（控制理论与控制工程专业论文）基于modbus的多功能电力监控仪表的研制.pdf

原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。对本 文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 走建 日 期：丝蚴旦目 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关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；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：整童导师签名 山东大学硕士学位论文 目录 摘要i l 】8 i ；7 i ? r l i ：t i i i 第一章绪论1 1 1引言1 1 2 智能仪表的特点及发展现状2 1 2 1 智能仪表的特点2 1 2 2 智能仪表的发展现状3 1 3 课题的研究内容4 1 4 创新点5 第二章电力监控仪表m o i ) b u s 通信协议6 2 1m o d b u s 协议简介。6 2 2m o d b u s 在串行链路上的实现6 2 3 电力监控仪表数据传输描述8 第三章电力监控仪表硬件设计1 0 3 1 系统性能指标1 0 3 1 1 电力监控仪表的设计原则。1 0 3 1 2 电力监控仪表的主要技术参数1 1 3 1 3 电力监控仪表的主要功能1 2 3 1 4 电力监控仪表主c p u 芯片的选择l3 3 1 5 电力监控仪表专用计量芯片的选择1 4 3 2 仪表硬件总体设计15 3 3 功能电路分析17 3 3 1 电压和电流转换电路1 7 3 3 2s p i 通信电路1 9 3 3 3r s 4 8 5 通信电路1 9 3 3 4 遥信与遥控电路。2 0 3 3 5 显示电路2 2 3 4 系统的设计和配置遵循原则2 4 3 5 硬件电路的抗干扰设计2 4 第四章电力监控仪表软件设计2 7 4 1 仪表软件设计思路2 7 4 2 主程序2 8 4 2 1 系统初始化程序2 8 4 2 2 按键处理程序。3 0 4 3 中断处理程序3 3 4 3 1l m s 显示中断处理程序3 3 4 3 2s p i 通信处理程序3 4 4 3 - 3 外部中断处理程序3 7 山东大学硕士学位论文 4 3 4 采样计算处理程序3 7 4 4m a x q 3l8 0 与主c p u 通信程序3 8 4 4 1m a x q 3l8 0s p i 外设简介。3 9 4 4 2m a x q 318 0 的命令字节4 0 4 4 3 读取与写入m a x q 3 1 8 0 中的数据4 l 4 5 从c p u ( a t m e g a 3 2 l ) 与上位机通信程序。4 2 4 5 1m o d b u s 字符时间的设定4 3 4 5 2 数据帧接收的编程方法。4 3 4 6 软件抗干扰设计4 5 第五章电力监控仪表测量参数算法4 6 5 1 仪表电流电压和功率算法4 6 5 2 仪表谐波的计算方法4 7 5 3 仪表校表算法4 8 第六章电力监控仪表调试结果5 l 6 1 仪表硬件电路调试5l 6 2 仪表软件调试5 2 6 3 仪表精度测试5 2 6 4 仪表通信功能测试5 5 第七章结论与展望5 7 7 1 结论5 7 7 2 展望5 8 参考文献5 9 致谢6 2 山东大学硕士学位论文 c o n t e n t s c h i n e s ea b s t r a c t 。i a b s t r a c t i l i c h a p t e r1i n t r o d u c t i o n 1 1 1i n t r o d u c t i o n 1 1 2f e a t u r ea n dd e v e l o p m e n ts t a t u so f i n t e l l i g e n ti n s t r u m e n t s 2 1 2 1f e a t u r eo fi n t e l l i g e n ti n s t r u m e n t s 2 1 2 2d e v e l o p m e n ts t a t u so fi n t e l l i g e n ti n s t r u m e n t s 3 1 4t h ec o n t e n t so f t h i si s s u e 4 1 5i n n o v a t i o n 5 c h a p t e r2m o d b u si ：o m m u n i c a t i o np r o t o c o l 6 2 1i n t r o d u c t i o no f m o d b u sp r o t o c o l 6 2 2t h er e a l i z a t i o no f m o d b u si ns e r i a ll i n kp r o t o c o l 6 2 3p o w e rm o n i t o r i n gi n s t r u m e n td a t at r a n s p o r td e s c r i p t i o n 8 c h a p t e r3i n s t r u m e n th a r d w a r ed e s i g n 1 0 ：；1s y s t e mp e r f o r m a n c e l ( ) ：；1 1i n s t r u m e n td e s i g np r i n c i p l e s 1 0 3 1 2t h em a i nt e c h n i c a lp a r a m e t e r so fi n s t r u m e n t 1 1 ：；1 3t h em a i nf u n c t i o no f i n s t r u m e n t 1 2 3 1 4t h ec h o i c eo f m a i nc p u c h i po f i n s t r u m e n t 1 3 3 1 5t h ec h o i c eo fi n s t r u m e n t s p e c i f i cm e a s u r e m e n tc h i p 14 ：；2i n s t r u m e n t a t i o nh a r d w a r ed e s i g n 11 i 3 3f u n c t i o n a lc i r c u i ta n a l y s i s 17 3 3 1v o l t a g ea n dc u r r e n tc o n v e r t e r 。1 7 3 3 2s p ic o m m u n i c a t i o nc i r c u i t 19 3 3 3r s - 4 8 5c o m m u n i c a t i o nc i r c u i t 1 9 3 3 4r e m o t ec o m m u n i c a t i o na n dr e m o t ec o n t r o lc i r c u i t 2 0 ：；：；5d i s p l a yc i r c u i t 2 2 3 4s y s t e mf o l l o w st h ep r i n c i p l e so f d e s i g na n dc o n f i g u r a t i o n 2 4 3 5t h er e l i a b i l i t yo f t h eh a r d w a r ec i r c u i td e s i g n 2 4 c h a p t e r4i n s t r u m e n ts o f t w a r ed e s i g n 2 7 4 1i n s t r u m e n ts o f t w a r ed e s i g ni d e a s 2 7 4 2m a i np r o g r a m 2 8 4 2 1s y s t e mi n i t i a l i z a t i o np r o g r a m 2 8 4 2 2b u r o nl j i a n d l e rp r o g r a m ：；( ) 4 3i n t e r r u p th a n d l ep r o g r a m 3 ：； 4 3 1 1m sd i s p l a yi n t e r r u p th a n d l ep r o g r a m 。3 3 4 3 2s p ic o m m u n i c m i o np r o c e s s e sp r o g r a m 3 4 4 3 3e x t e r n a li n t e r r u p th a n d l e r 3 7 山东大学硕士学位论文 4 3 4s a m p l i n gp r o c e d u r e sf o rc o m p u t i n g 3 7 4 4t h ec o m m u n i c a t i o np r o g r a mo fm a x q 3 l8 0a n dm a i nc p u 。3 8 4 4 1m l x q 318 0s p ii n t r o d u c t i o n 3 9 4 4 2m a x 0 318 0 c o m m a n db y t e 4 0 4 4 3r e a da n d 嘶t et h ed a t ao fm a x q 3l8 0 4 l 4 5t h ec o m m u n i c a t i o np r o g r a mo fs l a v ec p ua n dc o m p u t e r 4 2 4 5 1c h a r a c t e rs e tt i m eo f m o d b u s 4 3 4 5 2r e c e i v e dp r o g r a m m i n gd a t af r a m e 4 3 4 6s o f t w a r ea n t i - j a m m i n gd e s i g n 4 5 c h a p t e r5i n s t r u m e n tp a r a m e t e ra l g o r i t h m 4 6 5 1r m sv o l t a g e r m sc u r r e n ta n dp o w e rc a l c u l a t i o na l g o r i t h m 4 6 5 2i n s t r u m e n th a r m o n i cc a l c u l a t i o na l g o r i t h m 4 7 5 3i n s t r u m e n tc a l i b r a t i o na l g o r i t h m 4 8 c h a p t e r 6i n s t r u m e n tc o m m i s s i o n i n gr e s u l t s 5 1 6 1i n s t r u m e n th a r d w a r ed e b u g g i n g 51 6 2i n s t r u m e n ts o f t w a r ed e b u g g i n g 5 2 6 3i n s t r u m e n ta c c u r a c yd e b u g g i n g 5 2 6 4i n s t r u m e n tc o m m u n i c a t i o nd e b u g g i n g 5 5 c h a p t e r7c o n c l u s i o na n d o u t l o o k 5 7 7 1c o n c l u s i o n 5 7 7 2o u t l o o k 5 8 r e f e r e n c e s ! ；9 a c k n o w l e d g m e n t s 6 2 i v 山东大学硕士学位论文 摘要 多功能电力监控仪表，主要对电力网络系统的电流、电压、电能、功率因数、 频率、功率、谐波等进行监测，并对电网中一些控制仪器进行遥控的一类智能仪 表，它用于电力、机场、冶金、石油、热工、化工、建材、交通、食品、汽车、 办公等行业和领域。目前，基于现场总线技术的分布式控制系统已经大量应用于 工业现场，因此，设计并生产具备优异性价比、符合现场总线控制系统通信要求 的、新型的多功能电力监测仪表已成为市场的迫切需求。 本课题是现场总线与智能测控网络系统研究室接受公司委托的实际项目。在 本课题中，采用主处理器a t m e g a 6 4 l ，从处理器a t m e g a 3 2 l 和电力计量芯片 m a x q 3 1 8 0 设计了一款能够实时监测电力网络参数的数字式现场总线仪表。本 文首先讨论了m o d b u s 通信协议的主要内容，重点介绍了仪表设计所用功能码， 然后详细介绍了电力网络仪表的硬件电路实现和软件设计流程，随后介绍了仪表 中所运用的各种算法，最后对仪表进行严格测试和误差分析。 在硬件设计中，选择好仪表使用的各个芯片，设计系统的硬件电路。通过电 流、电压调理电路将电网输入信号转换为0 2 v 交流采样信号，输入到 m a x q 3 1 8 0 。然后通过模拟s p i 电路实现电力计量芯片和主c p u 之间的通信， 将数据传送给主c p u 进行处理，并将电力参数处理数据送由显示电路进行显示。 铁电存储器f m 2 5 l 0 4 用来保存仪表所设定的参数和测量数据。从c p u 通过s p i 总线接收主c p u 的数据，然后将数据以m o d b u s 通信协议方式经r s 4 8 5 输出板 输出，实现仪表与上位机之间的通信。 在软件设计中，用c 语言编写程序，对各个功能模块在a v rs t u d i o4 编程 环境下进行开发。根据仪表具有的功能完整的设计了按键操作，并编写了零点和 满量程的自动校正程序，取代了传统仪表的硬件校正电路，减少了外界环境的影 响。认真研究 微控制器的中断响应机制，设定了各个中断优先级的顺序，成功实现中断优 先级的4 级嵌套。分析讨论了m a x q 3 1 8 0 的通信原理，解决了主c p us p i 资源 不够的问题。深入研究了m o d b u s 现场总线内容，用从c p u 编写m o d b u s 协议程 山东大学硕士学位论文 序，提高了仪表通信的可靠性。 在仪表参数所用算法中，电压、电流有效值以及功率的计算，采用的是基于 方均根值的交流采样算法。在设计时还对校验进行了多步处理，并编写了校验所 需算法。最后要在实验室和工业现场中对仪表进行严格的测试，保证仪表具有良 好的可靠性。 关键字：电网监控；双c p u 结构；s p i ；m o d b u s i i 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t m u l t i - f u n c t i o n a le l e c t r i c i t ym o n i t o rm e t e rc a nm e a s u r ec u r r e n t ，v o l t a g e ，e n e r g y , p o w e rf a c t o r , f r e q u e n c y , p o w e rh a r m o n i co ft h ee l e c t r i c a lp o w e rs y s t e m u s et h e m e t e rw ec a nt e l e c o n t r o lt h ed e v i c ei nt h ee l e c t r i c a lp o w e rs y s t e m i tc a nb eu s e di n a i r p o r t ，e l e c t r i c a l ，m e t a l l u r g y , p e t r o l e u m ，h e a te n g i n e e r i n g ，c h e m i c a le n g i n e e r i n g ， b u i l d i n gm a t e r i a l s ，t r a f f i c ，a u t o m o b i l e ，o f f i c e a n de c t n o w , d i s t r i b u t e dc o n t r o l s y s t e mb a s e do nt h ef i e l d b u st e c h n o l o g yh a sb e e na p p l i e do nt h ei n d u s t r i a l f i e l d w i d e l y s oi nt h i st o p i ct od e s i g na n dm a n u f a c t u r e an e w p r o d u c tt h a tw i t he x c e l l e n t p e r f o r m a n c e - p r i c er a t i o ，a n dt h ep r o d u c t i n l i n ew i t hf i e l db u sc o n t r o ls y s t e m c o m m u n i c a t i o nr e q u i r e m e n t si st h ei m p o r t a n tt a s k t h i st o p i ci sf i e l d b u sa n di n t e l l i g e n tm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ln e t w o r ks y s t e m s l a b o r a t o r yc o m m i s s i o n e dt o r e c e i v et h ea c t u a li t e m t h i sp a p e rd e s i g n sad i g i t a l f i e l d b u sm e t e rw h i c hc a nm o n i t o rp a r a m e t e r so nt h ep o w e rn e t w o r kw i t ha t m e g a 6 4 l a st h em a i np r o c e s s e ra n du s i n ga t m e g a 3 2 la sas l a v ep r o c e s s e ra n du s i n gt h ep o w e r m e a s u r e m e n tc h i pm a x q 318 0 f i r s t ，i td i s c u s s e st h em o d b u sc o n t e n te s p e c i a l l yi t s c o m m u n i c a t i o nf o r m a t t h e ni te x p l a i n st h eh a r d w a r ec i r c u i tp r i n c i p l ea n ds o f t w a r e d e s i g ni nd e t a i l n e x ti te x p l a i n st h ea l g o r i t h m st h a tt h em e t e ru s e s a tl a s t ，i tt e s t st h e i n s t r u m e n ts t r i c t l ya n da n a l y s e st h em e a s u r e m e n te r r o r c h o o s e i n gt h er i g h tc h i p st h a tu s e di nm e t e rh a r d w a r ed e s i g n ，a n dt h e nm a k i n g t h eh a r d w a r ec i r c u i t s i g n a lc o n v e r t e rc i r c u i tc a nc o n v e r ti n p u ts i g n a l sf r o mp o w e r n e t w o r ki n t oa cs a m p l i n gs i g n a l st h a ti n p u ti n t om a x q 318 0 s i m u l a t i o ns p i t e c h n o l o g yc a l la c h i e v et h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nm a i np r o c e s s e ra n dt h ep o w e r m e a s u r e m e n tc h i p t h es a m p l i n gd a t at h e nt r a n s p o r tt ot h em a i np r o c e s s e rt ob e w o r k e da n dt h er e s u l t ss e n dt ot h es h o wb o a r dt ob es h o w e d f e r r o e l e c t r i cm e m o r y f m 2 5 l 0 4c a ns t o r a g et h es e t t i n gp a r a m e t e r sa n dd a t am e a s u r e db yt h em e t e r t h e m a s t e rp r o c e s s e rs e n d st h er e s u l t st ot h es a l v ep r o c e s s e ra n dt h es l a v et r s a n s p o r t st h e d a t at oh o s tc o m p u t e ru s i n gm o d b u sf i e l d b u s u s i n gcp r o g r a m m el a n g u a g ei nm e t e rs o f t w a r ed e s i g na n dd e v e l o p i n gt h e i i i 山东大学硕士学位论文 f u n c t i o n a lm o d u l e si na v rs t d i o4p r o g r a m m i n ge n v i r o n m e n t i te x p l a i n st h ed e t a i l e d d e s i g no ft h em e t e rk e y t r a d i t i o n a lm e t e rc a l i b r a t e st h ez e r o p o i n tv a l u ea n d f u l l s c a l ev a l u eb yh a r d w a r ec o r r e c t i o nc i r c u i t i tc a na v o i dt h ei m p a c t so fe x t e r n a l p h y s i c a le n v i r o n m e n t t h i sp a p e r s t u d i e s t h e i n t e r r u p tr e s p o n s e m a c h n i s mo f a t m e g a 6 4 la n dd e s c r i b e sap r i o r i t ys c h e m et h a tc a nb eu s e dt os c h e d u l et h e i n t e r r u p t sb a s e do nt h ea s s i g n e dp r i o r i t y f o u r - l e v e lp r i o r i t ys c h e m ei si m p l e m e n t e d s u c c e s s f u l l y i td i s g u s s e st h ec o m m u n i c a t i o nm e c h a n i s mo fm a x q 3 18 0 ，a n ds o l v e s t h ep r o b l e mo fl a c k i n gs p ir e s o u r c e s i td e e p l ys t u d i e st h em o d b u sf i e l d b u sc o n t e n t ， 山东大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 随着现代科学技术的飞速发展，各种工业仪表出现在工业现场。在工业生产 中工业仪表发挥出越来越重要的作用，大大提高了工业化的程度，使生产效率得 到了很大的提高，可以说，在一定程度上，工业仪表的发展也是现代工业发展程 度的一个侧面反映i lj 。 电力产业已经成为国民经济发展中最重要的基础能源产业。它不仅是关系国 家经济安全的战略大问题，而且与人们的日常生活、社会稳定密切相关。随着各 种家用电器及大型用电设备的发明与使用，电网的规模也越来越大，电网内的用 电部门与设备越来越复杂，使全社会的用电的环境及条件越来越复杂、要求越来 越高。随着电力电力产业的发展，用电营销对电力网络的监控工作提出了更高的 要求，电力仪表要承担的功能越来越多，如在电力系统中，为引导用户更为有效、 合理、均衡地利用电能，避免尖峰负荷的出现，提高系统的负荷率，达到电网经 济运行的目的，需要对用户实行分时计量；又如，为对电能计量装置进行在线监 测、远方遥控，需要对电能表进行远方通信等。同时，随着社会的发展，交易的 电量越来越大，供、用双方对自身的权益也越来越关心，这就对电力仪表的功能 提出了越来越高的要求。 普通感应式电表受其结构和原理上的制约，要进一步提高准确度和拓展其功 能已很困难。同时，微电子技术和单片机应用技术的发展和普及，为多功能电力 监控仪表的实现创造了有利条件，正是在这种背景和条件下，多功能电力监控仪 表得以出现并得到了飞速发展。 基于m o d b u s 的多功能电力监控仪表作为智能仪表，是单片机技术、集成芯片 技术与控制网络技术、现场总线技术等多种技术共同发展的结果。其应用领域十 分广阔，涉及电力系统，工业生产控制、智能小区、网络化家电等各行各业，具 有良好的发展前景。智能仪表技术的发展与成熟将会给人们的生产生活带来深远 的影响。 山东大学硕士学位论文 1 2 智能仪表的特点及发展现状 1 2 1 智能仪表的特点 智能仪表在工业自动化领域中的广泛应用得益于其突出的技术优势和特点， 诸如其高稳定性、高可靠性、高精度、易维护性、可实时监测性等。下面以本课 题研制的多功能电力监控仪表为例，讲述智能仪表的优点： 1 ) 操作自动化。 多功能电力监控仪表的整个测量过程如量程选择、键盘扫描、开关启动闭合、 数据采集、处理、存储、传输以及显示、打印等都由微控制器来完成，实现测量 过程全部自动化。 2 ) 具有自动检测功能， 多功能电力监控仪表具有自动调零、自动校准、自诊断、自动故障与状态检 验及量程自动转换等功能。智能仪表能自动检测出故障的部位甚至故障的原因， 极大地方便了仪表的维护。 3 ) 精度高 多功能电力监控仪表具有非常高的精度，它利用电能专用测量芯片和单片机 内复杂算法对微小波动进行采集处理，对非线性进行校正，对滞后进行补偿，使 目标值更加精确。电流电压精度可达到o 2 级。 4 ) 功能强 多功能电力监控仪表具备多种功能，不仅能够测量电流、电压、电能、频率、 谐波在内的诸多参数，还能够对电力运行状况进行监控和完成数据的传送，实现 上位机的实时监测。 5 ) 系统集成性 与传统仪表需求不同，现代智能仪表不仅仅只追求其本身的准确性和可靠性， 更多的被用于负荷供应管理与控制、计量计费、配电系统自动化( d s a ) 、调度 自动化等系统集成。 6 ) 安全性更高 当智能仪表与不同系统连接时，由于系统应用对象不同，其需求不相同，所需 服务对象也不相同，这就要求智能仪表具有适应多系统访问，不同服务的能力， 2 山东大学硕士学位论文 甚至提供用电客户的增值服务。智能仪表一些重要数据往往是具有资质的部门才 能修改，若在同一介质中传输，当有黑客或非法用户监听或攻击时，造成系统崩 溃，给使用各方带来无法弥补的损失，因而存在数据安全性问题。为使其在各个 环境下安全使用，智能仪表应具有数据访问安全机制，即对不同用户加以限制， 对其身份进行验证后，方可进行数据交换。 7 ) 真正的互可操作性 所谓互可操作性，是指来自不同厂家的仪表可以互相通信，并且可以在多 厂家的环境中完成功能的能力。现场总线通信方式正在向国际标准化推进，标准 化确保了互可操作性的实现。互可操作性使不同厂家的仪表可以互相使用，其控 制系统的组成是自由的。凡是符合现场总线国际通信标准的现场总线仪表，不论 是哪个厂家生产的，都可以互相交换信息。这样，用户就不必围绕着某一仪表制 造商选择仪表，控制系统构成的自由度大大增加，用户能够以最优的性价比组成 符合自己要求的控制系统。 8 ) 可实时监测 多功能电力监控仪表采用m o d b u s 通信协议与上位机进行通信，将电网实时 数据进行上传给上位机。上位机利用软件对数据进行分析诊断，提供故障诊断、 历史信息报告、状态报告，趋势图等功能。 1 2 2 智能仪表的发展现状 仪表的发展是伴随着工业化的发展而发展，从仪表诞生之初到现在，仪表在 各个工业现场中已经得到大规模应用，其发展主要经历了以下几个阶段：机械仪 表时代、模拟电子仪表时代、数字电子仪表时代、智能仪表时代四个阶段【2 j 。 1 ) 机械仪表，是指仪表的工作原理主要是用机械原理来测量外部数据。它 只能给出最简单的指示功能，是人类最开始运用的一类仪表。 2 ) 模拟电子仪表，是指仪表用最基本的模拟电路带动指针来指示的仪表。 如最初的电压表、电流表、压力表和功率表等等，均是这类仪表的典型代表。这 些仪表在实际应用存在着诸多问题，如测量精度较低、响应速度较慢、功能简单 枯 号宁o 3 ) 数字电子仪表，主要是仪表通过采样转换电路将所测量的模拟信号转化 山东大学硕士学位论文 成数字信号，并将测量的数字信号值以数字形式显示出来。它的测量精度较高、 速度较快、读数清晰直观，同时可消除人为主观的差别，并且能够与计算机互连， 在传输数据的距离方面也得到了较大提高。 4 ) 智能仪表，是现代计算机技术和测量技术相结合的产物，是含有微型计 算机或者微处理器的多功能网络仪表。由于它对采集的数据具有储存、运算、逻 辑判断、自动操作以及远程网络传输等能力，故把这类仪表称为智能仪表。它是 在数字化的基础上以微型计算机或者微处理器为核心，是计算机技术与电子技术 相结合的产物。它具有自动校正、自动补偿等功能，能够完成一些需要人类的智 慧才能完成的工作，具有一定的智能化，在现代企业中已经大规模的使用。 随着科学技术的不断发展进步，仪表系统的应用要求也在不断的提高，复杂 的工业化现场促使仪表朝着更高的要求发展，如网络化、微型化、智能化等。随 着大规模工业化装置对自动化控制水平及安全运行要求的不断提高，促使智能仪 表在工业自动化领域中得到了更为广泛和大规模的应用。首先，工业用户对于能 源及物耗成本的计量要求、控制精度的要求、减轻现场作业量( 工艺操作和仪表 维护) 的要求无一例外的将扩大智能仪表的应用市场。此外，仪表行业的自身发 展已经趋于智能化。这一点无论是中国还是全球，仪表产品的高科技化、高智能 化已经成为必然的发展趋势。相比之下，国产智能化仪表无论是设计还是制造都 明显弱于国际先进水平，国内工业自动化用户在智能仪表的使用经验方面也相对 积累较晚、较少，这些现状表明我国智能仪表的应用还只是处于一个初级阶段， 而由此也带来了相对较多的应用问题。 智能仪表在我国虽然起步较晚，但发展非常迅速，开发潜力巨大，市场极其 广阔。目前，我国智能仪表总体上达到国际上世纪9 0 年代初期水平【3 】，4 0 的产 品实现了数字化，1 5 的产品实现了智能化【4 l 。我国己经成为智能仪表厂商激烈 争夺的重要战场。虽然智能仪表在我国发展较快，但是我国的智能仪表行业还处 于起步阶段，其所占比重在1 0 以下，综合仪表更是少之又少，普及应用率较低、 品种少、产量少、更新换代慢、研究开发人员少，受到国外产品激烈冲击。 1 3 课题的研究内容 4 本课题在分析了多功能电力网络仪表系统中需要完成的功能后，又参考了多 山东大学硕士学位论文 种其他型号的仪表，设计了仪表的基本架构，并对其中硬件和软件部分进行了详 尽的设计和调试，完成了具体的研究工作。具体工作有： 1 ) 对国内外工业智能仪表的研究现状和发展趋势进行深入了解，对本课 题中的多功能电力网络监控仪表做细致的需求分析。 2 ) 研究仪表的组成结构和运行原理，设计友好的显示界面和按键操作方 法，并保证仪表的精确度和可靠性。 3 ) 采用m o d b u s 现场总线网络实现仪表与上位机的互联，采用双c p u 架 构确保网络互联的安全性和可靠性，方便工程师和研究人员对工业现场的数据 进行采集和处理。 4 ) 认真研究了本科题所需功能，分析对比交流采样和电力计量芯片制作 电力监控仪表的优缺点，选用了m a x q 3 1 8 0 电力计量芯片作为本课题的专用芯 片，认真的研究了它与c p u 的通信机理，保证两者之间通信数据的安全性。 5 ) 选用了微处理器a t m e g a 6 4 l 作为主控制器，对仪表的各种功能采用了 c 语言进行编程处理，认真研究了微处理的中断处理机构，保证数据更新的实 时性和可靠性。 6 ) 在实现仪表各种通用测量功能的基础上加入谐波测量和遥信遥控功能， 提高仪表在各种工业现场的适应能力。 7 ) 软件设计加入了各种算法保证仪表数据的精确度和可靠稳定性，同时 加入了软件系统的可靠性设计，保证仪表的正常工作。 8 ) 对多功能电力监控仪表在工业现场进行综合测试。 1 4 创新点 本课题的创新点有以下三点： 1 ) 采用m a x q 3 1 8 0 电力计量芯片来完成电力监控仪表的设计，并在此基础 上设计了针对于此款电力计量芯片的校验算法和其他计算方法。 2 ) 基于主从c p u 架构的电力监控仪表具有更高的工作稳定性和可靠性。 3 ) 采用m o d b u s 通信协议实现了从c p u 与上位机的通信，并实现了遥信 和遥控功能。 山东大学硕士学位论文 第二章电力监控仪表m o d b u s 通信协议 2 1m o d b u s 协议简介 m o d b u s 协议最初由m o d i c o n 公司开发，并由施奈德公司最先倡导的一种通 信协议，现在经过很多公司的实际应用，已经逐渐被认可，成为工业领域一种新 的总线标准的和现在最流行的通信协议。该协议支持传统的r s 4 2 2 、r s 2 3 2 、 r s 4 8 5 和以太网设备。通过此协议，许多工业设备( 例如p l c 、d