（电力电子与电力传动专业论文）基于无线数据传输和arm的网络远程抄表系统.pdf

j e 索交逶大学硬论文 a b s t r a c r a b s t r a c t ：a l o n gw i t ht h et e c h n i c a lm a t u r i t yo f t h e c a l c u l a t o ra n dt h en e t w o r k , t h e l o n gr a n g e a u t op o w e rm o n i t o r , c a l c u l a t i o na n dc h a r g eo ft h ep r o j e c tb eg r a d u a l l ya d o p t ， l o n gr a n g ea u t op o w e rm o n i t o t i sa c c e p t e da st h eb a s i ce s t a b l i s h m e n ti nm o d e m b u i l d i n g 氇i s a r t i c l e m a i n l y d i s c u s s e d t h e e l e c t r i c i t y m e a s u r e o f t h e d o r m i t o r y o f c a m 芦s ，s o f a r , e l e c t r i c a lm e a s u r e m e n tc a nb ec l a s s e di n t ot h r e et y p e sa c c o r d i n gt ot h ec h a r g e ss u c h a s ：p r e p a yf e ew a t th o u rm e t e rw i t hc o n t a c tl ca n dr f i cc a r d , r e p l yf e ea st i m ew a t t h o u rm e t e r p r e p a yf e ea st i m ew a t th o u rm e t e ce 1 e - t r i cp a r a m e t e rm e a s u r e m e n th a s m a n ym e t h o da c c o r d i n gt ot h e i rt y p eo fr e p a y , f o re x a m p l ep r e p a yf e ew a t th o u r m e t e r i sm a i n l ya p p l i e dt cc a r dt op a y , r e p l yaf e ew a t th o u rm e t e rw i t ht i m em a i n l ya d o p t a r t i _ f i c i a lt oc o p ya n db u sf o r m ，e p a yf e ea st i m ew a t th o u rm e t e rm a i n l yu s e si cc a r d p a y , m a k i n gm o n e yc a r r i e do nd e d u c tu s eo fc l o c k w h i l et h ee l e c t r i c i t yv a l u e i so np e a k o rv a l l e v w h a tw ed e s i g na u l o m a t i c u l l ym e a s u r e m e mf o r ms y s t e mc a nc a r r yo u tt o m a k ei n c l u d et h et h r e ek i n d so fa b o v e - m e n t i o n e dw o r k , p a r t i c u l a r l yi th a si m p o r t a n t m e a n i n g f o rt h ea p p l i c a t i o np l a c eo f c a m p u sd o r m i t o r ye t c 伯ea r t i t i ep u tf o r w a r dt h ew h o l ep r o j e c td e s i g n , t h et h r e e - r a t e dn e t w o r ka p p l i e da w i r e l e s sa n dt h ei n t e r n e tn e t w o r kt od e l i v e ra n ds o l v e di o n gr a n g ee l e c t r i cm o n i t o r s y s t e m st w op a r t sw h i c hf r o mc o n c e n t r a t i o nm a c h i n et oc o l l e c tam a c h i n e ( c o l l e c t t e r m i n a t ) a n dc o m m u n i c a t i o nt y t oo g n t c rc o m p u t e r t h a ti s 嶝w a y a n dd o w nw a y , 疆e nt h ea r t i c l em a i n l yi n t r o d u c e dt or e p a yf e ew a t th o u rm e t e r , t h ec o n t r o l l e rb a s e d 氆e a r n la n dt h eu c l i n u xo fw i r e l e s sr e c e i v ea n dd i s p a t c ht h ei n t r o d u c t i o no fs o f th a r d w a r e o fc o n c e n t r a t e ，f i n a l l yi ti si n t r o d u c e dt h ep l a c eo ft h ed e s i 萨o fi n t e r f a c e ，t h es y s t e m c a r r i e do u tad a t ao fb a s i cc o l l e c ta n dc o n t r 0 1 k e y w o r d ：t h ee l e c t r i cp o w e rl o n gr a n g ec a l c u l a t e ，t h ea r m ，u c l i n u x ，w i r e l e s s d a t ar e c e i v ea n dd i s p a t c h ，w i d ea r e an e t w o r k 学俄论文版权使用授权书 零学位论文作者完全了熊能京交逶大学裔关保窜、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有荧数据库进行检索， 并采髑影窜、缩窜或籀籀等笈翩手段豫存、派编菇馁查阅和谂阅。同意学校尚国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密静学位论文在解毒嚣适耀本授权诞冁) 擘盈论文终耆签名辽酝竭毛 签字基期：如0 醅7 翻珈基 罨羹蠹签名： 签字掰翅： 耋袭为 年，o 莠孙掰 跌， 北京交通大学硕士论文创性声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 骚究成采，除了文孛特别加数振注积致谢之她终，论文孛不琶会其熟人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学戚其他教育机构的学位或证 书嚣馕震过瓣耪辩。麓我一羁王量# 豹楚恚对本醭究所徽豹饪秘贾蘸均8 在论文孛 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文雩# 者签名蒜瓶签字妇期：? q 华棚勿日 6 1 致谢 本论文的工作是在我的静师李香春教授和王占国老师的悉心指导下完成的， 李鸯毒教授和委占国老烀严谨豹治学态度_ 和科学豹工作方法绘了我极大的帮助和 影响。在此衷心感谢三年来李杏春老师和藏占国老师对我的关心和指导。 李套誊教授襄王鑫霪老箨悉心撂导我翻完藏了实验塞豹科疆工露，在学习上 和生活上都给予了我很大的关心和帮助，在此向牵杏春老师和芷占国老师表示衷 心的谢意。 李杏誊教授和王占国老师对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意 见，在此表示衷心的感谢。 在实验室王终及撰写论文期间，实验室敷烬兕颊姐，好弟烬婊 f 】对我论文中 疑难问题研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激乏情。 另器氇感溱家天赘建解窝支持，缝霞黥理解帮支持傻我麓够在学校专，冬完成 我的学业。 j 家交逶大学磺：论文 第一章绪论 1 。1 课题背景 根据国家建设部提出的小康烈往宅小区规划要求，今后要对新建和改建住宅 统一规划，逐步实行水、电、气三液统一管理，实现计算机自动监测、计算与收 费，由此，熊源计量仪表的数据自幼抄收及远传系统的建设成为智能化俄宪的基 本配萋之一。 本文锋对校园酶学生宿舍鹃电袭收费进行了搽毒孽：掰蟊蘸为止、按照l | 雯赞方 式电子式电能袭可以分为：接触式和j # 接触式的i c 卡预付费电表、复费率电表、 和分时预付费的复费率电表。针对这几种电表的抄表方溅也各不相同，预付费电 表主要是应用i c 卡充值的方法付赞、而复费率的电表盎要是采用人工抄表和布线 抄表的方法、掰分辩预嚣费复费率豹邀表主要是镬弱i e 书态蓬之螽，裂熏实辩时 锋在震龟蜂豁辩瓣存德在奄表戆豹众额进行掩除。文审设计耱自动掺表系统霄戳 实现对上述三种电表的抄录工作，尤其是针对校园学嫩宿舍等应用场所舆用重要 的意义。电浅仍然在户内，只是电袭信息出户，信息出户之后，可以利用电子和 通讯装置直接传递到电力公司的营救中心，这就是通常所说的远程自动抄袭。 1 2 复费率电缝计羹仪表及运程鑫渤抄表综述 随着我圉缀济的飞速发展，秭杼各业对电的需求越来越大，不同时阆用电量 不均衡的现象也日益严重。为缓解我豳日趋尖锐的电力供需矛盾，调节负荷曲线， 改善雳电量不均衡款理象，全瑟蜜纷蟪、平、谷分酵电份制度，“瓤蜂壤谷”攥嵩 全垂酶蔫毫效攀，会瑾弱蘑龟力资源，国内部分雀枣懿电力帮露逐步接壅了多费 率电能表，对用户的用电量分时计赞。1 9 9 5 年4 月，由国家计委、国家经贸娄和 电力工业部联含在上海召开的全囡计划用电工作会议上决定，用3 - 4 年时间，在全 国各大电网内，有计划、分步骤全筒推行峰谷分时电价制度。总目标是备网转移 高蜂电力l 舢1 5 ，全国实现转移高峰嗽力1 0 0 0 - 2 0 0 0 万苄嚣，推行的范围不仅是工 鲎、蠢鲎爱产，嚣置霹菲工盈、农簸蔫龟毽要逐多实移。在有条嫠瓣建嚣，舔已 经实行一户一液的居民用电区，识将有计划的开发低谷用电，实行峰谷电价，以 提高电能利用率，提高居民的用电质量。 早期生产的第一代是石英钟控分时电能表，这种电能表通过导线连接秭英钟 j 家交通火学硕士论文 缝论 各种不同时段来分潮驱动峰、谷电磁计数器，分剐显示出蜂、谷电量及总电量， 按总电量扣除峰、谷电量即为平豢时段彀量。囊子这糖分时计费瞧笺表戆可靠经 较差，计时分段精度太低( 最小分割为m i n ) ，易受干扰，时段调整也比较麻烦，使 罴秘麓蕈一，誉能遥旋分嚣雩许费串虢一骜特殊要求，秘翦己基本灞汰停羽。 第二代机电一体化结构的分时电能表，这种电能袭采用1 0 级感应系电能表机 芯为基础，采用红外光电变换器，脉冲输出和中央处理器( a 叨，单片机电路，使 震辫豢载犍蠹缡程或袭红癸泛线键盘来送孬各糖霉求跫、瓣镑、辩毅、双傣窭豹 设定，可保护本月最大需求量、上月最火需求缀和本月峰、平、谷最大需求量湿 示及存储。带畚稼冲输出及r s 2 3 2 率彳亍通信日，便予数据远程传送与监控。彼表 性能比较精密可靠，功能可满足我国现阶段分时计费需求，生产王艺比较成熟， 价格具有竞争力，是目前国内应用最为广泛的一代产品。但是美中不足的是各生 产厂家均为耋纾秀发专瘸擎跨凝，存在产品兼容经差，维修溷难黪缺点。 第三代全电子结构的分时电能表。第三代全电子式分时电能袭已进入非常成 熟酌阶段。它怒一种静止式无任何机械运动部件的固态电能表，由电压艇感器、 电流互感器、襄糖度巍速a d 变换器、嚷能计爨专熙集成电路、实时时镑、数握 存储器、大屏幕液晶驱动及晨示器、数据通信接口、开关电源等模块构成，精度 逶零在1 0 缓至0 ，5 缓，可靠经籍，易予密懿记装，大部分黧号均带育霰褥费功能 可供选用。采用带有预付费功能时，电量有电钥匙、i c 卡等输入，剩余电量不足 时，可稚据用户负荷锰质选择输出音晌及告警，显示电量不足，扁动表内继电器 跳趣等功怨。其毒失援断滚记录、r s 2 3 2 ，r s - 4 2 2 ，r s 4 8 5 等标准遴信接霸，霹远 程定时抄录计量数据、本月及上月最大需求量、峰、平、谷最大需求量、脉冲输 密，整控逶过密码谩意，方蜀读出每修改数据等，靖羧设定通常有8 个。 监测技术包括监控技术和测试技术。随着现代科学技术的迅獯发展和生产水 平的提高，各种监测披术己越来越广泛地应用予各种正程领域和科研工作中，濂 测技本水平雏嘉低越皋越成菇舞量国家秘技瑷伐他豹莛要掭恚之一。夔麓诗算撬 技术和信息技术的发展，特别信息高速公路的开通，监测技术已经步入发展的 i n t e r n e t 酚段，基予i n t e r n e 的远程益铡技术是设备箍测技术发震的崭新阶 段。它以中心计算机为服务器，在现场的重要部位或设备上建立救测点，采集设 备状态数据，在控制中心提供远程技术支持。甄联网的出现和发展为人们能够随 穗淹建戆遴孬登程j 窝管瑾提供了方法，露：彩蛋协议是瓣兹最逶臻熬一释溺络漭议， 利用该协议可以根据要传输的信号类型不同优化传输方式，进行可靠传输。在系 统中采用通甭静客户静u 服务器模型进行系统设计，并采用w i n s o c k 技术来实现客 户枧_ 秘服务器之闻的遁信，网时可以根攒工程的环境对数据采集黪功能要求设诗 监掇部分的各功能模块，确定各模块的实现方法。 2 北京交通大学硕士论文 自动抄表系统的发展现状：国家电力公例要求所有抄表装置必须通过检测， 方箍投入运露。检澜按照奄努行照标准，零6 9 8 1 9 9 9 “低疆电力霁l 产集中抄表 系统技术条件”进行，电力郝质检中心配用电自动化检测站缀国家质检总局授权 受责鬻电及抄袭产菇豹捡测，嚣疼生产盘动抄表熬厂象超过1 5 0 家，通过毫力工 业部电力设备及仪表检测中心检测的厂家接近1 0 0 家，受理的专利超过1 6 5 颁， 据不宪全统谤，安装豹叁韵轸表露户越过2 5 0 万户。 综上可知，随着电力行业的发展趋势( 市场化、信息化、自动化) 的发展， 抄表系统特裂楚铮霹笈费率纛表豹戎为霜电黪理系统豹重要嚣，荚差要特淼表 现在；抄表技术多样化：总线、载波、红外、工频、超窄带( u n b ) ；抄表方式 多群纯；单袭、多表；系统功箍逐步完善；除抄表终，还其鸯线损绕诗、雳魄考 核、远程控制、自动收费并与银行联网等。豳于市场的原因，针对网络管理的抄 表系缓在星肉约牙发缝于起步除段。在本漂题豹臻究孛采曩了第三坟熬全电予缝 构的分时电能表，对于其基本的计量功能进行了保留，其通信的部分采用了光线 数据健辕豹方式，在囱上位枫传辕的郝分采用了基于a r m 和嬲终赞输豹远程囊动 抄表监测技术； 1 3 本课题的意义 为了改善用电不均衡的德局，适_ 陂市场对数字式多功能复赞率电度表需求， 满足这对校躁学生宿舍环境的特殊要求。对纂予自动抄表系统除了毽确、客融抄 表以外还具有以下特点： l 实现笼卡的预付费，便于实现网络化，自动化管理 2 复费率可以在集中控制器上实现 3 针对如学生宿舍等场所开学、放假时人员流动性大的特点可以对电费实时 结算 4 可以通过主控计算机实现用户的拉闸控制，如学生宿禽就寝制度的管理 5 可扩黢往较好，如告警、停电数据保护功能等 远程自动抄表系统一般由集中器和采集器( 采集终端) 以及通信信道与抄表 软件绦成，箕中集中器到掺衷中心为上行信邋，集审器至采集嚣( 采集终端) 域水 电气袭问为下行信道。其中关键在于下行信邋，这也是抄表中最难的地方。与电 力载波，r s 4 8 5 总线等需要雍线的方式福魄，短距离笼线数鬃传输方式经济两量 方便安装，悬种较好的选择，随着远程监控技术的发展，上行信道采用了网络 传输瓣方式，间野辩予现在校园墨实行懿一卡递交费豹工程，系统静设诗静集中 控制器，可以很方便的接入局域网，便于今厥学校内网费，电费，饭赞等需黉收 j 京交通大学硕士论文 费的项舀统管理。 4 北京交通大学硕士论文系统懿体结构与技术要求 第二章系统的整体结构与技术要求 2 1 系统的整体结构 本文中远程自动抄表系统，主要裔三级系统组成：三级瞬络由最底朦的带秃线 数据传输模块的复费率单相电寝组成、二级网络由基予a r m 的集中掇制器组成、 一级两络是位子中夹的工作辩。三缓系统的缀成示意瀚如图群涿： r 集串拄翻| 器 l 1 。_ l 删p 传辕 老缝抟赣 飘螓 f i g2 1b l o c kd i a g r a mo f a l ls y s t e m 2 2 数字式多功能复费率电能表的技术要求 数字式多功能复赞率电皮袭具有纽外通讯口和无线数据传输的上行通讯口， 莓浚实现校表、抄袁鹈远程管理、费攀嚣霹骏浚菱等葫镱。茏线数撂传辏秘邀馈 波特率：1 2 0 0 b p s ，半双工通讯方式，红外通信的通信距离大于等于4 m ，通信角度 大于等手圭1 7 妒。 电度表应准确无误的分时计量用户的电量，并具有正、眨向有功电能计爨功 5 北京交通大学硕士论文 系统整体结构与技术嚣求 能。反彝鸯瑗电辘除了菝歪淘逸戆豢计努，还要记录爱自运行慧对闻、毫量及最 后一次反向运转的起始时间，并存储其数据。电量按总、峰、平、谷四种分别累 计并存储电量的豢计在e 2 p r o m 中。 电表内内置网历时钟，必须采用硬件时钟电路。最为集中控制器的冬份，默 便为时段划分和分时计赞提供精确的时间标准，以保证时钟误差在每月之内小于 3 0 s 。内墨瓣键应具有匿历、谤瓣窝鬻年鑫动甥换硗笺。照绿色环保铿瞧洼 筝为露 钟备用电源，断电后至少可连续供内鼹时钟摄常工作3 年，在产品寿命周期内， 傈谖无矮受换。胃编程设嚣漳、平、谷三耱费率，1 2 个对段。时段最夺闯隔为3 0 r a i n ， 时段可跨越零点，每个时段的起始及终止的实际时间和预嚣时间误差应不超过5 s 。 电量信息采用整数5 位，小数1 位的显示方式。电表显示的内容觎括主摄示 代璐积辘助显示代码或蠢汉字涎个方露：主曩示代码指承数僮，辕助照示钱璐巍 汉字指示照示项内容及数值单位。循环显示的内容可选项包括：运行时段( 峰，平， 谷羚基甥( 对耀) 、当 ；萋惩毫量、当蔫峰宅量、当嚣泽邀鬓、当 ；箨谷毫豢、电裘静 编号、电表白检。其中当前总电量、当前平电量，嬲前谷电量总是参加循环显示， 其余的可遴遗编程选择援示。 2 3 集中控制器的技术要求 做为远程自动抄表系统的第二级网络( 中问层) ，集中器首先要保诫其可靠的 通信功能帮数据娥理功熊；帮集中控翻器与电能表的通信由于采用了数据无线收 发的方式，系统的抗干扰性和泛线模块的数据传输可靠性必须缳证，农数据的采 集对时间簧求豹合理范围之内，将数獭收发的波特率固定在1 2 0 0 b p s ，光线模块直 接邋过r s 2 3 2 斡方式经凌s 3 c 4 4 b o x 熬最小系统遴行处理，集中嚣与孛心圭婊魏 控制采用网络传输的方式，控制器采用了r t l 8 0 1 9 a s 芯片的方式，其中数据的检 错囊鲻错均须遵守逶信麓范d 薹履6 9 8 1 9 9 7 。 其次，保证集中控制器的可扩展性和低功耗：硬件方丽保持系统的可调试接 口、以及液晶显示等可扩展功熊，配嚣系统内核的时候使嵌入式驱动可以方便进 行移植；禚低功耗设计方露，选用低功耗昀蕊片，网对尽霹能使用器黪较少鹣援 卡。 2 4 远程监控的技术的要求 该系统剩用t c p i p 网络协议、串行通谖技术来实现一令基予网终躲实时遮程 自动抄表系统、处理程序的开发采用面向对象( o p p ) 的开发技宋，利用v i s u a l c 6 北京交通大学硕士论文系统整体结构与技术要求 + + 6 ，0 在w j n d o w s 珊平台上开发，程序的界面和框架利用m f c ( m i c r o s o f t f o u n d a t i o n c l a s s ) 实瑗，窀麓电筮瑷及表号懿采集和楚纛程1 亭裁溺v i s u a lc + 6 0 并 结合数据库技术进行歼发。网络通信部分采用t c p i p 协议，设备的控制采用串口 逶售技零实瑗。整令系统采溺嚣藏熬、模块稼戆、瑟蠢对象懿律系结褥，是一令 简单、实用、高效的般测系统。 该系统采蔫摸块缘、炙爨警理夔方式遴移舞发，系绫灵溪霹蓦，测试要甏鬏 据不同的计算机操作系统开发不同的安装程序，同时系统具有自主设溉功能。在 试验除段系绞貔灏试彝联调孵在谤算撬瓣圭蘩应该镬翔霹馥撂秀谤算撬客户鲻窝 计算机服务器端的双黛功能。 7 托杂交遴大学硕士论文复费率电寝的软硬件设计 第三章复费率电表的软硬件设计 3 1 设计目标 本课题开发酾数字式多功能复费率数字电痿表蔻以m i c r o c h i p ( 电度表中使 用最多瓣c p u 生产商) 公蠲生产静p i c l 6 f 7 4 为核心控割芯片，弑专用瓣电能计量 芯姥a d e 7 7 5 5 为计量芯片豹全电予式多功能复费率数字瞧度袭，它采瘸了优选帮 自行设计的大规模专用集成电路，应用先进的表露安装( s m a 0 技术，电路筏单，结 构食理，可双向计量电能，独特的保密措施保诚用户使用电袭的浅安金性。该电 能表与以往的电表相比具有接口简单、结构紧凑、可靠性高、稳定性好等特点； 它不仅能进行电能计璧，还具有费率、时段设置、远程通讯和电表管理等功能， 并飘其有计潼精度高，电磁兼容性能好、过载能力强、功耗低等特点。由于它配 有抄表通讯日，褥戳预瞽有点名呼捌、苻于锌校对、查询霜户电量、停电情况查询、 零点抄袭、射段秘费率设置等遥控凌锈，鞋满足远程抄表靛需要。 3 。2 系统总体设计方案 本课题设计的数字式多功能复费率电度表有1 2 c 总线模块、红外校表通讯模 块、数据无线收发模块、电量累计模块和显示模块数据等几大模块组成。其中i 2 c 总线模块由e 2 p r o m 芯片a t 2 4 c 0 4 和实时闷历时钟芯片r x 8 0 2 5 两部分组成。其 中e 2 p r o m 芯片a t 2 4 c 0 4 用来存储每个月的蜂、平、谷、总电量以及电表一些藿 要参数值惠，魄鲡电表豹魏缝编号、时浚信惠、电量信息等等。丽r x 8 0 2 5 掰为整 令电表提供? 精确静瓣溜标准，保涯黾量鬃计严格按照蜂、平、裕时阀累计( 在 整个系统实现之屡霹以) 。红终抄表采用集残魄路，经外发射器铎浆霞浆封豹 t s a l 6 2 0 0 ，红外接收器件则采用h s 0 0 3 8 芯片，为满足用户上门抄表鲍心理，供 上门抄表和校表用。数据_ ，e 线收发模块用来实现远程抄袭和远程控制。电霾累计 模块采用专用的电量累计芯片a d e 7 7 5 5 ，把模拟量电流、电压转换成数字量脉冲， 利阁单片机的中断功能实现电量鬃计。该电度表以单片机p i c l 6 f 7 4 和a n a l o g d e v i c e s 公司的a d e 7 7 5 5 为核心。整个电表没有任何机械部件，鼹纯电子的电蹙 溅堂仪器，蔡有安全、可靠、便捷、成本 鬣的特点，不仅功能齐全，工作可靠， 瑟羹使惩方法灵活。瞧瀑模块期壶变垂器荨电踺籀逡，嗣对逶过稳歪蕊片获取三 路电压，分别为1 2 c 总线模块、通谖模块、电量累计模块供电，以减少模块之阕戆 相互干扰，增强电表系统的稳定性和精度。在电度表的整个设计过程中，始终把 8 乾裘交邂大学顼士论文复赛率电表貔软硬伟设计 可靠饿、稳定性、精度等放在第一位。因为呶能表不同予其他的电子产晶，它要 求琴瓣瑟建工箨簿蔻年甚至足专年，并盈奄鲻审懿强凌缀藏，哥链毒穰大戆滚灞、 电磁千扰等。因此，需要采取些特殊的抗干扰措施来保诞可靠、稳定的运行： 如光电隔离、电源分组、大面积铺地等。 3 3 系统总体框图及主要元器件威用介绍 蕤个电表大体豹硬件结构原理如图3 。1 和躅3 。2 所示：默p i c l 6 f 7 4 为核心的 控嘉l 纂元完成新纛信怠豹处理，镪括正常祷戮下对整个馥表静管理、毫鬣素积， 以及抄表、校验时的通信等。以a d e 7 7 5 5 为核心的电量测麓电路，负责对用户电 路中的电压、电流信号进行采榉，计算出瞬时功率并将其转换为数字脉冲输出， c p u 缀雍来垂a d e 7 7 5 5 熬数字辣净逶过孛錾孳l 辫遴孬毫爨豹累积。系统孛毒一令 实时时钟，用于为分时段计费擒供准确的时间标准。非易必性存储器用于存储费 率倍息、每月的电魑累积值、电表地址和其他工作参数。邋信接口包括红外线接 口积光线数据发送接口，用于实现红外线抄表帮远程管理。驻示模块为专用戆l e d 模块。除既以舞，系统留存一熬测试端墨，侠生产测试帮校表之霜。综会前面诱 述的备项要求，拟定了该电表的设计方案。该电表为全电子式的结构，从最开始 的电鼹测量到最终的显示，完全没有机械的部件，提高了可靠性和使用海命。 图3 1 电袭原理框图 f i 9 3 1 f r a m e d i a g r a mo f w a t t h o u r m e t e r 9 北京交通大学硕十论文 复费率电袋的软硬识：设计 x 虻谨p 珏， p a 0 戤： 硒j wm 泌嘴 嚣每毒。l l 基2 置 ，鹞船l rec营尊b0 ：w r船 g 2 锦镕 饿r 。7 氆r 0 ，6 1 聪j ，s o s 2 梅e 掰，4 髅e 皴 e c j t ik c 6 i c 2 c lr c ， i 聱萎“轮 rd0尊口置d33 j ：r o ：2 2 k 与 1 0 d 图3 , 2 ( a ) 电表原理图 f i g3 ，2 ( a ) s c h e m a t i cd i a g r a mo f w a t t - h o u rm e t e r 1 0 北柬交通大学硕士论文 复费率电袭的软硬件设计 鬯羹萝“斟茸鎏霎 o 宁斟一 黧寺篙 ：w “ 圈3 2 ( b ) 电表原理 f i g3 2 ( b ) s c h e m a t i cd i a g r a mo f w a t t - h o u rm e 纰i 1 1 。警严，一霄 蚌 越r i 拖r l 一 ： 麓牲一箍 。画 麓宗交遥大学硬士论文 复赞攀龟表戆较矮傍浚诗 3 3 1p i c l 6 f 7 4 单片机 p i c l 6 f 7 4 是高饿熊r i s c 结构的c p u ，内含8 k x l 4 位宽的e p r o m ，以及3 6 8 个字节的r a m 。它脊3 3 个可编程的i o 口，且每个i o 口都有较大的拉灌电流， 可达2 5 m a ，较多教姻口是菲常巍簸于本项嚣髂。由于f o 掰有较大的驱动能力 纛较多鹣数量，可敬巍接驱动l e d 驻示器，这样裁可戳省去l e d 驱动毫路秘解玛 电路。j 兹具有多级硬件中断，1 1 个外部中断源和8 级硬件堆栈。具有直接、间接 和相对三种寻址方式。芯片自带的冈步串行通债接口s p i 和1 2 c ，可用于和外部时 镣、e 羚r o 疑逶添。窀豹另一今溺步逶逐日毯s a r ，毒滔予零冀援与r s 4 8 5 移霆 外通讯。只有3 5 条易学易用而商效的r i s c 指令，可以缩短开发时间和周期，提 高编码效率。在同档次的微控制器芯片中具有最高执行速度，指令周期最快可达 2 0 0 n s 。 p i c l 6 f 7 4 内置三个定时器，诤数器：t m r 0 ，t m r l 和w 瓣。每个定时器都可 以产生中断。t m r 0 熄一个8 位的简单增量溢出计数器，时钟源可以是内部系统时 钟( o s c a ) ，也可以怒步 部时钟。擞对内部系统蹴钟的标准脉冲序列进行计数时即 为定辩嚣。当霹努聱躲滓透露谤数辩藏终为 数器疆薅。当露为诤数器缓羯露， 可以选择用脉冲的上升沿或者下降沿来增量。为了扩大定时城计数的范围，配合 t m r 使用还有一个w 编程预定标器，实际上就是一个可编稷分频器，可以用于 t m r 0 ，瞧露跃霉予w d t 。t m r l 燕一个1 6 霞戆定翼重器，诗数器，毒两个8 袋霉读 写豹寄存器t m r l h 和t m r l l 组成。同样t m r l 也有定时和计数两种工作方式。 当t m r l 作为计数器使用时，可以选择与芯片同步工作或异步工作。在异步工作 方式下，t m r l 可以程c p u 体眠状态下工作这个特性对于要节省功耗，同时还要 求有实辩耪锤静那些璐台是卡分蠢羯静。w d t 麓令8 位定辩器，零要怒萄汉_ 帮 8 位的预分频器组合使用，来延长定时时间。 此外，芯片内置+ t 电复位电路( p o 聃，上电定时器和振荡定时器以保证王作电 垂稳定释缀荡稳定，薮毫复蹙镂定功戆戳绦 菱奄深电压交髫：後复歪霉轰，蕊篾恢 复工作。内嚣程序保密位，可防止程序代码的j # 法拷贝。内鬣翻振式r c 振荡看门 狗定时器，在外部时钟要求不是太精确对体积有严格限制的场合，用内部r c 振荡 器可以节省成本和空阕。寿省电的体u 嚣( s l e e p ) i 俸方式。蹬静霹选振荡方式深c 、 x t 、h s 、l p ) ，支持羯达2 0 m h z 静时铮颏率，纛困为该蹙理器是采用高速低功耗 的c m o s 工艺全静态设计，在不工作时可以降低时钟频率，符合节能的要求。低 功耗设计3 v 工作时( 4 m h z ) 电流小于2 m a ，在睡眠方式时王作电流小于l u a 的。 在电表懿汲诗孛，霹戮发挥p i c l 6 f 7 4 豹镶多佬势，戳鬟离毫表藜经憝秘胃靠 性。由于p i c l 6 f 7 4 烧单字节，单周期指令的魅壤器，可以减少取指令的次数，指 北京交通大学硕士论文复费率电表的软硬件设计 令执行的速膨快，避免了运行过程中的干扰，提高了运行过程中的稳定性。 p i c l 6 融荤痔荸l 在一个芯筹斑部集成了多令功能模块笄其各俊秀徽签遴嚣特经耪 c o m s 工艺特点，可以简化外围电路、提高产品可靠性、降低成本。还有，数字 式多翡蕤复费窜毫度袭懿工佟嚣壤菲鬻恶劣，经鬻畜滚清等予考| ；i 窭凌，嚣量魄度 表要求体积小、功能强、电磁兼容性好以及可靠性高锌特点。另外，由于它具有 甄功耗，宽王撵电篷，工终瀑发耪夸巧鹭装黪特点。该经理嚣瓣i o 鬈都吴露较 大的拽灌电流，连接l e d 不用三极管放大，简化了设计，降低了功耗和制造成本。 3 3 2 电能计量芯片a d e 7 7 5 5 电能计量电路是数字式多功能复赞率电魔表设计的关键部分，因为电量计量 豹准确与否妻接牵涉翻电表戆糖疫和稳定性，宅与电袭静性熊息息相关，困鼗对 它的选择应该非常谨慎。经过精心挑选，最终选择了美国a n a l o gd e v i c e 公司推出 懿a d e 7 7 5 5 。a d e 7 7 5 5 是一秘援于功攀测量翻电能计算的毫猴确度鲍专雳集成奄 路芯片，它可与不同麓程传感器直接相连，从而达到简化接硒设计并提高功翠测 量的精确度和稳定性嬲基豹。出于它的辕出为脉；串信蟹，所以c p u 通过中断弓| 脚 可以方便准确的进行电量的累计。它熙在a d c 和基准源中使用模拟电路，所谢其 它信警( 如期慕和滤波) 都是用数字电路，即使a d e 7 7 5 5 在恶劣豹环境条件下仍能 保持极高的准确度和长期的稳定性。这为设计一种低成本、商精度、多功能的数 字式多功能复费率电度表方案提供了保证。a d e 7 7 5 5 的主要特点如下； 精度很高，在5 0 0 ：l 的动态范围内的误差小于l 。 满足i e c 6 8 7 1 0 3 6 标准的嫠求。 通过频率输出端撬侠的功率信号可以直接与计算机接日。 电流输入通道的放大器增益可编稷。 蕊片采用c m o s 工艺，单+ s v 供龟，功耗极低。 具有在片电源监控功能。 暴有正受龟能指示功铯，防窃电。 北京交通大学硕十论文 复赞率电表的软硬件设计 a d e 7 7 5 5 的引脚f 1 和f 2 以较低频率形式输出骞功功搴平均值，能直接驱动 机电式记数器或与微控制器( m c u ) 接口。引脚c f 以较高频率输嫩有功功率的瞬时 值，用予校验或与m c u 接i i 。内部的相位匹配电路使电压和电流通道的相位始终 是甄配的。v 1 p ，v i n 熄模拟输入通道1 ，用于电流信号的输入通道，最大差分输 入信号为士4 7 0 m y ，该通道同时具有过电流保护功能。v 2 p ，v 2 n 是模拟输入通 道2 ，用于电压信号的输入，最大差分输入信号为1 6 6 0 m y ，该通道同时具有过电 压保护电路。g o ，g 1 是电流通道中可编程增益放大器的增益选择输入端。a d e 7 7 5 5 的各个引脚及其功能如表3 3 所示： ￥，p w 拇 懈 嘲 釉翻, l t ￥o o 舞 i 爨a 蜥 图3 3 a d e 7 7 5 5 的内部结构和工作原理f i 9 3 3 f r a m e d i a g r a m o f a d e 7 7 5 5 a d e 7 7 5 5 的内部结构原理如图3 3 所示，它主要包括信号输入和信号处理两 部分。两个高速的a d c 转换器对来自电流和电珏传感器的模拟信号进行数字化， 这瞒个a d c 都是1 6 位的二阶e a 模数转换器，过采样速率达9 0 0 k h z 。信号处理 部分包括相位校正环节、高通滤波器h p e 乘法器、低通滤波器l p f 和数字频率转 换电路等。电流通道中的h p f 滤掉了电流信号中的直流分量，从而消除了由于电 压或电流失调所造成的有功功率计算上的误差。a d e 7 7 5 5 只在a d c 和基准源中使 用模拟电路，所有其它信号( 如相乘和滤波) 都是用数字电路，因此即使a d e 7 7 5 5 在恶劣的环境条件下仍能保持长期的时间和温度的稳定性。 有功功率是觚瞬时功率推导出来的。a d e 7 7 5 5 一般采用电流和电压直接相乘 的方法获得瞬时功率，褥由瞬时功率信号经过低通滤波求出瞬时有功功率。图3 4 示赉了如何通过对瞬时功率信号进行低通滤波来获鞭瞬时有功功率。从电流传感 器和电篪传感器传来的模拟信号经过两个高速的a d 转换嚣转换后变为两路数字 信号，两路数字信骛再经遥乘法器霜获得瓣时功率信号，该信鸯经过低通滤波滤 1 4 北泉交通大学硕士论文复费攀电表螅软硬件设计 器除去蒺孛的交流分鬃蓐裁下豹壹流分量郎是瓣辩有功功率僖号，诧信号缀数字， 频率转换器转换成与瞬时有功功率成比例的低频脉冲信号并从c f 引脚输出。电流 通道中的高通滤波用予滤除电流信号中的踅流分量，以便消除直流分量对有功功 搴诗算的影响。a d e 7 7 5 5 的低频输疆f l 。糙是通过对上述有功功率镶息的累计产 生的，即在两个输出脉冲之间经过长时间的累加，因此输出频率正比于平均有功 功率。当这令警垮膏功功率逶一步被累翻藏得到鬯羹落意。由予c f 埝窭懿簸率较 高，累加的时间较短，因此c f 的输出正比于瞬时有功功率。这样c f 引脚输出的 脉冲频率和f l ，f 2 弓f 脚输出的脓i 串频率成正院的。这个设计方案也畿正确计算非 正弦电流和电隧波形农不同功率因数情况下的有功功率。a d e 7 7 5 5 只在a d c 和基 准源中使用模拟电路，所有其它信号( 如相乘和滤波) 都是用数字电路，因此即使 a d e 7 7 5 5 在瑟劣瓣强壤条终下仍能绦持长麓豹孵阂彝洹发魏稳定毽。 c m c 懈 瓣时功獭翁垮一p 舳麟时订功功率饼垮 嚣 张 托 器 c f 撼3 4 嚣功功率瓣获褥f i g3 4a c q u i s i t i o no f w a t f f - u lp o w e r a d e 7 7 5 5 通过电流互感器和电压互感器与电网相遗。线路电流传感器的输出 奄篷接爨| 遽遂v l ，该遴遂栗躅完全差动式辕入，v i p 兔正输入端，v 搽为受输入 端。通道1 的最大差动峰值电压应小于4 7 0 m v 。通道1 有一个p g a ，其增益可由 焉产选择为1 ，2 ，8 或1 6 ，这使褥传感器接1 7 酌设诗犬为简革。a d e 7 7 5 5 典墅 的连接方式如3 - 6 所承。这里选择嗽流互感器( 作为电流传艨器。成该注意此处 通道1 的共模端是a g n d ，它是通过负载电阻的中间抽头接剐a g n d 上的，对 v 穆帮v i n 上豹摸拟墩压起剩於偿作用。c r 斡交魄和受载电辍r b 嬲大小投据差 动峰值电压而寇，即在最大负载条件下，通道1 的熬动峰值电压应当为士4 7 0 m v g 。 乾索交遥大学颈圭论文复费率电表的软硬件设许 针 一 1 4 ! 一 v 婴i x 黼睁# 爿 i 姗 m 奉c f ht ，m审 街3 5a d e 7 7 5 5 的电流通道与电网的连接r i 9 3 5 t h ec u r r e n t c o n n e c t o f a d e 7 7 5 5 霆3 6 零出了毫爨逶遴豹两种典鍪接线方法。第一释方法麓傻躅一个电压互感 器，它能使a d e 7 7 5 5 与电网完全隔裹。第二秘方法是以曦弼熬中线疆；线) 为基准， 用一个电阻分压器提供与电路电压成正比的电压信号。电压通道的最大差动峰值 电压成为6 6 0 m v ，加剔v 2 p ，v 2 n 上的电压信号必须以一个共模端作为参考点， 邋常选择躺糯) 。 盯哟 一 ” i脚v 二亨岱f 线学 。 机渊。 毒搿 线 鲤一臀 专寺。型燮j 潮3 6 a d e 7 7 5 5 静魂压遣遣与电网酌连接f i 9 3 6 t h e v o l t a g ec o n n e c t o f a d e 7 7 5 5 在这部分电鼹的设诗上，充分考虑至抗干扰懿需要。该部分毫耀擎狻供电， 并采用光耦器件和电路的其他部分隔离。在电路设计时，多处设置7 滤波电容。 a d e 7 7 5 5 的r e v p 引脚电平的高低代表该芯片检测到电能的正负，它的逻辑状态 随c f 输出脉冲同时交化，邸每当c f 产生一个脉冲的同时，检测正负功率，这样 胃鞋有效防建熏户零l _ 拜l 反接线迸纾窃邀。频率输国赣c f 透按到m c u 的中断端日， m c u 对c f 输出的脉池计数，平均功率正魄于警均频率，涎耆之淘豹关系由下式 确定低为比例常数) ： 平均功率= 平均频率 = 赫冲个数，积分辩闯 在令软分髑期蠹瀵糕黪电缆为； 北京交通大学硕士论文复费攀电表的软硬件设计 耄施z 平均功率积分辩漓 = ( 脉冲个数，移1 分时间) x 积分时间 = 脉冲个数 3 3 3 数据存储芯片瑚r 2 4 c 0 4 及应用 在数字式多功能复赞率电度表系统中，配置一个小容量的非易失性存储器是 菲鬻必要鹃，弼手存德分段谛费静辩鬏、簧率、籍窀量、奄度袭的戆疆等镲惠。 这些信息不需要频繁修改的，但却熄非常熏要的，一旦谣失会造成严重后果。考 虑到与革片机涟接的方便住，i 2 c 接口怒首选豁。美国a t m e l 公司撩出的 a t 2 4 c x x 是一个1 - 1 6 k 整的支持1 2 c 总线数摆传送协议豹e 2 p r o m 芯片，可用 电擦除，可编程自定时写周期，包括自动擦除。时间不超过1 0 m s ，典型时间为5 m s 愆2 4 a 。( 系飘芯片一般具鸯海舞写入方式；一耱是字节写入努式，雯一秘楚茭写 入方式。允许在一个写周期内同时对1 个字节或页的若干字节的读写。写入1 页鹃字节数取决乎芯片内页寄存器瀚大小。其中a t 2 4 c 0 4 其有虢位存储空闯，1 6 个字节数据的页面读写能力。美国a t m e l 公司采用先遴的c m o s 技术实质上是 降低了器件的功耗，可在电源电压低到1 8 v 的条件下正常工作。等待电流和额定 电流分别为0 秘3 m a ，a t m e l 公霉特嘉豹噪声保护藏密特皴发输入技术，保证 a t 2 4 c x x 系列e 2 p r o m 芯片即使农极强的电磁干扰下存储的数据也不会丢失。因 魏a t 2 4 c x x 系翔夔e 2 p r o m 芯冀在汽车瞧子及龟度袭、承表、煤气表中褥翻了 广泛的应用。 a t 2 4 c 0 4 其有1 2 c 总线接口，誓作于获器件工作方式。连接可纛褥方便。由 予a t 2 4 c 0 4 采蹋了c o m s 王艺，低功耗，研擦写1 0 0 万次以上，具有麓保护能力， 防此被错误擦写，数据可以保存4 0 年以上。它的引脚定义如下： s c l 磐嚣时镑线，这是一今输入管瓣，瘸予鼹步器 譬数据发送或接竣豹辫镑。 s d a 串行数据地址线，这是一个双向数据传输端，用于地址和所有数据的 发送蠛接牧。它是一令漏板开籍湍，鑫貌要求接一个上控嘏阻蚕v c c 端，典鍪 值为1 0 0 k h z 时为1 0 k ，4 0 0 k h z 时为1 k ，对于一般的数据传输仅在s c l 为 低期间s d a 才允许变化，在s c l 为高期间变化留给指示s t a r t 开始和s t o p 箨止条馋。 a o a i a 2 器件硬件地址输入端：这些输入端用于多个器件级联时设置器件地 整，这些蠢攀懋空嚣黢诀壤为0 。 w p 写保护弓i 脚，獭w p 管脚连接到v c c 。禁匕写入高位0 0 0 h - 1 f f h ) ，嬲w p 雩| 脚涟接虱v s s ，允许写入任旃缝址。 1 7 能京交通大学硕七论文 复费率电表的软硬件设计 a t 2 4 c 0 4 鳇零l 辫a 1 ，a 2 佟失疆 孛缝缝输入雩| 瓣，a 0 阑嚣不