIG0DIG7对应连接8位LED的位驱动端，SEGASEGDP对应连接7位码、小数点的显示驱动端。外接电阻RSET如上文所述，连接在电源VDD和电流设定端ISET之间，用来设置峰值段电流，控制LED的亮度。RSET一般取10K以上。在电源和地之间还要接一个抗干扰电容，其值不小于10F，但电容取值太大其抗干扰作用就不显著了，一般取10100F之间即可。MAX7219芯片工作在脉冲信号控制下，所以线路抗干扰也很重要，实际连接时应将MAX7219与LED靠近，尽量减弱由环境造成的干扰。MAX7219DOUTVINDIG08个8位共阴极LEDACLKLOADISETV5VDIG1DIG2DIG3DIG4DIG5DIG6DIG7BCDGDPEFDSPTMS320F28335GPIO17GPIO19GPIO2010K图47MAX7219外围电路连接图462按键模块设计本文采用多按键组合的按键式键盘构成按键模块。每个按键代表不同的功能，KEY15分别代表1U电压有效值；2I电流有效值；3P0基波功率；4P1谐波功率；5RESET复位。通过行列扫描法可以获知对应按键的键值，从而控制DSP发出操作指令。按键模块与DSP的连接如图48所示。DSPTMS320F28335GPIO21GPIO23GPIO26GPIO22GPIO275V图48按键模块与DSP接线图在按下或释放按键时，按键会产生抖动，这种抖动持续的时间根据按键材料的不同而不同，一般为510MS。抖动很容易误导DSP识别失误，如按键一次DSP却发出多次对应指令等。所以设计中必须考虑到抖动的影响，尽量消除它带来的弊端。这里可以采用硬件设计或者软件编程来去抖动。硬件设计可用RS触发器来延长按键的触发时间从而达到目的，但这增添了硬件电路的复杂度，所以本设计采用软件编程的方法来实现去抖动，即加入延时子程序，当有键按下时，执行延时程序，然后再次检测该按键电平是否已跳转到闭合状态，如果确定已闭合，则执行对应功能程序，从而消除了抖动对系统的干扰。463无线通讯模块设计本设计选用SIM300C作为电能表和上位机之间通讯的工具。SIM300C具有两种串口模式，这里选择模式2即可完成所需功能。这种模式有如下特点（1）两线串行端口接口；（2）只含TXD和RXD两个数据线；（3）串口2只用于传输AT命令；（4）它不能用于CSD通话、FAX通话，而且不支持复用功能；（5）串口2支持这几种通信速率9600，19200，38400，57600，115200。硬件连接上，只需要在DSP上分配GPIO40，GPIO45与SIM300C的TXD和RXD线相连即可。47IC卡读取模块设计IC卡（INTEGRATEDCIRCUITCARD