（机械设计及理论专业论文）基于以太网的负载电能计量监控系统的设计与研究.pdf

摘要 目前，我国高校公寓管理正在向着正规化、市场化发展，在不断提高学生方便用 电的同时，用电事故频有发生，虽然部分高校公寓已经安装了电能计量监控系统，但 这些系统普遍存在着监控程度低、计费精度不高、电费均分、网络程度低等诸多弊端。 因此，对于电能计量监控装置的改进变得更加紧急。本课题以高校学生公寓宿舍电能 计量监控系统为研究对象，设计了带以太网接口的负载电能计量监控系统。 本课题主要进行了电能计量监控装置的改进，设计出了以太网接口，提高了电能 测量精度。该系统选用s t r 9 1 2 f w 4 4 微控制器作为核心处理器。电路主要包括以太 网接口电路、身份识别电路、通断电控制电路、电力参数采样电路等。以太网接口电 路采用r t l 8 0 1 9 a s 作为以太网控制器，身份识别电路采用非接触式射频卡进行识别， 在电能参数采集电路中，采用高精度的互感器和改进的软件同步交流采样方法进行电 力参数的采集，按照“积分和”算法进行了数据的处理。软件方面，采用嵌入式的 t c p i p 协议，实现了利用以太网传输学生用户的用电数据的要求；利用判断功率因 数c d 跏值，实现了判断恶性负载的要求。本系统经过实验测得电量精度在o 5 级以 内，以太网接口芯片能实现w e b 服务器应用。本课题最终实现将嵌入式系统接入以 太网，实现了电能的计量和监控，满足了电量监控系统网络化、智能化的要求，将会 推动远程监控服务的发展，带来一定的社会经济效益。 关键词：电能计量；电量监控；以太网；嵌入式；r t l 8 0 1 9 a s d e s i g na n ds t u d yo nm o n i t o rs y s t e mo fl o a de l e c t r i ce n e r g y b a s e do ne t h e r n e t a b s tr a c t a t p r e s e n t ，t h em a n a g e m e n t o fc h i n a sc o l l e g e sa n du n i v e r s i t i e s a p a r t m e n t sa r ed e v e l o p i n gt o w a r ds t a n d a r d i z a t i o na n dm a r k e td e v e l o p m e n t ， a c c i d e n t sh a v eo c c u r r e di ne l e c t r i c i t y ，w h i l es o m ec o l l e g e sa n du n i v e r s i t i e s h a v ei n s t a l l e da p a r t m e n te n e r g y m e t e r i n gc o n t r o ls y s t e m ，h o w e v e r ，t h e s e s y s t e m sm o n i t o rt h ep r e v a l e n c eo fl o wl e v e l ，b i l l i n ga c c u r a c y i s l o w , e l e c t r i c i t y - s h a r i n g ，t h en e t w o r kn u m b e ro ft h ed r a w b a c k so fl o we x t e n t t h e r e f o r e ，i m p r o v i n gt h ee n e r g ym e a s u r e m e n tm o n i t o r i n gd e v i c eh a sb e c o m e m o r eu r g e n t t h ei s s u eo fs t u d e n th o s t e l si nc o l l e g e sa n du n i v e r s i t i e st o m o n i t o re n e r g ym e t e r i n gs y s t e mt o s t u d y ，d e s i g nt h ee n e r g ym e a s u r e m e n t m o n i t o r i n gs y s t e mo ft h el o a dt h a tw i t he t h e r n e ti n t e r f a c e t h ei s s u ei n c l u d i n gt h ei m p r o v e m e n to fe n e r g ym e a s u r e m e n tm o n i t o r i n g d e v i c e ，d e s i g no fe t h e r n e ti n t e r f a c e ，i m p r o v e m e n to ft h ea c c u r a c yo fe n e r g y m e a s u r e m e n t t h es y s t e ms e l e c t e dm i c r o c o n t r o l l e rs t r 912 f w 4 4a st h ec o r e p r o c e s s o r e t h e r n e t i n t e r f a c ec i r c u i ts e l e c t e dr t l 8 019 a sa se t h e r n e t c o n t r o l l e r s ， i d e n t i f i c a t i o nc i r c u i t u s i n g n o n c o n t a c t r a d i o f r e q u e n c y i d e n t i f i c a t i o nc a r d s s o f t w a r e ，t h eu s eo fe m b e d d e dt c p i pp r o t o c o l ，t h e a c h i e v e m e n to fs t u d e n t si nt h eu s eo fe t h e r n e td a t at h eu s e r se l e c t r i c i t y r e q u i r e m e n t s c o s 回u s e da sp o w e rf a c t o rt od e t e r m i n et h ev a l u eo fal o a dt o d e t e r m i n et h er e q u i r e m e n t so ft h ev i c i o u s t h es y s t e mp o w e rm e a s u r e dw i t h i n t h ea c c u r a c yo f0 5l e v e l s ，e t h e r n e ti n t e r f a c ec h i pt oa c h i e v ew e bs e r v e r a p p l i c a t i o n s t h i st o p i cw i l lb et h ee v e n t u a lr e a l i z a t i o no fe t h e r n e ta c c e s st o e m b e d d e ds y s t e m s ，t h er e a l i z a t i o no ft h ep o w e rm e a s u r e m e n ta n dm o n i t o r i n g ， m o n i t o r i n gs y s t e mt om e e tt h ee l e c t r i c i t yn e t w o r k ，i n t e l l i g e n c er e q u i r e m e n t ，i t p r o m o t et h ed e v e l o p m e n to fr e m o t em o n i t o r i n gs e r v i c e s ，b r i n g i n gac e r t a i n d e g r e eo fs o c i o e c o n o m i ce f f e c t i v e n e s s k e yw o r d s ： r t l 8 0 j 9 a s e l e c t r i ce n e r g ym e a s u r e m e n t ；p o w e rc o n t r o l ；e t h e r n e t ；e m b e d d e d ； d ir e c t e db y ：p r o f d uw e n ii a n g a p p iic a n tf o rm a s t e rd e g r e e ：z h uw ei ( m e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r y ) ( c o l l e g eo f m e c h a n i c a la n de l e c t r i c a le n g i n e e r i n g i n n e rm o n g o l i a a g r i c u l t u r a lu n i v e r s i t y h o b h o t0 1 0 0 1 8 c h i n a ) 内蒙古农业大学研究生学位论文独创声明 本人申明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包括其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 括为获得我校或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料，与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：i 牡日 期：塑迫：! ：尘： 导师指导研究生学位论文的承诺 “j ， 本人承诺：我的研究生签垒缸 所呈交的学位论文是在 我指导下独立开展研究工作及取得的研究结果，属于我现任岗位职务 工作的结果，并严格按照国家及学校有关学术道德规范的规定要求而 获得的研究结果如果违反，我必须接受按国家及学校有关规定的处 罚处理并承担相应导师连带责任。 指导教师签名： 查苎塞盔 日 期：坦塑：! ：! 兰 内蒙古农业大学研究生学位论文版权使用授权书 本人完全了解内蒙古农业大学有关保护知识产权的规定，即：研 究生在攻读学位期间论文工作的知识产权单位属内蒙古农业大学。本 人保证毕业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位为内蒙 古农业大学，且导师为通讯作者，通讯作者单位亦署名为内蒙古农业 大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电 子文档，允许论文被查阅和借阅学校可以公布学位论文的全部或部 分内容( 保密内容除外，采用影印、缩印或其他手段保存论文 论文作者签名：盎= 生銎 指导教师签名：垫蛰 日 期：迦塑：p 内蒙古农业大学硕士学位论文 1 1 引言 目前，随着计算机技术、通信技术、信息技术的发展，我国的电能计量设备与管 理得到了飞速的发展，电能表和与其相伴随的自动抄表技术也得到了充足的发展与应 用，在城市和广大农村地区有许多比较成熟的电能管理方案，而在高校学生公寓宿舍 现在的用电管理方案基本都是小区用电管理方案的简单移植或嫁接。随着高校公寓宿 舍不断地向着现代化、市场化迈进，在学生方便用电的同时，用电安全问题也日益突 出，由于不正当用电导致的火灾事故常有发生，很多事故不仅造成了财产损失，还造 成了人员伤亡。虽然部分高校公寓已经安装了电能计量监控系统，但这些系统普遍存 在着监控程度低、体积庞大、计费精度不高、维护困难、查询不便、电费均分和网络 程度低等诸多弊端，在很大程度上已经不适合学校的用电管理要求。本课题应用具有 3 2 位处理功能的高速度嵌入式芯片作为中央处理器，并与工业以太网技术结合起来， 针对高校公寓电能管理系统，建立一套基于以太网技术的嵌入式多功能负载电能计量 系统。本课题具有身份识别功能的部分可以在检测机电产品工作参数方面( 用电量方 面) ，以及在机电实验台的电能计量设备上都可以应用到。 1 1 电能计量管理的发展与现状 “电能表 早期也叫“电度表。早期国家标准中多用“电度表”这一名词，而 其它标准和规程中则多用“电能表 。国家标准0 5 、1 和2 级交流有功电度表 ( g b t 1 5 2 8 3 1 9 9 4 ) 第3 章定义第3 1 条对“电度表”这一名词的定义为“在一定 时间内累积有功功率的方式来测得有功电能的仪表 ，现统称“电能表 。 随着电子信息技术的发展，电能的计量手段已经发生了根本性的变化，已经从过 去的机械式电能表发展到今天的电子式电能表。电子式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。2 0 世纪7 0 年代，为实用化，人们对电子式电能表的测量电能机理进行 研究，先后出现了热电乘法器构成的电子式电能表、时分割乘法器构成的电子式电能 表和四象限模拟乘法器的技术方案。这一时期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。随着电子技术的迅猛发展，电子器件的性能在2 0 世纪8 0 年代 有了质的飞跃，且价格也大幅度下降，国内外电子式电能表的生产有了长足的进步， 全电子式电能表、智能型多功能电能表相继问世n 一。目前电子式电能表在国内外的 使用己经比较普遍，大多具有高精度、高可靠性、高过载、低功耗、体积小、重量轻 等特点。尤其在西方发达国家的使用已经非常普遍。 在抄表监控系统方面，电子式电能表向多功能的方向发展，在抄表技术方面已由 最初的手工操作进步到目前应用广泛的抄表器自动抄表，并正由本地抄表向远程自动 抄表的方向拓展拍射。2 0 世纪7 0 、8 0 年代，欧美国家相继起步，推出了手持式就地抄 表系统、移动式无线抄表系统、预付费监控系统和远程自动抄表监控系统。远程自动 2 带以太网接口的负载电能计量监控系统的设计 抄表监控系统主要采用低压配电线路、电话网络、无线电、r s 一4 8 5 或现场总线等多 种通信媒体，并结合微机监测系统，足不出户就可以监控用户的电能数据，进行相关 的智能化处理。目前国外应用比较多的远程自动抄表监控系统为i c 卡抄表系统、低 压电力线载波抄表监控系统、无线抄表监控系统等。利用以太网进行抄表监控的系统 已经开始出现，但是还没有获得大面积推广使用p 1 。进入9 0 年代以后，国内许多研 究机构和企业纷纷投入对自动抄表技术的研究，并有多种自动抄表系统陆续问世。早 期的自动抄表系统主要用于大电网的电能量考核结算。直到1 9 9 3 年，广州科立通用 电气公司研制出国内第一套居民电能量自动抄表系统。9 0 年代中期，国内已有不少 研制成功的自动抄表系统，例如常州的“y h 5 5 5 1 型集中自动抄表系统”、太原的“煤 气表读数遥测系统”、中科院合肥智能所的“煤气表户外自动抄表装置”和上海市公 用事业研究所1 9 9 7 年开发成功的“水、煤气表合抄集中自动抄表系统 ，以及沈阳汇 成电缆厂开发出了d y y v p 2 2 型电能表自动抄表系统专用电缆。 目前，我国比较有名的抄表监控系统生产厂家有：珠海科为电子有限公司、北京 青鸟浩迪电气系统有限公司、南京飞腾科技开发有限公司、深圳亿玛信诺科技有限公 司以及宁波东海集团有限公司等。 抄表监控系统的形式也比较多，如：i c 卡预付费抄表监控系统、低压电力载波 抄表监控系统：专用电缆抄表监控系统、公用电话网络抄表监控系统、有线电视线路 抄表监控系统、g p r s 短信息( s m s ) 方式以及无线抄表监控系统等。 1 2当前电能计量管理存在的主要问题 1 2 1 电能表和自动抄表系统存在的主要问题 虽然电子式电能表取得了一定的进步，但传统的以8 1 6 位处理器为核心的电能 表控制系统，由于其自身的软硬件资源不足表现出某些局限性，如实时性低、稳定性 差、经济性差、网络化程度低、整体效果不好等，因此不能成为代表未来发展趋势的 系统。而在自动抄表方面，虽然自动抄表技术在全国各地都有安装试用和运行，但规 模较小，基本还处于试验阶段，对其通讯形式的主要问题和原因分析如下h 钉： 1 、电话线传输：投资小，适用范围广。缺点是传输数据易堵塞，租凭费用偏高。 2 、r s 4 8 5 总线：是目前采用较多的一种通讯方式，其传输数据速度较快，可靠、 稳定，通讯质量较高。缺点是布线工作大，通讯易受外界因素破坏，不易维修。 3 、低压电力线载波传输：是供电系统特有的一种通讯方式，它充分发挥了低压 电力线覆盖面广、不需要重新布线的优势。缺点是传输距离长，噪声干扰影响数据传 输的质量。 4 、红外线：需要通讯双方加装红外收发通讯模块，操作简单，成本低，可实现 非接触性抄表。缺点是对方位性要求较高，需要专人到现场，自动化程度有所降低。 5 、g p r s 通讯：不需重新组网，价格较低廉，通讯速度快，且免于维护。缺点 内蒙古农业大学硕士学位论文 3 是系统实时性及可靠性较差，不适合业务量大的系统应用。 6 、c a n 总线通讯：可以实现了网络化。缺点是c a n 总线的有效传输距离短， 容量小，网络程度较低。 1 2 2 高校学生公寓宿舍电能计量和收费存在的问题 随着高校公寓管理的不断商业化、市场化，如何科学合理地管理学生公寓的用电 情况是一个重要的研究课题。经过调查研究，发现高校公寓宿舍的电能计量与收费存 在以下问题： 1 在高校公寓的电费管理上，由于现行的电能计量装置以一个宿舍为一个整体 的用户，因此存在着电费分配的问题，只能通过大约的估计来均分电费，对于没有使 用很多电量的学生是不公平的，导致了不公平现象的出现。 2 、在高校公寓的电能计量装置维护方面，由于其体积庞大、线路多，当出现问 题时检查和维修存在很大的困难。 3 、在电能装置计量精度上，目前高校内的电量计量装置的精度大部分约为2 级， 因此在计量精度上存在很大的问题。 4 、高校公寓的电量监控系统的网络程度不高，虽然有部分的计量装置加入c a n 总线来构成监控网络，但是存在着有效距离、容量以及彻底网络化等诸多问题。 1 3 课题研究的意义 从电量计量系统的发展和研究来看，主要有三个方面的内容，一是电能量的采集 与计算技术，即如何对电流、电压进行采样及计算有关的电参量；二是采用何种方式 实现电能量的数据传输，实现可靠的智能化自动抄表；三是如何对电能表进行集中管 理和控制。总之，电能表系统正朝着高精度、低功耗、智能化、信息化和网络化的方 向发展。 本课题以高校学生公寓宿舍电能计量为对象，设计带以太网的负载电能计量监控 系统。使其贴近和满足电量计量系统的发展方向。通过安装电能计量监控系统，学生 可以清楚了解自己的用电信息，且与自己的利益挂钩，使得学生自觉养成节约用电的 好习惯；学校可以实时监控学生的用电信息，控制大功率等有危险的用电设备的使用， 避免学生因非法用电造成火灾的发生，同时对学生也起到了监督作用。本系统将推动 电量监控技术向信息化、网络化、智能化的方向发展，同时也会推动远程监控服务的 发展。 本课题的具有身份识别功能电量监控系统在检测机电产品的工作参数，特别是检 测不同品牌产品用电量方面，以及机电实验台上的不同用电方案电量监测方面都可以 应用。通过对产品或方案设立不同的代码，刷卡识别，检测出用电量，就可确定出鉴 定结果和使用方案。 4带以太网接口的负载电能计量监控系统的设计 2 总体方案设计 2 1 系统的组成与实现的功能 本系统分为两层结构，由监控机、电能计量仪组成。监控机用于监控、存储后台 数据等。电能计量仪是系统的核心，在每个学生宿舍中安装l 台，负责电能的计量和 其他多种功能的实现：监控机与电能计量仪之间通过以太网连接，如图l 所示。 1 号楼 1 0 1 室 i 号楼 1 0 2 室 l o 号楼 1 0 1 室 1 0 号楼 1 0 2 室 图1电能计量监控系统总体框图 f i g 1 t h eo v e r a l ld i a g r a mo f e n e r g ym e a s u r e m e n ts u p e r v i s o r ys y s t e m 1 0 号楼 6 3 0 室 考虑服务器登陆容量的问题，设置3 台监控机，其中一台用于存储后台数据，一 台用于监控，一台备用旧。 电能计量仪对宿舍内的n 个使用者进行独立的用电量计量。该宿舍的某一成员首 先在后勤处开户、充值i c 卡，然后在宿舍通过i c 卡在电能计量仪上刷卡进行身份识 别后，对应于该用户的插座就进行供电，该用户就可以正常使用。当该用户不使用电 时，通过刷卡关闭电源，停止供电。电能计量仪可以计算出相应的用电量并记录储存。 本课题主要设计电能计量仪，并设计出以太网接口模块。电能计量仪还具有其他的功 能：例如可以查询用户的已使用的电量，剩余电量，预付费不足报警，非法( 即为学 校不允许使用的用电设备) 用电报警，非法用电断电，欠费断电，时间日期显示等功 能。通过以太网，监控机可以实时记录该用户的用电量并监控用户的用电信息，如监 控记录非法用电信息。 另外，由于存在多个用户共同照明的问题，提出了公共电作为第n + 1 个用户收费 的解决方案，解决了学生公寓内的公共电的问题。另一方面，若长时间不用，通过检 测该支路电流，进行自动断电。 内蒙古农业大学硕士学位论文 5 2 2 系统设计的内容 系统设计包括硬件电路和软件设计。 硬件电路设计主要是电能计量仪的硬件电路设计。包括微处理器电路、身份识别 电路、电力参数采集电路、通断电控制电路、以太网接口电路、液晶电路、按键输入 电路、声光报警电路、实时时钟电路以及其他控制电路。 软件设计主要完成采集后的电力参数的处理、射频卡数据的交换、以太网t c p i p 通信、故障报警等功能。整个软件系统的设计是基于中断的思想来设计的，这样有利 于降低系统的功耗。 3 电能计量仪的硬件电路设计 电能计量仪电路主要由微控制器基本电路、身份识别电路、通断电控制电路、电 力参数采集电路、以太网接口电路、其他辅助电路等组成。电能计量仪的结构框图如 图2 所示，电路图如附图1 所示。 1 0 1 0 0 m 以太同 图2电能计量仪硬件结构框图 f i g 2e n e r g ym e t e rh a r d w a r eb l o c kd i a g r a m n 3 1 微控制器电路设计 根据高校内的学生公寓的电能计量的实际情况，本装置要达到0 5 级的整体水平， 因此必须充分考虑装置每一部分的误差，经分析误差主要由以下几部分组成：1 ) 互 感器误差；2 ) a d 转换误差；3 ) 算法误差；4 ) 微控制器计算舍入误差；5 ) 未知误 6带以太网接口的负载电能计量监控系统的设计 差。为了留出更多的误差余量给未知误差，以及综合考虑装置成本、装置的功耗等因 素。主控制器选用基于a r m 9 6 6 e - s 为内核s t r 9 1 2 f w 4 4 微控制器，该芯片具有极 高的处理速度和丰富的资源。s t r 9 1 2 f w 4 4 的芯片封装图如图3 所示。 扩建 罐。| s t r 9 1 2 f w 4 4 基本电路的设计部分包括晶振电路、复位电路、j t a g 接口电路和 抗千扰电路等o “，如附图l 所示。 s t r 9 1 2 f w 4 4 有一个用户调试接口，包括一个6 引脚串行j t a g 接口。j t a g 允 许i c e ( 输入校验设备) 插到实验板上使用调试软件在s t r 9 1 2 f w 4 4 上调试。j t a g 允许中心启动以及在连接的调试软件控制下停止。用户可以显示和修改寄存器、存储 的内容、设置断点以及察看点。 32 身份识别电路设计 身份识别功能主要由非接触式射频卡柬实现的，而非接触式射频卡电路设计中最 重要的是读卡器电路的设计。读卡器是智能卡系统中卡片与用户z 问的桥梁。本系统 采用了p h i l i p s 公司的m fr c 5 0 0 芯片来实现读卡的功能。m fr c 5 0 0 系列模块的核心 包括一个控制用的微处理器和一个m i f a r e 射频基站芯片。m fr c 5 0 0 芯片是与射频卡 实现无线通信模块，也是读卡器读写射频卡的关键接口芯片o ”。 32 1 读卡器电路设计 m fr c 5 0 0 根据其寄存器的设定对发送数据进行调制得到发送的信号，通过由天 线驱动引脚t x i 和t x 2 驱动的天线以1 35 6 m h z 的电磁波形式发送出去。在其射频 范围内的r f i d 卡采用r f 场的负载调制进行响应。天线接收到卡片的响应信号经过 天线匹配电路送到m f r c 5 0 0 的接收引脚r x ，芯片内部的接收器对接收信号进行解 调、译码，并根据寄存器的设定进行处理，最后将数据发送到并行接口由微控制器读 取”“”1 。 读卡器电路如图4 所示( 其中m f a n t 接读卡器天线) 。为了减少信号线上的干 扰，使用了e m c 高频滤波电路。m f r c 5 0 0 天线引脚t x l 、t x 2 、r x 以及参考电压 内蒙古农业大学硕士学位论文 7 v m i d 先经过e m c 滤波电路，然后再与天线匹配电路连接。l l ，l 2 ，c 6 4 ，c 6 5 ，c 6 6 ， c 6 7 组成了m fr c 5 0 0 射频发送信号的滤波电路；r 6 3 ，r 6 4 ，c 6 2 ，c 6 3 组成了接收 信号的滤波电路，达到了良好的电磁兼容效果。 r x r 6 45 6 0 c 6 3 口y ， 图4 读卡器电路 f i g 4 c a r dr e a d e rc i r c u i t 3 2 2 天线设计 非接触式卡与读卡器之间通过无线电波来完成读写操作。二者之间的通讯频率 1 3 5 6 m h z 。非接触式卡本身是无源卡，当读写器对卡进行读写操作时，读写器发出 的信号由两部分叠加组成，一部分是电源信号，该信号由卡接收后，本身产生一个瞬 间能量来供给芯片工作；另一部分则是指令和数据信号，指挥芯片完成数据的读取、 修改、储存等，并返回信号给读写器。电感耦合式射频识别系统的读写器天线用于产 生磁通量，而磁通量用于向非接触式i c 卡提供电源并在读写器与非接触式i c 卡之间 传输信息n 卜刎。 品质因数q 和谐振频率是电感耦合式射频识别系统读写器天线的特征值，由于 品质因数q 会影响天线读写距离，所以是天线设计中的一个重要参数，它可以通过 电感线圈的电抗与电阻的比值计算出采。一般天线线圈的品质因数q c o t l ： p 。：2 r c f m - ：2 z r 1 3 5 6 ( 1 ) l n n 、17 l ( c o i t - 【e o i l 一般天线线圈的品质因数3 0 1 1 2 0 0 m i l l 2 n 圈。实际中，均在3 2 0 0 m m 2 左右。本系统设计时，天线 线圈的矩形面积的长和宽应为6 5m l n 和5 0 m m ，天线线圈的圈数为4 圈，这样制作出 8 带以太网接口的负载电能计量监控系统的设计 的卡片将能保证通信的距离。 3 3 通断电控制电路设计 本系统采用了光耦和继电器两级隔离的方法把强电与弱电隔离，保证了系统运行 安全可靠。通断电控制电路是应用继电器来完成的。继电器是常用的一种控制设备， 继电器的高低压隔离及开关特性在很多的控制系统尤其在离散的控制系统中得到广 泛的应用。从另一个角度来说，由于为某一个用途设计使用的电子电路，最终或多或 少都需要和某一些机械设备相交互使用，所以继电器也起到电子设备和机械设备的接 口作用。在本模块中，正是应用了继电器的这种特性，用于控制2 2 0 v 交流电的断电 操作。为了增强i o 口的抗干扰及驱动能力，电路中使用了光耦t l p 5 2 1 。通断电控 制电路如图5 所示。 j r 图5 通断电控制电路 f i g 5o n - o f fc o n t r o lc i r c u i t 3 4 电力参数采集电路设计 3 4 1 电力参数测量电路设计 电力参数的测量作为电量计量的前提环节，具有极其重要的作用，直接影响着装 置的测量等级。考虑到装置要达到o 5 级的测量水平，因此采用高精度的电压互感器 和电流互感器进行采样。由于学生宿舍的用电电流不能超过5 a ，以及a d 转换的基 准电压设计为5 v ，因此确定所需选择的互感器参数如下： ( 1 ) 采用电压输出型的互感器。 ( 2 ) 电压互感器输入有效值为2 2 0 v ，输出峰值不超过5 v 。 ( 3 ) 电流互感器输入有效值为5 a ，输出峰值不超过5 v 。 本装置采用湖北天瑞电子有限公司生产的电压输出型电压变换器t r l l 0 2 2 c ( 2 2 0 v 3 5 3 v ) 和电压输出型电流变换器t r 0 1 0 2 2 c ( 2 a 3 5 3 v ) 汹1 ，两种变换器的 精度p = 0 1 。 t r l1 0 2 2 c 与t r 0 1 0 2 2 c 具有良好的共模和差模干扰抑制能力，因此可以大大 简化接口电路的设计，并增强了装置的整体性能。接口电路如图6 所示。 争去 一 n 内蒙古农业大学硕士学位论文 9 皿垃 l2孓 a i n ( i n di4ul2 嚣置 鼍= f 图6 互感器接口电路 f i g 6 t r a n s f o r m e ri n t e r f a c ec i r c u i t 左侧的电路是电压输出型电压互感器接口电路，右侧的电路是电压输出型电流互 感器接口电路。c 3 7 、c 3 8 、c 4 3 、c 4 4 的作用是抗干扰；j 1 3 和j 1 4 作为互感器与外 部电网的接口。 3 4 2a d 转换电路设计 电压和电流的模拟量信号从互感器输出后需要进行采样保持和a d 转换。由于 进行一次a d 转换需要一定的时间，如果a d 转换速度远大于模拟输入信号的变化 那么模拟信号可以直接送入a d 转换器。如果信号变化较快，为了保证转换精度 需在a d 转换之前加一级采样保持电路，使模拟信号在转换期间保持不变。本系统 为保持精度，设计出采样保持电路。本系统采用a d c 0 8 0 9 芯片作为a d 转换芯片。 a d c 0 8 0 9 芯片内除含有8 位逐次逼近型a d 转换器外，还有8 通道多路转换器和3 位地址锁存和译码器，以实现对8 路输入模拟量i n 0 i n 7 的选择。采样与a d 转换 电路如图7 所示，本系统的采样通道数6 通道，而且a d c 0 8 0 9 内部集成了地址锁存 器和译码器，所以在设计时没有设计多路开关和锁存器等。 黟职 业 m e o ，1j 2 1 互a i 卫 兰兰2|-5薹14 a d 6 坐上一誓嘿 冀粥k 蚕面 缝2 ：。 图7 采样保持与a d 转换电路 f i g 7s a m p l i n gh o l da n da dt r a n s l a t i o nc i r c u i t 1 0 带以太网接口的负载电能计量监控系统的设计 3 5 人机交互电路设计 1 、液晶显示电路。本装置采用1 2 8 6 4 1 6 作为显示单元，1 2 8 6 4 1 6 液晶显示模块 具= f i 低功耗、供应电压范围宽等特点。液晶显示主要显示用户的用电量以及用户的 其他信息，且具有费用不足报警提示、帐户查询、日期和时间显示等多种功能。在低 功耗方面，设计时主要考虑对电源的控制，通过控制光耦的通断来控制液晶电源的给 定，有且只有信号l c d p c s 为低电平时，液晶工作，否则，液晶不工作，以达到低 功耗的目的。接口电路的设计如图8 所示。 逃 图8 液晶模块1 2 8 6 4 接口电路 f i g 8 l c dm o d u l e12 8 6 4i n t e r f a c ec i r c u i t 2 、按键输入电路。按键输入电路作为重要的人机接口电路之一，具有设定和应 用系统功能等作用。按键输入接口电路如图9 所示。本电路采用c h 4 5 1 芯片作为数 码管显示驱动和键盘扫描控制芯片。c h 4 51 芯片可实现数据的左移、右移、左循环、 右循环、各数字独立闪烁等控制功能。 图9 按键电路 f i g 9k e y p r e s sc i r c u i t 3 、声光报警电路。报警电路采用了声光报警的形式。当发生故障、过电流以及 欠费时，装置将发出报警信号。本装置通过不同颜色l e d 灯的组合来通知用户当前 内蒙古农业大学硕士学位论文 1 1 报警的类型，以便用户进行相应的处理。蜂鸣器采用光耦t l p 5 2 1 进行隔离与驱动。 报警电路如图1 0 所示。 图1 0 报警电路 f i g 10 a l a r mc i r c u i t 4 、实时时钟电路。时钟电路主要是为了复费率功能而设计的，选用了d s l 2 c 8 8 7 实时时钟芯片作为时钟芯片。d s l 2 c 8 8 7 芯片的时钟电路不需任何外围电路和器件， 并具有良好的微机接口，精度高，工作稳定可靠等优点渊。d s l 2 c 8 8 7 的接口电路图 如图1 1 所示。 图1 1d s l 2 c 8 8 7 的接口电路 f 逗1 1 d s l 2 c 8 8 7i n t e r f a c ec i r c u i t 5 、电源电路。电源是系统正常工作的保障，本系统中所需电源包括5 v ，3 3 v ， 由7 8 0 5 稳压得至u + 5 v 电源，为系统中部分芯片提供电源，由+ 5 v 输出经过a s l l l 7 输f l j + 3 3 v 电源，为s t r 9 1 2 f w 4 4 芯片及其与之相连的芯片提供电源。电源电路如 图1 2 所示。 图1 2 电源电路 f i g 1 2 p o w e rs u p p l yc i r c u i t 12 带以太网接口的负载电能计量监控系统的设计 3 6 以太网接口电路设计 3 6 1r t l 8 0 19 a s 简介 由台湾r e a lt e k 公司生产的r t l 8 0 1 9 a s 以太网控制器，由于其优良的性能、低 廉的价格，使其在市场上1 0 m b p s 网卡中占有相当的比例。 r t l 8 0 1 9 a s 是一种高度集成的以太网芯片，能实现即插即用( p l u ga n dp l a y ) 功 能。r t l 8 0 1 9 a s 的封装形式为1 0 0 引脚的t q f p ( t h i nq u a df l mp a c k ) 封装，其引 脚可分为电源及时钟引脚、网络介质接口引脚、自举r o m 及初始化e e p r o m 接口 引脚、主处理器接口引脚、输出指示及工作方式配置引脚汹嘲。由于本文主要讨论非 p c 环境下的以太网接口，该接口不必具有即插即用功能( p i l p ) 和远程自举加载功能， 因此不需要关注r t l 8 0 1 9 a s 与自举r o m 、初始化e e p r o m 接口的引脚。 r t l 8 0 1 9 a s 内部可分为远程d m a 接口、本地d m a 接口、m a c ( 介质访问控 制) 逻辑、数据编码解码逻辑和其他端口口1 1 。内部结构如图1 3 所示。 即插即用( p n p ) b o o tr o m 端口 e e p r o m 端口 i s a 总线接口 8 x 1 6 k s r a m m a c 逻辑 e n a ( 译码编码) 逻辑 a u i 接口ll 双绞线接口 图1 3r t l 8 0 1 9 a $ 内部结构图 f i g 13r t l 8 0 1 9 a sm t c r i o rc o n f i g u r a t i o nf i a m c 远程d m a 接口是指微处理器对r t l 8 0 1 9 a s 内部r a m 进行读写的总线，即i s a 总线的接口部分。本地d m a 接口是r t l 8 0 1 9 a s 与网线的连接通道，完成控制器与 网线的数据交换：微处理器收发数据只需对远程d m a 操作。这里的d m a 与微机组 成原理上所说的d m a 有些不同：r t l 8 0 1 9 a s 的本地d m a 操作是由控制器本身完成： 而远程d m a 并不是在没有主处理器参与情况下，数据能够自动移到主处理器的内存 中，它的操作机制是主处理器给出起始地址和长度( 微处理器先赋值于远程d m a 的 起始地址寄存器r s a r 0 、r s a r l 和字节计数器r b c r 0 、r b c r l ) ，然后在r t l s 0 1 9 a s 的d m au o 地址上读写数据，也即读写芯片的r a m 缓冲区，每操作一次r t l 8 0 1 9 a s 内蒙古农业大学硕士学位论文堕 的内部r a m 地址自动加1 ，而普通r a m 操作每次要先发操作的地址再处理数据， 因此处理数据的速度较快。 m a c ( 介质访问控制) 逻辑完成以下功能：当微处理器向网上发送数据时，先 将一帧数据通过远程d m a 通道送到r t l 8 0 1 9 a s 中的发送缓冲区，然后发出传送命 令；当r t l 8 0 1 9 a s 完成了上次帧的发送后，再开始此帧的发送。r t l s 0 1 9 a s 接收到 的数据通过m a c 比较、c r c 校验后，由f i f o 存到接收缓冲区；收满一帧后，以中 断或寄存器标志的方式通知主处理器。f i f o 逻辑对收发数据作1 6 字节的缓冲，以减 少对本地d m a 请求的频率。r t l 8 0 1 9 a s 的工作流程是：接收逻辑在接收时钟的控 制下，将串行数据拼成字节发送到f i f o 和c r c ；发送逻辑将f i f o 送来的字节在发 送时钟的控制下逐步按位移除，并送到c r c ：c r c 逻辑在接收时对输入数据进行c r c 校验，将结果与帧尾的c r c 比较，若不同，则该帧数据将被拒收；在发送时，c r c 逻辑对数据帧产生c r c ，并附加在数据尾传送。 3 6 2r t l 8 0 19 a s 硬件电路设计 r t l 8 0 1 9 a s 是为1 0 m b p s 速率的网络适配器而设计的，它为处理器提供标准的 i s a 接口澉一。r t l 8 0 1 9 a s 的硬件电路如图1 4 所示。 图1 4r t l 8 0 1 9 a s 的硬件电路图 f i g 1 4 h a r d w a r e c i r c u i t o f r t l s 0 1 9 a s 1 4 带以太网接口的负载电能计量监控系统的设计 r t l 8 0 1 9 a s 有3 种工作方式： ( 1 ) 跳线方式，网卡的i o 和中断由跳线来决定。 ( 2 ) 即插即用p l u g a n dp l a y ( p 1 1 p ) 方式，由软件进行自动配置。 ( 3 ) 免跳线方式，网卡的i o 和中断由外接芯片里的内容决定。 本设计通过将r t l 8 0 1 9 a s 的j p 脚接高电平，使其工作在跳线方式下。 i o c s l 6 b 引脚用于决定数据总线模式是8 位或1 6 位( 通过设置内部的数据寄存 器d c r 来实现) ，在复位信号的下降沿，r t l 8 0 1 9 a s 判断i o c s l 6 b 引脚的电平高低， 如果为高，采用1 6 位数据模式；如果为低，采用8 位数据模式。系统处理器选择3 2 位的单片机，数据总线为1 6 条，因此将i o c s l 6 b 引脚经2 7 k 电阻接高电平，采用 1 6 条数据总线即可实现数据通信。为了使控制尽可能简单，还可以把地址使能信号 a e n 直接接地，使之始终有效，但这种设置会降低系统的稳定性( i o r b 或i o w b 信号线抖动时就会产生错误信息) ，所以通常通过一条i o 端口p 6 5 来控制a e n 。 复位时i 0 地址的值由i o s 3 i o s 0 决定。如表1 所示。 表1 选择i 0 的基地址 1 - a b l e 1c h o o s ei ，ob a s ea d d r e s s 内蒙古农业大学硕士学1 立论文 1 5 由于i o s 3 i o s 0 引脚悬空，复位后内部缺省值为低，因此i o 地址的缺省值为 0 x 3 0 0 ，即0 0 1 10 0 0 00 0 0 0 。为满足r t l 8 0 1 9 a s 的i s a 时序，a 0 a 1 9 的连接必须使 其地址锁定在0 x 3 0 0 ，否则，就无法访问到r t 8 0 1 9 a s 的寄存器。r t s 0 1 9 a s 寄存器 的地址偏移量为o o h 1 f h ，共3 2 个，对应于3 0 0 h - 31 f h ，将其转换为二进制如表2 所示。 表2r t l s 0 1 9 a s 的地址范围 t a b l e 2a d d r e s sr a n g eo f r t l s 0 1 9 a s 地址a 1 9a 1 8 a 1 7 a 1 6 a 1 5 a 1 4 a 1 3 a 1 2a 1 1a 1 0a 9a 8a 7a 6a 5a 4a 3 a 2a ia 0 根据上表可知，从地址3 0 0 h 到3 1 f h ，地址线的a 1 0 一a 1 9 是固定的，设计中将 a 1 0 a 1 9 接地。为了使r t l 8 0 1 9 a