（电子科学与技术专业论文）基于soc技术的单相智能电表的设计与实现.pdf

硕士学位论文 = = = = 鲁皇暑詈= 篁詈皇= = = = ! 穹= 皇篁! ! 毒= = ! ! = ! = ! ! = = = = 皇= = = = 皇= = = = = 喜詈暑置皇g 拳暑詈自昔皇! ! ! i 皇! ! ! ! ! ! 苎篡! ! ! 鼍! ! ! ! 詈暑! ! ! = 墨詈苎! = = ! ! 詈詈= = 詈! = = = 詈篁! = = 烹拳 a b s t r a c t w i t ht h es t e p sa c c e l e r a t i o no ft h ec o n s t r u c t i o no fi n t e l l i g e n te l e c t r i cg r i d ，t h e d e m a n d so fi n t e l l i g e n te l e c t r i cm e t e rg r o ww i t he a c hp a s s i n gd a ya n de s p e c i a l l yt h e d e m a n d so fs i n g l e p h a s ei n t e l l i g e n te l e c t r i cm e t e ri sm u c hl a r g e r a tp r e s e n t ，t h e i n t e l l i g e n te l e c t r i cm e t e ri nt h em a r k e tm o s t l ya d o p t st h ed e s i g nm e t h o do f ”s p e c i a l m e a s u r ec h i p + s p e c i a lr t c + m c u ”b u tt h e r ea r es e v e r a ls h o r t c o m i n g ss u c ha st h e t r a n s m i s s i o n sr e l i a b i l i t y ，t h eg e n e r a t i o n s c o m p a t i b i l i t ya n dm o r ec o s t l y t of u r t h e r i m p r o v et h ep e r f o r m a n c ea n dr e d u c ep r o d u c t i o nc o s t so ft h es i n g l e - p h a s ei n t e l l i g e n t e l e c t r i cm e t e r ，t h i st h e s i sa d o p t ss o ct e c h n o l o g ya n du s e sh i g h l yi n t e g r a t e da n d p e r f o r m a n c e71 m 6 5 4 2 fp r o d u c e db ym a x i m a st h em a i nc h i p t h e n ，ar e m o t ev a l u e c o n t r o ls i n g l e p h a s ei n t e l l i g e n te l e c t r i cm e t e rw i t ht w o w a ym e a s u r e m e n t ，r t c ， m u l t i - c o m m u n i c a t i o nm o d e si s d e s i g n e d t h e e l e c t r i cm e t e ri s m u l t i p u r p o s e i n t e g r a t i n g ，p r e c i s i o nm e t e r ，h i g hs t a b i l i t ya n dl o wc o s t a n di tm a k e sab r e a k t h r o u g ha t t h ed e v e l o p m e n tf o ri n t e l l i g e n tm e t e ra n dh a sa ne x p a n s i v ea p p l i c a t i o np r o s p e c t f i r s to fa 1 1 t h et h e s i si n t r o d u c e st h eh i s t o r i c a l d e v e l o p m e n to fi n t e l l i g e n t e l e c t r i cm e t e r ，e x p l o r e st h et r e n do fs i n g l e p h a s ei n t e l l i g e n te l e c t r i cm e t e rb o t ha t h o m ea n da b r o a d a c c o r d i n gt ot h ec o n t r a s t so ft h ed e m a n d ，t h ea d v a n t a g e sa n d d i s a d v a n t a g e sf o rs o cs c h e m ei sa n a l y z e d t h e nw ed r a war e m o t ev a l u ec o n t r o l s i n g l e p h a s ei n t e l l i g e n te l e c t r i cm e t e r ，w h i c hi sb a s e do nt h ec h i p71 m 6 5 4 2 f a n dw e f o c u so nt h ea n a l y s i so ft h ep r i n c i p l eh o wt h ec h i p71m 6 5 4 2 fw o r k sa n dt h ec h i p s c h a r a c t e r i s t i c s 。w h a t sm o r e ，a c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n tf u n c t i o na n da p p l i c a t i o no f c i r c u i tm o d u l e ，w ed e s i g no v e r a l lh a r d w a r ef r a m e ，a n de x p o u n dt h eh a r d w a r ed e s i g no f t h er e m o t ev a l v ec o n t r o ls i n g l e p h a s ei n t e l l i g e n te l e c t r i cm e t e r ，p a r t l yi n c l u d e st h e c i r c u i to fs a m p l i n g ，p o w e rm a n a g e m e n tc i r c u i t ，c o m m u n i c a t i o nc i r c u i t ，k e y p r e s sa n d d i s p l a yc i r c u i t ，a l lt h a ti n c l u d ei n t e r f a c ec i r c u i t t h ew o r kp r i n c i p l e so fe a c hs e c t i o no f c i r c u i ta n dt h a th o wt om a k et h e s ec i r c u i t sc o m et r u ea r eg i v e n a f t e rt h a t ，i n a c c o r d a n c ew i t ht h ed e s i g nc o n c e p to fm o d u l ea n dh i e r a r c h y ，w ed e s c r i b et h er e m o t e v a l u ec o n t r o ls i n g l e p h a s ei n t e l l i g e n te l e c t r i cm e t e r ss o f t w a r ed e s i g na n do p e r a t i n g p l a t f o r m w ea l s of o c u so nt h et e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o na l g o r i t h mo nr t ca n dt h e s m a l lc i r c u i tf i l t e r i n ga l g o r i t h m l a s tb u tn o tt h el e a s t ，t h et h e s i si n t r o d u c e st h ee r r o r a n a l y s i sa n dc o r r e c t i o no ft h es i n g l e p h a s ei n t e l l i g e n te l e c t r i cm e t e rb a s e do ns o c ， a n da c c o r d i n gt ot h et e c h n i c a ls p e c i f i c a t i o n ，w et e s tt h ep e r f o r m a n c eo ft h es i n g l e p h a s ei n t e l l i g e n t e l e c t r i cm e t e ra n dt h em e a s u r e m e n tr e s u l t so ft h es i n g lep h a s e i i i 基于s o c 技术的单相智能电表的设计与实现 i n t e l l i g e n te l e c t r i cm e t e ra r es h o w ni nt h et h e s i s i na d d i t i o n ，w ee x p l a i nt h ep r e s e n t r u n n i n gs i t u a t i o n t h ea c t u a lt e s ta n do p e r a t i o np r o v et h a tt h em e t e rb a s e do n71m 6 5 4 2 fw o r k s h i g h s t a b i l i t ya n dm e a s u r e sa c c u r a t e l y ，a n di tm e e t sr e l e v a n tc o r r e s p o n d i n gs t a n d a r d s o ft h es t a t eg r i dc o r p k e yw o r d s ：s i n g l e p h a s ei n t e l l i g e n te l e c t r i cm e t e r ；s y s t e m o nc h i p ( s o c ) ；7 1 m 6 5 4 2 f ； r e m o t ev a l v ec o n t r o l ；r t cc o m p e n s a t i o n i v 湖南大学 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，本论文不包含任何其他个 人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承 担。 作者签名：褶劫魄力，2 年歹月z 汐日 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留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并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。本人授权湖南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 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密回j 作者签名： 导师签名： 、( 请奄以上相应方框内打“”) 穆主耙 日期： 包塑玖 日期： 埘z 年r 月郝日 v ，tz 年厂月刀日 1 1 智能电表的发展历程 第1 章绪论 白1 8 8 1 年爱迪生发明了第一台测量电能的仪器以来，电能表已经在世界上 存在了一百多年的历史【1 ，2 1 。随着新材料、新技术、新工艺在电能表产品上的应 用和发展，电能表的产品也日新月异，种类不断增加，从最早的感应式电能表已 经逐步发展到机电脉冲式电能表、电子式电能表、智能电表系统等等l 引。 1 1 1 感应式电能表 感应式机械电能表，主要利用了不同的三个矢量空间和相位磁通建立起来的 交变磁场，在这个磁场作用下，转盘会产生感应电流，再根据楞次定律( l e n zl a w ) 得出感应电流使得转盘向一个方向旋转。转盘转动经过蜗杆传到计数器，只要累 计转盘的转数，就可以达到计量电能的目的1 4 o j 。 感应式电能表发展历史长远，目前有以下几点的主要问题【7 j ： ( 1 ) 机械磨损严重，很容易发生由于材料消耗而造成不可避免的误差； ( 2 ) 感应式电能表因为电流、电压接线端子外露，所以存在严重的安全问 题，且很利于采用倒表手段或改接线的方式进行偷窃电； ( 3 ) 感应式电能表抄表方式单一落后。由于设备简单，均采用的是人工上 门手工抄表，随着用户的数量增加，抄表、核算的工作量变得越来越大； ( 4 ) 生产厂家很少计划更换旧电能表的年限，因此现场校表的不合格率居 高不下，1 9 9 6 年、1 9 9 7 年和1 9 9 9 年，我们国家对感应式电能表进行三次抽样检验， 产品合格率分别是7 1 、3 0 4 和5 5 6 ，年限越长合格率越低的状况清晰可见； ( 5 ) 生产厂家参差不齐，由于没有统一的标准，各种各样的电表混进市场， 已经扰乱了感应式电能表正常发展。 此外，面对能源日益紧张的局势，电力企业也在想方设法提高电力能源的利 用率和提高电能计量的精确度。曾经在全国普及的感应式电能表已经无法满足人 们日渐增长的物质需求，而电子式电能表在许多方面改进了感应式电能表的不 足，从而在当今市场上，很快地取代了感应式电能表的位置峭j 。 1 1 2 电子式电能表 随着人们生活水平的提高，电能的开发和利用也在加快，人们对电能管理和 电能表的性能提出了更高层次的要求。感应式电能表在应用过程中逐渐暴露出准 确度低、安全性差和功能简单等缺点，并且感应式电能表主要受其结构和原理等 基于s o c 技术的单相智能电表的设计与实现 因素的制约，在以前的基础上进行大的改进非常困难。而微电子技术和计算机技 术的迅猛发展，让人们彻底抛弃了此前的机械原理，相继开发出各式各样的多功 能电子式电能表。 实际上，早期的电子式电能表，用的还是感应式工作元器件，由光电传感完 成电到脉冲的变换，再用电子电路对脉冲进行处理，最后实现电能量的计量。但 用感应式的工作元器件构成其测量的主回路，使得它和感应式电能表一样，仍然 具有精确度低、测量频率范围小等缺点 9 , 1 0 】。 为了替代感应式的工作元件，从2 0 世纪7 0 年代起，人们就已经开始研究并试 验运用电子电路来测量电能量。目前的电子式电能表主要采用大规模集成电路和 s m t 技术制造的高技术含量计量装置，它通过电流、电压采样再计算转化为电量 值。因此，电子式电能表有着感应式机械电能表无法比拟的优势【1 1 1 3 】： ( 1 ) 实现了远程自动抄表，将电力行业从人工向自动化转变。电子式电能 表采用电子技术，将电功率直接转换成脉冲量或数字量，再通过通信技术和计算 机技术实现远距离抄读电表，还可以进行各种数据运算和功能扩展。 ( 2 ) 数据采集更为方便，从而提高了工作效率。除了通信采集的数据外， 还配有的l e d 显示屏，能直白明了的显示电能表的表号、电量以及监测到的所有 数据，还支持循环显示、按键显示多种显示方式。这样，在相当大的程度上降低 了人力物力，也大大提高了电力行业的工作效率。 ( 3 ) 测量准确度高。电子式电能表在最大和最小负载时测量的误差曲线比 较平直，误差一致性较好，因此易于校正表计误差，大大提高了测量准确度。 ( 4 ) 功能比较多。电子式电能表大多数运用了单片机技术，基本可以实现 感性、容性和正、反向有功计量，甚至可以达到分时计费和时段切换功能。电子 式电能表还可以带有自己的存储芯片，能记录电能最大需量、异常报警等。在实 际应用中，用户可以随时观察电能表反馈的信息，从而了解自己的用电状况。 ( 5 ) 给预付费电表提供了崭新的平台。曾一度困扰供电部门的“收费难” 问题可以得到很好解决。原来使用的感应式电能表常造成电力部门与用户之间的 矛盾。预付费电子式电能表更加符合用电管理方式和售电管理模式的需要。 在2 0 世纪9 0 年代初，我国开始全面研制全电子式电能表。l9 9 4 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。 19 9 6 年起，电子式电能表的应用面不断扩大，它的研发技术也得到了飞速的发展， 并广泛应用在各家各户、各企业中 1 4 , 15 。 1 1 3 智能式电能表 今天，人们对电子式电能表的探索并未止步，尤其当今社会提倡智能化电子 产品后，各行业都得到了迅猛发展。电能表作为一种对电能进行检测仪器，也必 2 硕士学位论文 将开始它的智能化之路。 智能仪器是以微型处理器为核心，可以进行测量信息的存储，还能够对测量 结果进行实时分析，并能及时的做出各种判断的仪器。通常的智能仪器，具有自 动检测功能，还有一定的数据处理能力，能自动调零和单位换算，具有操作面板 或者显示器，也能进行简单的故障提示和报警功能1 6 】。 2 0 0 9 年，美国的奥巴马政府提出了“智能电网”的概念，而智能电表作为智 能电网的一个智能终端，它已经不再是传统意义上的电能表，如今的智能电表除 具备传统的电子式电能表基本计量功能以外，为了适应智能电网的开发和新能源 的使用，它还同时具有双向多费率计量功能、多数据传输模式的双向：通信功能、 用户端控制功能、防窃电的功能等智能化应用，智能电表也将代表着未来的节能 型、低碳型智能电网的智能化用户终端的发展方向【1 7 。 2 0 0 9 年1o 月，智能电表新标准由国家电网公司发布，新标准所规定的计量、 功耗、通信、费控、p c b 板布线等电能表的技术指标均变得更加严格。例如，以 前对微控制器( m i c r oc o n t r o l l e ru n i t ，m c u ) 的附加功能要求也由可选变成了必 选，此外，对智能电表的计算能力d m i p s ( d h r y s t o n em i l l i o n i n s t r u c t i o n sp e r s e c o n d ) 还有更高的要求，从而达到智能电表的高性能要求；对存储容量要求更 大，为了满足各种各样的数据处理、存储需求；需要更多的输入输出方式，为了 将来扩展出与更多的外部设备进行对接。由此可见，智能电表是以微控制器为核 心的、比传统的电子式多功能表有着更强大功能的智能终端仪器b 8 。 智能电表根据应用的不同主要分为单相智能电表和三相智能电表。，单相智能 电表主要用在居民、商铺、企业等单相电网中；三相智能电表主要用在：大型工厂、 铁路供电系统等三相电网中。目前，国家电网对智能单相电能表的招标每年多达 千万台。预计至u 2 0 15 年前，用电信息采集系统将全面建成，我国能集中采集居民 用户信息，单相智能电表覆盖率将超过8 0 ，用户数将超过1 4 亿户，到2 0 2 0 年 完成单相智能电表的完全覆盖【17 , 1 9 。 1 2 国内外智能电表的现状和趋势 纵观全球，当今社会无论哪个国家都在一定程度上存在着资源浪费的情况， 尤其是对电能的浪费。近半个世纪以来，由于人们对地球上的资源无限制的浪费， 已经造成了资源贫乏、紧张的局面，现已意识到为了人类的可持续发展，节省、 合理的运用资源是非常重要的，也随之产生出许多解决资源浪费的方针。智能电 表就是在这种状况下，成为了当今各个国家在电力领域的重点研究对象。随着智 能电表的优越性渐渐展现出来，在全球，很多国家的电力能源公司己大量用上了 智能电表。依照目前的发展速度，智能电表的前景将会超乎想象【20 1 。 2 0 世纪7 0 年代以前，我国所用的电子式标准电能表大部分都采用进口电表， 基于s o c 技术的单相智能电表的设计与实现 直到8 0 、9 0 年代，国内才开始生产高精度标准的电子式电能表。从上个世纪8 0 年代起，我国电力部门也开始颁布电能表的系列标准，具体有d l t 6 1 4 19 9 7 多功能电度表、g b t 152 8 3 19 9 40 5 、1 和2 级交流有功电度表和j j g 0 7 - 19 8 8 交流电能表鉴定规程等。经过这么多年的发展，目前我国电能表的许多性能方 面已经进入国内外同类型产品的先进行列。近几年，由于环境、需求和技术的差 异，我国的智能电表与国外的智能电表相比，还存在着一些不足之处1 2 1 | 。 在功能上，国外普遍采用了电流规格为5 ( 1 0 0 ) a 或5 ( 8 0 ) a 等高倍率产品，我 国绝大部分产品采用的是5 ( 4 0 ) a 或1 0 ( 6 0 ) a 的低倍率电流规格；国外已经对单相 表提出了无功计量的要求，甚至明确提出电能质量的测量要求，而国内电表不需 要无功计量；随着智能电网的不断发展，国外单相表的负荷控制逐渐转向多路控 制，目前国内的智能电表主要是单路负荷控制；国外电表可通过配置或者远程程 序升级来修改和扩展功能，国内的电表采用出厂固化程序的方式。 在架构上，国外已经大规模应用s o c ( s y s t e mo nc h i p ) 技术。所谓s o c 技 术，从广义上理解，是应用高集成度的s o c 芯片，并围绕s o c 芯片进行二次集成 开发采取的一系列技术手段。s o c 芯片推动了电表主控芯片的集成化发展，例如 t e r i d i a n 的6 5 4 x 系列单片机，飞思卡尔的m z 系列单片机，德国的英飞凌也开始了 电表行业s o c 芯片的研究。国内由于受到i c 技术的影响，并未大规模的使用s o c 技术，目前生产的智能电表产品依然采用“专用计量芯片+ m c u + 专用r t c ”的 解决方案，这种架构设计方式的电能表虽然组合的方式多种多样，但核与核之间 匹配以及通信传输的可靠性问题都是不可避免的，而且多核方案的印制板电路也 相对复杂，由于使用了数量较多的芯片，不可避免的造成电能表价格昂贵、维修 不便等问题，这都给智能电表的发展带来了阻碍。 因此，当前无论是国内还是国外，智能电表都向着“小而精、成本低廉、性 能优越、功能齐全、可维护性好”这个共同的目标迈进1 2 2 | 。 1 3 课题研究的背景和意义 近几年来，我国经济高速发展，电力行业也得到了迅猛的发展，各大行业对 电力行业的依赖程度也越来越大，从而大大带动了电能表的需求量。电能表从感 应式到电子式，再到如今的智能电表，随着电子技术以及制造技术的迅猛发展， 人们对他的关注和依赖度也越来越高1 2 3 i 。 尤其当智能电网提出后，更引起了电力行业对智能电表的关注。据统计，国 家电网公司在2 0 1 _ i d 年的智能电网第一阶段项目中，大约有9 1 亿元全部用于智能电 表、采集终端及后台系统的建设。智能电表标准于2 0 0 9 年已经下发，同年1 1 月国 家电网公司就启动了第一批智能电表招标，其中包括二级单相远程费控智能电表 共6 8 0 多万只，一级三相费控智能电表共2 6 万只，总招标金额大约13 亿元1 1 7 j 。 4 硕士学位论义 = 自暑= = ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! = = ! = ! ! ! ! ! ! ! ! ! 竺! ! ! ! ! ! = ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! = = ! ! 墨! ! ! ! i ! ! ! ! = ! = = ! = = = = = = = ! = = = = = = = = = = = ! = = = = = = = = = = = e ! j ! e ! ! ! ! = 鼍 由于需求量增加，单相智能电表迎来了蓬勃发展的时机。同时，随着国家电 网集中招标政策的强势推行，性能优良、价格低廉的单相智能电表受欢迎程度越 来越明显。在国内市场上，单相智能电表已进入微利时代，其成本压力之大，将 本来就处于利润底端的单相智能电表推到了风口浪尖。如何在满足国家电网所有 规范的条件下，降低电表成本，成为了各大电表厂商讨论的焦点。 随着i c 技术的发展，我们把越来越多的功能集成到一个单硅片上已成为可 能。于是，超大规模集成电路的发展必然导致s o c 解决方案的形成。s o c 芯片不 仅可以减少外围元器件数量、压缩产品体积、降低功耗，还可以极大提高产品的 性能。在s o c 方案中，由于数字信号处理单元代替了很多模拟器件，使得产品对 电磁环境、温度、湿度和工作漂移的敏感度大大降低，因而其性能远比多个芯片 构成的传统设计方案优越。目前，s o c 方案已经在很多消费类电子产品领域广泛 应用。但是，我国电表行业对产品的可靠性和准确性比较敏感，对s o c 方案也存 在疑虑，所以国内该方案并没有进行大规模推广。然而，在很多国外市场，应用 s o c 方案的电表产品并未受到限制，因此发展较快。 目前，基于“m c u + 时钟芯片+ 计量芯片”方案的单相智能费控表( 远程) 已经经历了多次的优化项目，如果继续围绕现有方案开展项目，在降成本、优化 性能方面基本已无潜力可挖。因此，本文要打破固有的设计思路，从硬件方案上 进行变革，通过使用集成“管理、l c d 显示、时钟、计量”四大功能为一体的芯 片，去除价格较高的时钟芯片、计量芯片等关键元器件，从而降低硬件方案的成 本，才能为电表厂商争取更大的利润空间 2 3 , 2 4 。 随着相互竞争激烈程度的加剧，哪个电表厂商在s o c 方案取得实质性的突 破，将会引领着国内市场的单相智能电表发生巨大的变革。 1 4 课题的来源及本文主要内容 本课题直接来源长沙威胜集团的单相智能电表开发部的重点研发项目。主要 利用长沙威胜集团多年来在智能电表研发方面的经验，顺应当前的发展趋势，开 发一款高精度、功能强大、成本低且具有强大市场竞争力的单相智能电表。根据 规范的要求，需要达到以下目的： ( 1 ) 高精度、低成本； ( 2 ) 产品使用寿命长； ( 3 ) 统一硬件平台和软件架构，具有互操作性。本课题将设计款全新的、 能满足市场需求的s o c 方案单相智能电表。 本文主要介绍基于s o c 方案的单相智能电表，包括硬件原理、软件架构、误 差分析等等。主要结构如下： 第l 章，绪论。主要介绍智能电表的发展历史，了解从感应式电能表发展到 基于s o c 技术的单相智能电表的设计与实现 今天的智能电表的历程；探讨国内外智能电表发展现状以及趋势，并简述国内外 电表的功能差距，从而把握如今智能电表的重点研究方向：阐述基于s o c 方案 电表研究的意义琳及本文研究的主要内容； 第2 章，基 远程费控单相智 求分析各种 s o c 技术的单相智能电表的总体设计。首先，详细介绍一般 电表的整体架构、总体方案的优势和设计目标，并根据技术要 s o c 方案的优缺点， 7 1 m 6 5 4 2 f 在智能1 电能表中的应用、 引出核心器件7 1m 6 5 4 2 f 芯片；然后，讨论 工作原理和优缺点分析；最后详细论述基于 7 1 m 6 5 4 2 f 芯片的的远程费控单相智能电表的总体设计方案； 第3 章，基于7 1 m 6 5 4 2 f 的单相智能电表硬件设计。硬件围绕各个硬件模块， 给出基于7 1 m 6 5 42 f 的远程费控单相智能电表系统的硬件设计方案，具体包括电 源管理电路、电、流电压的采样电路、通信电路、按键显示等接口电路，并对各个 电路进行详细分析； 第4 章，基于7 1 m 6 5 4 2 f 的单相智能电表软件设计。介绍单相智能电表的软 件设计和运行平刽，特别讨论便于后期维护的软件架构，同时还阐述主程序以及 与芯片相关的底层接口软件，重点探讨小电流滤波算法以及时钟的温度补偿算 法。最后，将这些算法全部软件化并且应用到单相智能电表中； 第5 章，单相智能电表的误差修正和测试。分析基于s o c 技术单相智能电 表的误差，并进行误差校正， 求，最后讲述该 结论部分对 表上的后续研究 重点介绍校表方案的设计，以满足生产智能化的要 目前的运行情况； 文的工作要点进行总结， 作重点。 6 并指出s o c 方案应用在单相智能电 硕士学位论文 第2 章基于so c 技术的单相智能电表总体设计 单相智能电表作为一款工业类电子产品，有着特定的工作原理、技术要求和 功能框架。同样，基于s o c 技术的单相智能电表也必须符合国家的规范要求。 2 1 单相智能电表的设计要求 s o c 技术应用了嵌入式系统工程、v l s i 集成电路设计、电路与系统、数字 信号处理等学科理论知识，是电子产品的高集成度化发展的重要技术。目前，在 消费类产品中已经广泛应用，s o c 技术的关键是核心器件s o c 芯片，但由于需 求的不同，s o c 芯片也多种多样。在电表行业中，s o c 芯片的应用基本上大同 小异 2 5 , 2 6 。要选择合适的s o c 芯片进行设计，首先，本文需要细致的研究分析 远程费控单相智能电表的工作原理、技术指标和功能要求。 2 1 1 单相智能电表的工作原理 远程费控单相智能电表是新一代智能型高科技电能计量产品。其主要由电流 和电压分压电路模块、核心芯片组、内部存储器、掉电检测等单元组成数据处理 系统；由电源、高性能电池组成供电系统；由l c d 显示器、通信接口、按钮、 脉冲输出等组成输入输出系统。其原理框图如图2 1 所示。 卜 嘲示器i 时钟电池l 7 碍墟 l 电压 分压 目 ：、一冷r 遄1 _ 愤_ _ 电路 1 按 钮- 核心芯片组 r 一一 镇眄1 二 电流 厂 分压 量u 电路 脉冲输出- 内耥- 图2 1 单相智能电表工作原理框图 2 1 2 单相智能电表的功能要求 本文设计的远程费控单相智能电表，主要是针对国网集中招标采购用表以及 国网零卖用表，涉及表型为d d z y l 0 2 $ 1 d d z y l 0 2 z 。因此，根据国家电网对单 7 相智能电表定义酆i 各项技术、功能及型式等，单相智能电表主要功能如下 2 7 , 2 8 ： ( 1 ) 计量功毙 具有正、反向及组合有功电能的计量功能。组合有功电能可由正、反向有功 电能进行选择性缍i 合。 ( 2 ) 分时计：量功能 支持尖、峰、平、谷四个费率。全年可设置2 个年时区；2 4 d 时内至少可以 设置14 个时段；时段最小间隔为15 5 - ) - 钟，时段可以跨越零点设置。支持节假日和 公休日特殊费率匪段的设置。 ( 3 ) 梯度计：雾功能 梯度计量模蟊：下，只计总用电量，计费区间为两次结算之间的用电量。在两 次结算区间可设是：三个用电限值，四个梯度电价。 ( 4 ) 远程费空功能 通过远程售哇系统实现，电费计算在远程售电系统中完成，表内不存储、不 显示与电费、电价相关的信息。单相智能电表接收远程售电系统下发的拉闸、允 许合闸、e s a m 数据抄读等指令时，需通过严格的密码验证及安全认证。 ( 5 ) 脉冲输丑功能 提供有功脉渊输出，脉冲输出宽度为( 8 0 2 0 ) m s 。多功能测试端子，可通过 软件设置其输出蔓时钟秒脉冲或时段投切信号。 ( 6 ) 结算功悲 一个月最多豆设3 个结算点进行结算，最大可记录最近1 2 次结算的历史数据。 单相智能电表在由1 电的情况下，所有与结算有关的数据至少保存l o 年。 ( 7 ) 液晶显：；云 液晶显示有e动循环显示、按键查询显示、停电显示三种显示方式。显示屏 数和显示项目均- a通过配置参数进行设置。 ( 8 ) 通信功挹 至少具有一1一r s 4 8 5 接口、一个远红外接口和一个载波通信接口，三种通信 口相互独立。r s 4；5 接口可以抄表和参数设置，波特率可设，默认为2 4 0 0 b p s 。 远红外接口可以把；表和参数设置，波特率固定为1 2 0 0 b p s ，远红外通信的最大有 效距离不小于5 米，载波模块与电能表通信接口波特率固定为2 4 0 0 b p s 。 ( 9 ) 事件记：i 乏功能 保存1 0 次清毒：件记录、1 0 次结算日编程记录、编程总次数和近1 0 次的编程事 件记录、开盖记牙：、上下电记录、校时记录、用户购电记录、跳闸事件记录等。 ( 10 ) 冻结圳 能 具有多种电耋：冻结功能。包括定时冻结、瞬时冻结功能、约定冻结功能等。 ( 1 1 ) 其他列i 能 硕士学位论文 停电抄表功能、液晶背光功能、声光闸报警功能和系统自检功能。 2 1 3 单相智能电表的技术指标 本文设计的远程费控单相智能电表，主要是国家电网集中招标采购用表。根 据国网规范对单相智能电表的定义，其主要技术指标如表2 1 所示。 表2 1 单相智能电表的主要技术指标 表2 1 中，严格规定了单相智能电表的工作环境、工作寿命以及外形尺寸等。 此外，对于单相智能电表计量的光耦脉冲输出，国家电网规范也做了严格的要求， 光耦脉冲输出的技术指标如表2 2 所示。 表2 2 光耦脉冲输出的技术指标 光耦参数技术指标值 1 5 ( 6 ) a 一6 4 0 0 i m p k w h 脉冲输出常数 5 ( 4 0 ) a - 3 2 0 0 i m p k w h 10 ( 6 0 ) a - l2 0 0 i m p k w h 或16 0 0 i m p k w h 脉冲输出宽度 ( 8 0 2 0 ) m s 最大允许通过电流 1 0 m a ( d c ) 工作电压5 v 2 4 v ( d c ) 本文叙述的单相智能电表将严格按照技术指标要求来设计。 2 2 单相智能电表的s o c 芯片选型 近几年开始，s o c 方案逐步向电表行业推广，目前国际上很多知名的i c 公司 基于s o c 技术的单相智能电表的设计与实现 都看准电表行业的巨大商机，已经推出或者即将推出一系列新型的s o c 电表计量 方案，如t e r i d i a n 的7 1 m 6 5 4 x 、t i 的m s p 4 3 0 f e 4 2 x 、a d i 的a d e 7 1 x x 、炬力a t t 7 0 2 7 公司、杭州万工、炬力的四款s o c 芯片对比。 表2 3 四款s o c 芯片对比( 2 0 11 年1 2 月止) 属性7 1 】d 6 5 4 2 fm s p 4 3 0 f 6 7 3 3 杭州万工v 9 3 31 a t t 7 0 3 7 成本预估 ，1 87 1 5 1 1 元1 2 元8 元 f l a s h6 4 kf l a s h6 4 kf l a s h6 4 kf l a s h6 0 kf l a s h x r a m5 kr a m4 kr a m4 kr a m4 kr a m 内核8051t i 的m s p 4 3 0 8 0 5 28 0 5 2 工作电压 3 , 0 - 3 6 v1 8 v 3 6 v i i l3 0 v 5 5 v2 。7 v 一3 6 v l c d 段数 6 x 5 6 = 3 3 6支持4 c o m4 x 4 0 = 16 04 x 4 0 = 16 0 i o 口数 5 6 待定待定 6 9 片上硬件带片内温度传感能停电补偿，带能停电补偿，带片能停电补偿，带 r t c 器( 停电状态自动片内温度传感器内温度传感器片内温度传感器 补偿) u a r t 2 路3 路6 路2 路 定时器5 个4 个5 个3 个 脉冲输出支持 。 支持支持支持 采样范围2 0 0 0 ：1 的动态范2 路独立的16 位集成4 路高性能过 10 0 0 ：1 内的动 围内，有功误差小a d c ，动态范围采样a d c ，有功误态范围有功误差 于0 1 未知差小于0 1 小于0 1 低功耗工b r o w n o u t 、l c d 、 待定提供多种低工作h o l d 、s l e e p 作模式 s l e e p 模式 内置掉电支持待定支持支持 检测电路 电池电压支持待定支持支持 检测电路 其他特点i o 口兼容5 v 输入无无防窃电，全失压 计量 根据表2 3 可知，从功能上来考虑，除了t i 的m s p 4 3 0 f 6 7 3 3 芯片不能明确的 1 0 硕士学位论文 关键点较多外，t e r i d i a n 的7 l m 6 5 4 2 f ，杭州万工的v 9 3 3 1 ，a t t 7 0 3 7 这三款s o c 芯片都能满足设计远程费控单相智能电表的要求。从应用方面来考虑，t e r i d i a n 的7 1 m 6 5 4 2 f 和a t t 7 0 3 7 都已实现量产，而t i 和杭州万工的量产时问均未明确。 从资源上考虑，7 1 m 6 5 4 2 f 最为丰富且更为我们所熟悉。因此，综合比较之下， 采用t e r i d i a n 的7 l m 6 5 4 2 f 作为本文的s o c 芯片选型方案最为可靠。 2 37 1 m 6 5 4 2 f 芯片介绍 7 1 m 6 5 4 2 f 是t e r i d i a n 公司的第4 代高集成度单相电表s o c 芯片，主要包括： 兼容8 0 5 1 的m p u 、带有数字补偿的低功耗实时时钟( r t c ) 、闪存存储器和l c d 驱 动器。其采用单转换器技术( s i n g l ec o n v e r t e rt e c h n o l o g y ) ，内置一路2 2 位的 a a d c 数字温度传感器、三路或四路模拟输入、数字温度补偿、精密电压基准 和3 2 位计算引擎( c e ) t 2 9 1 。基于该芯片，可以极大地简化电能表的软件和硬件设 计，减少电能表系统芯片数量，不仅提高了系统的可靠性，还降低了生产成本。 2 3 17 1 m 6 5 4 2 f 芯片的结构和特性 7 1m 6 5 4 2 f 芯片采用了高集成度的制造工艺，内部结构紧密。芯片内部结构 如图2 2 所示。 图2 27 1 m 6 5 4 2 f 内部结构图 总体来说，芷；片内部主要可分成的3 个模块单元：模拟采样的前端模块、管 理单元模块、电台 计量模块。 芯片的模拟育 端是一个具有2 2 位的二阶a a d c 转换器。芯片支持6 路模拟 信号输入和1 路基住电压输入，支持自动数字温度补偿。一个独立的3 2 位计算引 擎c e ( c o m p u t a t i o l le n g i n e ) 构成电能计量模块的核心，c e 的内部是一个数字信号 处理器( d s p ) ，通电后将自动载入并运行c e 代码，对a d c 转化器得来的电压、电 流等实时数据进布：处理与运算。管理单元模块核心实际上就是一个8 0 5l 内核的微 控制器( m p u ) ，主要对c e 计算得到的数据进行电能参数的后续管理。 7 l m 6 5 4 2 f 主要有以下一些特性2 9 】： ( 1 ) 在2 0 0 0l 工作电流的宽动态范围内，电能计量精度高达0 1 ； ( 2 ) 优于i e i：6 2 0 5 3 a n s i c1 2 2 0 标准的性能要求； ( 3 ) 两路电宛传感器输入，可选择差分模式，主通道电流输入可选择1 或8 倍的增益，支持乡流器； ( 4 ) 独立的；2 位计算引擎，高速w h v a r h 脉冲输出，可编程脉冲宽度； ( 5 ) 包含6 4 1( b 的f l a s h 闪存、5 k b 的r a m ( 其中有1 k b 为c e 共享r a m ) ； ( 6 ) 多达四咯脉冲输出，带有脉冲计数，含有四象限表计； ( 7 ) 带有数字温度补偿：包括对计量补偿和对高精度r t c 的补偿，用于晶 振自动温度补偿彭i t o u 功能，支持所有功率模式： ( 8 ) 4 6 6 4 he 电网频率范围，采用同相校准，相位补偿( 士1 0 0 ) ； ( 9 ) 三种备一分电池供电模式，包括：掉电模式( b r n ) 、l c d 模式( l c d ) 和休 眠模式( s l p ) ，休l民模式电流损耗仅为1 a ； ( 10 ) 引脚雩：件唤醒和定时器唤醒，闪存加密，在线系统编程； ( 11 ) 8 位的一i p u ( 8 0 5 1 5 ) ，高达5 m i p s 的运算速率； ( 1 2 ) 带有l2 d 驱动器：每引脚驱动6 段，多达5 6 个弓l 脚，l c d 驱动器的工 作电压为5 v ，带聿 d a c ； ( 13 ) 多达5个多功能d i o 引脚，支持外部扩展； ( 1 4 ) 硬件差。门狗定时器( w d t ) ，防止程序跑飞； ( 15 ) s p i 接 ，具有闪存编程能力； ( 16 ) 两个u k r t 用于i r 和a m r ，还带有3 8 k h z