电子式电能表建设方案

1 电子式电能表 建设方案 子式电能表的产生 随着电能开发及利用的加快，对电能管理和电能表性能提出了更高的要求。电力系统的不断扩大以及对电能合理利用的探索，使感应系电能表逐渐暴露出准确度低、适用频率范围窄和功能单一等缺点。感应式电能表由于受其原理和结构等因素的制约，要对它进行较大的改进是很困难的。基于微电子技术和计算机技术的不断发展，人们相继开发出了多种多样的电子式电能表。 早期的电子式电能表，仍采用感应系电能表的测量机构作为工作元件，由光电传感器完成电能 脉冲的转换，然后经电子电路对脉冲进行适当处理，从而实现对电能的测量。这种电能表的显著特点是感应系测量机构配以脉冲发生装置，因此也被称为感应系脉冲电能表或机电脉冲式电能表。机电脉冲式电能表在国外早已有成熟产品，并自 20 世纪 70 年代初就开始在一些工业化国家逐渐被大面积采用。这种电能表和机械祸合式多费率电能表都是感应系电能表向全电子式电能表过渡发展过程中的电能计量品种，它们对分时电价、需量电价制度的实施起了积极的推动作用。但是以感应系测量机构作为其测量主回路的原理性缺陷，决定了它同样具有感应系电能表一样的准确度低 、适用频率范围低等缺点。 为了替代感应系测量机构，从 20世纪 70 年代起人们就开始研究并试验采用电子电路来测量交流电能。由于电能是电功率对时间的积分，所以任何电子电路式电能计量方案的第一步都是确定电功率。因而，使用乘法器是实现测量电功率和电能的电子电路的共同特点。 全电子式电能表是在 20世纪 70年代后期发展起来的，因其没有机械转动部分和计数机构，又称为静止式电能表或固态电能表。但由于受当时的电子技术水平的制约，全电子电能表仅用于标准表。随着电子技术的迅猛发展，电子器件的性能在 20世纪 80年代有了质的飞跃，且价 格幅度下降，国外电子表的生产有了长足的进步。到 20 世纪 80 年代末 90 年代初国外大公司相继推出了全电子式多功能电能表，如瑞士兰地斯公司 ( 法国斯伦贝谢公司 (美国通用电气公司 (。电子式电能表按照其乘法器工作原理的不同可分为模拟乘法器型和数字乘法器型两大类。模拟乘法器型又有晶体管阵列平方乘法器、热偶乘法器、可变跨导型乘法器、双斜积分乘法器、霍尔效应乘法器和时分割乘法器等几种类型。数字乘法器也已有几个种类。目前电子式电能表在国外的使用己比较普遍，特别是 在西方发达国家非常普及，其年销量已超过机械式电能表。 电子电能表与机械式电能表相比，除具有测量精度高、性能稳定、功耗低、体积小和重量轻等优点外，它还可以实现更丰富的功能，如复费率、最大需量、有功和无功电能记录、事件记录、负荷曲线记录、功率因数测量、电压合格率统计和串行数据通信等。电子式多功能电能表应用领域很广，并由于它具有强大的通讯功能而广泛应用于远程抄表，为用电管理所需的电能计度数据远程自动采集和自动计费、为电厂考核上网报价商业运营，以及为大型企业内部能源自动化管理提供了先进的技术手段。 2 而在初期，人们对 于电子式电能表推广使用存在很大争议，主要原因是其使用寿命和可靠性指标方面有待进一步提高。电子式电能表的失效机理与机械式电能表不一样，机械式电能表的失效机理属机械磨损型，在使用过程中精度逐渐降低，最终失效，辅以机械计度器进行数据显示，一旦发生故障，主要的只是计量精度不符要求，但计度器的度数还在，其影响相对较小。电子式电能表的失效机理属偶发性的，一旦出现故障就可能导致不计电量，无显示，或历史计量数据丢失，其故障原因可能仅仅是由内部的某些元器件失效所致。同时，电子式电能表在现场使用环境下暴露出抗干扰能力差等弱点。经过调查和试验发现，生产厂家在元器件和材料选择、工艺上随意性较大，质量波动明显，另外缺乏实际运行经验，生产也未形成规模，售后服务和技术支持投入力量都不足，所以在当时的条件下大面积使用风险较大。随着电子电路设计与制造新技术的出现，电能表的器件选择和工艺控制逐渐成熟，以及电子式电能表在各种现场环境下工作可靠性的问题逐渐攻破，相继出现了多种寿命长、可靠性高、适合现场使用的电子式电能表。目前己有相当数量的各种类型的国产和进口电子式电能表投入电网运行，并已产生了显著的经济和社会效益。在多年来的推广和使用中，电子式电能 表性能的优越表现使人们对它建立了充分的信心。 我国从 20 世纪 90 年代初开始研制全电子式电能表，其产品大多为斯伦贝谢模式。 1994 年威胜集团、恒通公司等相继推出了电子式多功能电能表。随后有多家公司开始小批量生产。经过技术的引进、消化和吸收，我国电子式电能表的研制与生产逐渐进入创新和符合国情的快速发展阶段。 1996年初电力部下令在全国推行复费率和负荷控制，为电子式电能表开辟了广阔的应用领域。并由于“两网改造”的带动，电子式电能表应用面迅猛扩大，它的开发设计和制造技术也得到了飞速的发展。 电能表的工作原 理 目前，国内智能电度表从结构上大致可分为机电一体式和全电子式两大类。机电一体式，即在原机械式电度表上附加一定的部件，使其既完成所需功能，又降低造价且易于安装，一般而言其设计方案是在不破坏现行计量表原有物理结构、不改变其国家计量标准的基础上加装传感装置，变成在机械计度的同时亦有电脉冲输出的智能表，使电子计数与机械计数同步，其计量精度一般不低于机械计度式计量表。这种设计方案采用原有感应式表的成熟技术，在计量方面没有太多的技术难度，所以被大量采用。 脉冲式和数字式电表，实现自动抄表相对较容易，但是由于其价格 昂贵，用户使用范围有限。磁卡预收费电表的使用也存在很大的缺陷：只适用于散户，不便于集中物业管理；抗干扰能力弱，易产生用电纠纷；易解密。普通型电表价格低廉，为绝大多数用户所使用。因此较实用的电表抄录系统还是要针对居民用户的普通电表来设计。 普通 电能表的工作原理是 ： 当把电能表接入被测电路时，电流线圈和电压线圈中就有交变电流流过，这两个交变电流分别在它们的铁芯中产生交变的磁通；交变磁通穿过铝盘，在铝盘中感应出涡流；涡流又在磁场中受到力的作用，从而使铝盘得到转矩（主动力矩）而转动。负载消耗的功率越大，通过电流线圈的 电流越大，铝盘中感应出的涡流也越大，使铝盘转动的力矩就越大。即转矩的大小跟负载消耗的功率成正比。功率越大，转矩也越大，铝盘转动也就越快。铝盘转动时，又受到永久磁铁产生的制动力矩的作用，制动力矩与主动力矩方向相反；制动力矩的大小与铝盘的转速成正比，铝盘转动得越快，制动力矩也越大。当主动力矩与制动力矩达到暂时平衡时，铝盘将匀速转动。负载所消耗的电能与铝盘的转数成正比。铝盘转动时，带动计数器，把所消耗的电能指示出来。 3 感应式电能表采用电磁感应的原理把电压、电流、相位转变为磁力矩，推动铝制圆盘转动，圆盘的轴（蜗杆） 带动齿轮驱动计度器的鼓轮转动，转动的过程即是时间量累积的过程。因此感应式电能表的好处就是直观、动态连续、停电不丢数据。 电子式电能表 则从计量到数据处理都采用以集成电路为核心的电子器件， 运用模拟或数字电路得到电压和电流向量的乘积，然后通过模拟或数字电路实现电能计量功能 ；电表体积减小，可靠性增加，更加精确，耗电减少，并且生产工艺大大改善； 由于应用了数字技术，分时计费电能表、预付费电能表、多用户电能表、多功能电能表纷纷登场，进一步满足了科学用电、合理用电的需求。 系统的各项功能、性能应满足电力部低压电力用户集中 抄表系统技术条件 (试行 )的要求，电能表应达到的部分性能及技术指标如下：电能表分单相电子式电能表和机电一体化电能表两种，均能实现同样的计度及数据传输功能。对于机电一体化电能表，全部部件完全装在表内。 功耗 :非传输状态下不大于 ,传输状态下不大于 适用环境 :0氏度、相对湿度不超过 85 % 。适应电源波动士 20%的要求。全部弱电元件均与 220证电表的安全使用。工频耐压 2000V，冲击耐压 6000V。电能表应具有良好的电磁兼容性，要经受 2000 / 4000V 高频脉 冲串的传导干扰；承受频率为 100度为 10V / 受 8000 程自动抄表系统 目前，我国绝大多数城乡居民用电抄表还采取人工方式，既消耗大量的人力、物力，且采集数据的时间跨度大、准确度低。因此，国家有关部门规定以后将逐步以计算机为基础的自动抄表系统取代传统的人工抄表。 远程自动抄表系统实现用电数据的自动抄收，可杜绝人工操作的一切弊端。用户的用电数据可直接进入用电营业的计算机管理系统，用电管理人员可随时监视用电情况，发现问题 (如故障、偷电等 )及时处理。随着形势的发展，居民在银行开设个人账户，营业计算机管理系统与银行联网，完成数据的自动抄收、处理、银行转账交费等全套操作，可真正实现用电管理的自动化。计算机网络的信号传输媒体有无线射频、电话线、电力线、双绞线等多种形式，可根据现场情况选择。利用现代通信技术和计算机技术以及电能量测量技术结合在一起，便能够及时、准确、全面地反映电量 使用情况。采用计算机自动抄录用户电表数据、自动计费报表是用电管理发展的必然趋势。针对普通用户开发一个经济适用、可靠的自动抄表系统，可以增强用电管理部门用电经营管理的效率，提高配电管理与决策的科学性，减少人力资源的浪费。另外利用抄表系统自动传输和记录电表数据，如果遇到用电收费纠纷，还可以实时查验和查询历史用电数据。这样使我国公用事业的收费工作方式得到有效改善。抄表系统的研制成功，必将带来一定的经济效益和社会效益。 文设计的电能表简单说明 根据目前国内电表系统现状，以及适合国家发展的改革电表的趋势，本 文设计了一种电子式电能表，它运用 用电能计量芯片，通过其外围电路，现场总线 线的传输，能方便地实现电能的计量、显示、存储及传输。是一种很有前途的智能型电能表，它运用现代化的智能芯片及通讯方式作为手段，将逐渐取代老式电能表，进入到千家万户，发挥其强大功效，给我们的生活带来方便。 4 2 系统方案设计 统总体方案设计 老式电能表不能适应社会的需求，迫切需要改变不足。针对目前老式电表的种种问题，这里设计了一种运用电能计量专用芯片 处理器及其外围电路， 线来实现电能的计量、显示，存储和通讯等任务的电表系统。该设计能实现电能计量，用户用电数据储存及显示，通过 系统原理框图如图 2 本设计按其功能要求，围绕单片机分为六个主要的部分，分别为： (1) 电能计量部分； (2) (3) 电源部分； (4) 显示部分； (5) 断电部分； (6) 存储器部分。 这里就各部分进行简单说明如下 : 电能计量芯片 算用户用电量，并将功率转化为脉冲输出； 线通讯可以很可靠地实现分布式电表和数据中心的通讯；电源为单片机，电能计量芯片 其它芯片提供 +5V 稳压电源，并提供上电复位和掉电复位信号；显示芯片 7219 能自动完成用户累计电量的显示 ，完成动态扫描 电机构的作用是当数据中心的上位机发出断电命令时，实现对用户的断电；存储器的主要作用是存储数据，作为掉电后数据恢复的依据。 单片机 （ 1）电能计量芯片 3）电源 （ 5）断电机构 （ 2） 线通讯 （ 4）显示部分 （ 6）存储器 图 2统原理框图 5 统分块设计（六个部分） 能计量芯片 传统的电能计量算方法存在很多弊端，电能测量必须进行改变，电能计量对国民经济和人们的切身利益有着重要意义。如何保证电能计量精度这是一个十分重要的问题，人们一直在寻找一种更好的解决方式。电量采集部分是保证该计量装置的电能测量精度、提供修正综合误差所需的测量数据的重要环节。 带有能量计算引擎的 将两个 个高速能量计算单元和一个串行接口集成在一个单芯片上。它的内部包括一个可编程增益放大器、两个调制器、两个高速数字滤波器，具有系统校准、 算、能量计算、瞬时功率计算等功能。因此它用于精确测量和计算电能、瞬时功率以及电流和电压的有效值。 以 有效解决以往电能测量中的问题 。 优势 该芯片采用 耗低，集成度高，组成电能表所需的外围器件少，在 300： 1的动态范围内测量电能数据的纯属度在 同时，片内集成有电能，电压真有效值、电流真有效值的计算和电能脉冲转换功能，由该芯片设计出的电能表符合 036工设计标准。传统的电能表只能测电能，即使是电子式电能表所测的电压和电流也是其平均值所转换的标准值，准确度不高，为了测得真有效值，需加入平均值勤真有效值转换集成芯片，相应的电能表的体积会增大， 由化了电能表电路设计，提高了精度，同时缩小了电能表体积。由于 于和单 片机接口，因此基于 表易于实现电能的现代化管理，是一种新型的电能表，有广阔的发展空间和利用价值。 片有许多优点：可测量瞬时电流、瞬时电压、瞬时功率、电流有效值、电压有效值、功率有效值和电能计量，该芯片的性能优于其它计量芯片，主要表现在： (一 ) 具有片内看门狗定时器（ 内部电源监视器； (二 ) 双向串行接口与内部寄存器阵列可以方便与微处理器相连接； (三 ) 具有机械计度器 /步进马达驱动器； (四 ) 片内 (五 ) 外部时钟最高频率可达 20 (六 ) 具有功率方向输出指示； (七 ) 提供了外部复位引脚。 要技术指标： 差分电压输入范围 :150 温度系数 :60c； 功率消耗 :10 电能计量精度 :在 300:1动态范围以上每秒读取 电压测量精度 :读数的 电流测量精度 :读数的 瞬时功率测量精度 :读数的 6 当 率 K=1时，功率和脉冲输出的关系为： 1度电 = 500个脉冲 考虑 设计采用 表通讯选用现场总线 线通讯 在实际工作中，计算机的 台计算机与其他计算机之间也要进行交换信息，所有这些信息交换均可称为通信。通信方式有两种，即并行通信和串行通信。通常根据信息传送的距离决定采用哪种通信方式。并行通信是指数据通信的各位同时进行传送（发送或接收）的通信方式。其优点是传送速度快；缺点是数据有多少位，就需要多少根传送线。不适合远距离通信。而串行通信指数 据是一位一位按顺序传送的通信方式。它的突出优点是只需一对传输线（比如电话线），这样就大大降低了传送成本，特别适用于远距离通信，其缺点是传送速度较低。 现场总线控制系统既是一个开放的网络，又是一种全分布控制系统。它作为智能设备的联系纽带，把挂接在总路线上、作为网络节点的智能设备连接为网络系统，并进一步构成自动化系统，实现基本控制、补偿计算、参数修改、报警、显示、监控、优化及控管一体化的综合防治自动化功能。这是一项集嵌入式系统、控制、计算机、数字通信、网络为一体的综合技术。 现场 总线技术特性及应用范围的比较 (一 ) 基金会现场总线（ 线是新一代的过程控制体系结构，为过程控制用户提供的功能支持是过去任何过程控制设备都无法比拟的。基金会现场总线最大的好处在于它不只是一种总线，而且是一个系统；它是国际公认的唯一不附属于任何企业的非商业化的国际标准化组织。 线是目前最具发展前景，最具竞争力的现场总线之一。 要完成以下功能；对工业生产过程各个参数进行测量、信号变送、控制、显示、计算等，实现对生产过程的自动检测、监视、自动调节、顺序控制和自动保护。 线拥有非常出色的互操作性，这在于 用了功能模块和设备描述语言 得现场节点之间能准确、可靠的实现信息互通。目前 9 个功能块，其中包括 10个基本功能块和 19个先进功能埠。用户还可以开发自己的功能块，这些功能块之间通过标准的 现互操作。 路线按照传输速率分为低速现场总线 高速总线 要用于现场 级，特别适合于热工仪表控制，替代 线主要面向过程控制级、远程 I/过 在开发之中。 前几乎没有安装应用实例。 (二 ) 控制器局域网络（ 司推出，用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信协议。它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通讯网络，其总线规范已被 泛应用于控 制系统中的各检测和执行机构之间的数据通信。 进行了了优化，采用了其中的物理层、数据链路层、应用层，提高了实时性。传输介质为双绞线，通论速率与总线长度有关。 一帧有效字节娄为 8个；当节点出错时，可自动关闭，抗干拢能力强，可靠性高。 现场总线领域中， 们纷纷推出直接带有 微处理器（ 片。带有 亿 3千万片（不一定全部用于 因此在接口芯片技术方面，已遥遥领先于其他 所有现场总线。此外， 线的硬件接口非常简单，编程方便，系统构成容易，用户无需专门的培训即可操作，相对于 其它总路线来说开发系统廉价，可以说 (三 ) 三个兼容部分组成，即 和 一种高速低成本通信连接，用于设备级控制系统与分散式 I/O 的通信。其最主要的优点是具有较高的数据传输速率，允许高速周期性的小批量数据通信，适用于通信时间要求较高的场合； 一处令牌结构，实时多主网络。是为现场的通用通信功能设计的协议。 于完成中等传输速度进行循环和非循环的通信任务。适用纺织工业、楼宇自动化、电气传动、低压开关等一般自动化； 为过程自动化设计，可使传感器和执行机构联在一根总线上，主要用于对安 全性较高的场合及由总线供电的节点。 与其它现场总线系统相比， 最大优点在于具有稳定的国际标准 保证，并经实际应用验证具有普遍性。 在 10 多万成功应用中得以实现。 (四 ) 局部操作网络，（ 术是美国 司于 1991 年 年推出，并与 东芝公司共同倡导的现场技术。为集散式监控系统提供了很强的实现段手段。 有很强的网络功能，它采用了现场总线中唯一采用七层模型的总线。 用 网络的核心是 片，它既能管理通信，同时具有输入 /输出及控制等功能。由于 片的协议处理与通信介质无关，因而能支持多种通信媒介，如双绞线、电力线、射频、红外线、同轴电缆和光纤等。可以说 此与展开网的兼容性比任何现存的现场总线都好 。 但 其它总线一样并不是十全十美的， 术还未能深入底层仪表，因而在流程工业自动化领域受到限制。 楼宇自动化的理想选择，在国内 主要应用于楼宇自动化方面。 (五 ) 司于 1986年提出来的通信协议。这种被称作可寻址远程传感器高速通道的开放通信协议，其特点是在现在的模拟信号传输线上实现数字信号通信， 发展模拟系统 向数字系统的过渡产品。但由于目前 在我国使用 4准的现场仪表大量存在，新旧系统的更改将会有一个很长的过程，不可能是把现在正在运行的仪表系统废弃而全部改为新的系统。更重要的是，目前我国公开发完成了基于 以在当前过渡时期， 典型应用是远程过程变量查询、参数设定和对话。 2. 线的突出特性 由于 应用范围目前已不再局限于汽车行业，而扩展到了机械工业、纺织机械、农用机械、机器人、数控机床、医疗器械、家用电器及传感器等领域发展。 线已经形成国际标准，并 已被公认为几种最有前途的现场总线之一。 线采用了许多新技术及独特的设计，与一般的通信总线相比，它的数据通信具有突出的可靠性、实时性、和灵活性。其特点可概括如下： (一 ) 8 (二 ) 络上任何节点均可在任意时刻主动地向网络系统上其他节点发送信息，而不分主从。 (三 ) 在报文标识符上， 满足不同的实时要求，优先级高的数据最多可在 134 (四 ) 多个节点同时向总线发送信息出现冲突时，优先级较低的节点 会主动地退出发送，而最高优先级的节点可不受影响的继续传输数据，从而大大节省了总线冲突仲裁时间。尤其是在网络负载很重的情况下，也不会出现网络瘫痪情况。 (五 ) 点对多点及全局广播等到几种方式传送接收数据。 (六 ) 直接通信距离最远可达 10率 5下）；通信速率最高可达成协议 时通信距离最长为 40m)。 (七 ) 前可达 110个。在标准帧报文标识符有 11位，而在扩展帧的报文标识符（ 29位）的个数几乎不受限制。 (八 ) 报文采用 短帧结构，传输时间短，受干扰概率低，保证了数据出错率极低。 (九 ) 有极好的检错效果。 (十 ) 使总线上其他节点的操作不受影响。 (十一 ) 结构简单，器件容易购置，每个节点的价格较低，而且开发技术容易掌握，能充分利用现有的单片机开发工具。 是报文传送中不包含目标地址，它是以全网广播为基础，各接收站根据报文中反映数据性质的标识符过滤报文，该收的收下，不该收的弃而不用。其好处是可在线上网下网、即插即用和多站接收；二是特别强化了对数据安全性的关注，满足控制系统及其它较高数据要求的系统需求。 正是由于 电表系统能正常运行，电力管理工作能得到正常开展，因此我们选用 线进行通讯不失为最好的考虑。 源部分运用电源典型电路 电压端出部分是选用三端集成稳压器，三端集 成稳压器具有体积小，精度高，使用方便，多功能保护，输出电流可扩展等特点，按其输出电压情况可分为固定式和可调式两种。本设计采用三端固定输出稳压器中的正电压输出 稳压器内部设有过流，过热和调整管安全工作区保护电路，以防过载而损坏。用它来组成稳压电源只需很少的外围元件，电路非常简单，且安全可靠。由两套滤波电路构成的电源部分，能有 个互相不相关的电压输出，主要为 线的两套光电耦合器 6供相互隔离电源电压，完成光电耦合功能的实现，另由比较器 电源上电及掉电的单片机复位电路，构成了一个完整的电源系统。 示部分改进方案 该部分初步设计为 8279 与 成的典型显示电路，有 74存器， 8279 显示专用芯片， 9 74流放大 7407放大器，上拉电阻， 片机的控制信号经过地址锁存器锁存，再经过 8279显示专用芯片处理，用扫描方式经过 7407 驱动，使数码管显示。 上述设计是一般显示典型设计方案，但通过研究观察，用此种方案动用很多芯片，很多数码管，电路复杂，连线不容易，于是另外设计一种新的方案：用 合 且外部接线极为简单，是为本设计首选。 信）公司推出的多位 用 3线串行接口传送数据，可直接与单片机接口，用户能方便修改其内部参数，以实现多位 内含硬件动态扫描显示控制，每枚芯片可驱动 8个 可直接驱动 64 段 够驱动 8个 方便地对每位 行单独控制、刷新，不需重写整个显示器寄存器，通信方式采用串行数据方式，可与任何一种单片机方便接口。 电限制首选固态继电器 与传统 机械式电磁继电器 相比，固态继电器有着它特有的优势。 交流固态继电器 一种无触点通断电子开关 ， 为四端有源器件。其中两个端子为输入控制端，另外两端为输出受控端，中间采用光电隔离，作为输入输出之间电气隔离 (浮空 )。在输入端加上直流或脉冲信号，输出端就能从关断状态转变成导通状态 (无信号时呈阻断状态 )，从而控制较大负载。整个器件无可动部件及触点，可实现相当于常用的机械式电磁继电器一样的功能。 由于固态继电器是由固体元件组 成的无触点开关元件 ， 所以与电磁继电器相比具有工作可靠、寿命长 ， 对外界干扰小 ， 能与逻辑电路兼容、抗干扰能力强、开关速度快和使用方便等一系列优点 ， 因而具有很宽的应用领域 ， 有逐步取代传统电磁继电器之势 ， 并可进一步扩展到传统电磁继电器无法应用的计算机等领域 。由于以上原因，本设计选用固态继电器作为断电限制主要元件。 储部分考虑芯片 系统运行时，通常都会遇到各种各样的现场干扰，抗干扰能力是衡量系统性能的一个重要指标。看门狗 (路是自行监测系统运行的重要保证，在 8096系列 单片机和增强型 8051系列单片机中，该系统已经做在芯片内部，用户只要用软件开放它就可以，使用很方便。但 本课题设计的 系统是 使用廉价的普通型 8051系列单片机，则看门狗电路必须自己建立。 压监控和 此大大降低了成本并节约了电路空间。其看门狗定时器和电压监控功能对系统起到保护作用，并提高芯片本身的抗干扰能力，使之更有效发挥其作为 功能。可编程看门狗监控 片 主要特色为“非易失性”或者说是“不挥发性”，即当系统掉电后，重要的数据和状态信号可以长时间不丢失。在本设计中还要求有掉电记忆功能，因此优先考虑采用此芯片。 10 3 硬件设计 口电路 绍 电能计量集成电路芯片，它 在一个芯片上包含 2个 模拟 数字转换器（ 高速电能计算功能和一个串行接口的高度集成的 模拟 数字转换器 ；它 可以精确测量瞬时电压、瞬时电流、瞬时功率等；还具有与单片机通讯的双向串口。上电后 被初始化并可执行全部功能，包括在用户程序控制下的系统校准。 该芯片主要特点：适于和分流传感器接口；带有相位补偿；集成系统校准；内部集成参考电压源；简单的三线串行接口；看门狗技术；掉电监视。 部集成了两个 ，高、低通数字滤波器，能量计算单元，串行接口，数字 存器阵列和看门狗定时器等模拟，数字信号处理单元。 其中 ， 模拟电流输入通道 ； ， 模拟电压输入通道 ； 而为了和输入电压的不同量级匹配，电流通道还集成有一个增益可编程放大器（ 使输入信号的满量程范围可选择 ； 2个 模拟 数字转换器对系统采样的信号进行模数转换 ； 2个数字高速滤波器以（ K） 1024的字输出速率输出数据 ；2个高通滤波器可以在能量计算前将输入信号的直流分量滤除；校准单元实现对模拟输入通道的校准；功率计算单元用于计算瞬时功率和电压电流有效值等。串行接口（ 元提供了 2. 引脚排 列及功能： （ 1脚 体振荡器输出 ; 2脚 3脚 数字电路电源正极 ; 4脚 字地 ; 5脚 行时钟输入 ; 6脚 行数据输出 ; 7脚 /选 ; 8脚 脚 ; 9脚 差分电压正输入端 ; 10脚 分电压负输入端 ; 11脚 考电压输出 ; 12脚 考电压输入 ; 13脚 拟地 ; 14脚 模拟电源正极 ; 15脚 分电流负输入端 ; 16脚 差分电流正输入端 ; 图 3脚图 11 17脚 源掉电监视输出 ; 18脚 脚 ; 19脚 /位输入 ; 20脚 /断输出 ; 21脚 /能脉冲输出 ; 22脚 /率方向指示输出 ; 23脚 行数据输入 ; 24脚 体振荡器输入 . 作原理 的 输入电流信号经过一个可编程增益放大器，进入调制器和高速数字滤波器，电压信号则经过固定增益放大器进入调制器和数字滤波器，两个滤波器的字输出速率可程控，其输出速率为 ()/1024，其中， 系统时钟频率，K 为时钟分配器，范围 0 15。经过滤波器输出的即是电流、电压的瞬时值，相乘就得到功率的瞬时值，每得到一次瞬时值就是完成一次转换。电流、电压的瞬时值经过高通滤波器滤掉直流成分后，运算得到 个 次转换，因此电能的计算周 期为 ()/1024 N。即有效值采样周期是瞬时值采样周期的 所有这些数据由串行接口和单片机进行数据交换。 采样部分的外部电路与 采样电路是实现测量瞬时电压、瞬时电流、瞬时功率的基础。各电阻和电容不但精度要求高，而且其作用也不相同。电路中的 于在出现浪涌电流时对电流通道的输入管脚进行限流保护；在不需要保护电阻是因为采用了电阻分压器作为传感器，电阻分压器串联的电阻已被引到 ，如果 接地（ 成差分输入方式）在信号的输入端加保护电阻是非常必要的。 各电阻和电容应最终保证电压通道输入的信号满量程幅值为 150 电流通道输入的信号满量1 3 L 图 3样电路图 12 程幅值为 30 50 过增益可编程放大器由程序实现）。 2. 校准 对输入通道的校准，主要有 如 图 3 3. 运算处理 电压和电流通道输入的信号被校准后送到功率计算单元，由测得的电压和电流计算出功率。同时还由测得的瞬时电压和瞬时电流计算出电压和电流的有效值。 4. 功能控制和测量数据输出方式 (一 ) 些 8位长度的命令字包括“启动转换”、“同步调整”、“上电 /暂停控制”、“掉电控制”、“校准控制”和“寄存器读 /写”等命令。 部有16 个 24 位长度的用户可访问的寄存器。对这些寄存器的访问是根据填写在“寄存器读 /写”命令中的地址进行的。这此寄存器包括“基本配置”、“电流、电压偏移校准”、“电流、电压增益校准”、“循环计数值 N” ,“电能 /脉冲转换尺度”、“前次转换的电流、电压、功率瞬时值”、“前计算周期的电能、电流有效值、电压有效值”、“时基校准”、 “状态”、“中断屏蔽”等寄存器。 (二 ) 在 收到“启动转换”命令 (设置为多计算循环方式 )后，电能寄存器和电压、电流有效值寄存器内的数据，每 N(N 值在循环计数寄存器中设置 )次 A/D 转换 (等于一个计算周期 )完毕后更新一次。而电压、电流、功率瞬时值寄存器内的数据，则每一次 A/当注意的是： 数据有效 )位，在每个计算周期（ ）后才置位，同时在 /产生中断信号 (当屏蔽寄存器的“ 未被屏蔽时 )，所以若让电压、电流、功率的瞬时值数据每更新一次就产生一个中断请求，需将循环计数寄存器的值 。微控制器进行中断处理的一般过程是：读 态寄存器屏蔽中断进行中断服务处理将步骤读出的值写回 清状态位 ) 开中断返回。 (三 ) 输入通道的校准 直 流 电 流 偏 移 交 流 电 流 偏 移 直 流 电 压 偏 移 交 流 电 压 偏 移 交 流 电 流 增 益 交 流 电 压 增 益 脉 冲 补 偿 相 位 补 偿 功 率 补 偿 线 性 补 偿 图 3输入通道软件校准过程 13 电流通道可与低功耗分流器或互感器接口；电压通道可与阻性分压器或互感器接口。其电流通道的可编程增益放大器（ 增益可设为 10和 50，分别对应于最大有效值为 150 交流信号输入；电压通道的最 大有效值输入为 150于 数转换器采用过采样原理，对高频噪声有较强的抑制作用，因而对输入信号无需进行复杂的滤波处理 (引入阻容滤波电路反而容易引起相移 )。 (四 ) 四条串行接口线： / ，低电平有效； 串行数据输入线； 串行数据输出线； 串行时钟，用于控制 C 55460 与微控制器之间数据传输同步。如果每次数据读 /写操作都要通过 脚写入 8 位的命令字节，该操作需要 8 个 钟 周期。如果写入的是“寄存器读 /写”命令，那么接下来应通过 4位数据或通过 ， 16， 24位数据。 当注意的是，在通过 须同时向 ， 16， 24位数据大小相对应的 1， 2， 3个空操作（ 令字节。 部分硬件设计 本系统由 现瞬时电压、瞬时电流、瞬时功率的测量，由单片机实现电能计量及其他功能，接口电路如图 3 个控制线即 ： 片选信号，是允许访问串口的控制线，低电平有效，高电平时 如果片选 相连接 条线就可以完成串行口的操作； 串行数据输入端，用来把从单片机的数据传输到 来将数据输出到单片机 ，通过实验还发现，如果将串行数据输入 在一起，同样可以进行串行通讯，而且仅需要两条接口线 ； 控制数据输入或输出的串行位时钟，在 端口识别之前 须被置为逻辑低电平。单片机就是通过图 3型接口电路图 14 这 4 条控制线来实现与 单片机从 读取的瞬时电压、瞬时电流和瞬时功率等数据经处理后存在存储器内，上电后单片机从存储器内读数据到内存中。所有这些数据可以通过外部通讯接口由上位机读出，也可以由液晶显示器上方便地查询。 如图 3型接口电路图所示， 它的基本电流有效值0A，相线电压有效值 V=220V（ 50计量常 数 K=500定量大电流有效值 为00A，最大电压有效值为00V，根据 差分电压输入和差分电流输入最大值为 150技术指标，则电流和电压通道的变比。 当选取电流互感器二次侧最大电流为 10次侧取样电阻 15 。 线通讯 线及其芯片介绍 早是由德国 于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信协议。 线的应用范围遍及从高速网络到低成本的多线路网络 场总线领域中， 们纷纷推出直接带有 口的微处理器 (片。 一种多主方式的串行通讯总线，基本设计规范要求有高的位速率，高的抗电磁干扰性，而且能够检测出产生的任何错误。 络上任意一个节点均可在任意时 刻主动向网络上的其它节点发送信息，而不分主从；采用非破坏性总线仲裁技术，当两个节点同时向网络上传送信息时，优先级低的节点主动停止数据发送，而优先级高的节点可不受影响地继续传输数据；具有点对点，一点对多点及全局广播传送接收数据的功能；通讯距离最远可达 10通讯速率最高可达 10 m)，网络节点数实际可达 110个，每一帧的有效字节数最多为 8个，这样传输时间短，受干扰的概率低，通讯介质采用廉价的双绞线即可，无特殊要求 ;每帧信息都有 验及其它检错措施，数据出错率极低，可靠性极高；在 传输信息出错严重时，节点可自动切断它与总线的联系，以使总线上的其它操作不受影响。 1. 线控制芯片 一种独立的 制器，主要用于移动目标和一般为业环境中的区域网络控制。 司的 符合 协议的总线控制器，它是应用于汽车和一般工业环境的独立 有完成 过简单总线连接的 硬件与软件设计可兼容基本 )和新增加的增强 （ 1） 管脚及电气特性与独立 线控制器 00兼容； （ 2） 软件与 容 (缺省为基本 ； （ 3） 扩展接收缓冲器 (64字节 （ 4） 支持 （ 5） 同时支持 11 位和 29位际识符； 15 （ 6） 位通讯速率为 1s； （ 7） 增强 （ 8） 采用 24 （ 9） 支持多种微处理器接口； （ 10） 可编程 持热插拔；工作温度范围为（ +125摄氏度 ） ； 片 引脚功能图 ：如图 3 (一 ) ， 1，