（电力电子与电力传动专业论文）基于以太网的三相电能表的研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t a l o n gw i t hn e t w o r kt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n t ，p o w e rm a n a g e m e n ti no f f i c ea n d b u i l d i n ga r eb e c o m ei n t e l l i g e n ta n dn e t w o r k t h i sp a p e ra i m sa ts h o r t c o m i n g so ft h e t r a d i t i o n a le l e c t r i cm e t e rs y s t e ms u c ha st h ew e a ka n t i j a m m i n gc a p a b i l i t y , t h e m e a s u r e m e n tn o tt ob ep r e c i s e ，w a s t i n gt i m ef o rm a nt o c o p yt h ed a t a ，t h e s i n g l e f u n c t i o na n ds oo n at h r e e p h a s ee l e c t r i c i t ya c q u i s i t i o ns y s t e mw h i c hb a s e d o nt h ee t h e r n e ti sp r e s e n t e d b yu s i n gac s 5 4 6 0 at oe l e c t r i cg a t h e r i n ga n da d o p t i n g a na t 8 9 s 5 3t od a t ap r o c e s s i n g ，i tc a nt r a n s m i tr e a l t i m em e a s u r e dv a l u e so fv a r i o u s e l e c t r i cq u a n t i t i e sf r o ms p i b yu s i n ge t h e r n e tc o n t r o l l e re n c 2 8 j 6 0 ，i tc a nr e a l i z e e t h e m e t c o m m u n i c a t i o na n dp o w e rc e n t r a l i z e dm a n a g e m e n to nu p p e r c o m p u t e r t h i ss y s t e mu s e st h ee l e c t r o n i cc h i p st os u b s t i t u t et h et r a d i t i o n a lm e c h a n i s m i m p u l s em e t e r , c o m b i n e st h ee l e c t r i c i t yc h a r a c t e r i s t i c ，i n c r e a s e st h em e a s u r i n g a c c u r a c y , c a u s e st h ee l e c t r i cq u a n t i t ys t a t i s t i c st ob em o r ep r e c i s e t h en e t w o r k m o d u l ec a l c u l a t e st h eo u t p u tp u l s eo fe l e c t r i cm e t e ra n dt r a n s m i t st oc o m p u t e rb y e t h e r n e t ，i tc a nm a k et h et r a n s m i s s i o nd i s t a n c em o r ef a r t h e nd a t aa r es t o r e di nt h e d a t a - b a s e ，t h eu p p e rc o m p u t e rm a yp r o d u c ear e p o r ta n dp r i n ti to u t i tc a nr e a l i z e e n e r g ym e t e r i n g ，c h a r g e sm a n a g e m e n ta n dp r o c e s sm a n a g e m e n t b yu s i n gt h e e t h e m e t ，i tn o to n l yr e d u c et h ec o s ta n dm a k et h ec o n s t r u c t i o ne a s i l y ，b u ta l s os h a r e t h ed a t ai nl a n a tf i r s t ，t h i sp a p e r g i v e sas i m p l es u m m a r i z a t i o no fd e v e l o p m e n ta n dt e c h n i q u e c h a r a c t e r i s t i c so fe l e c t r i cm e t e r s e c o n d l y , i ti n t r o d u c e st h eh a r d w a r ec i r c u i ta n d s o f t w a r ed e s i g n ，b e s i d e s ，i ta l s oa n a l y s e st h et c p i pp r o t o c o lw h i c hi st h ei m p o r t a n t g i s tt or e a l i z ec o m m u n i c a t i o nb ye t h e r n e t ，a n di n t r o d u c e st h em e t h o dt or e a l i z et h e l i n kl a y e r , n e t w o r kl a y e r , t r a n s p o r tl a y e r , a p p l i c a t i o nl a y e r , i na d d i t i o n ，i tc o n d e n s e s t h et c p i pp r o t o c 0 1 i nt h el a s tc h a p t e r , i ts i m p l ei n t r o d u c e st h em a n a g es o f t w a r ei n u p p e rc o m p u t e r k e yw o r d s ：e l e c t r i cm e t e r ；e t h e m e t ；t c p i pp r o t o c o l i i 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 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，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得直昌太堂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。 学位论文作者签名( 手写) ：天互 签字日期： 谚年2 月如日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解直昌太堂有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权直昌太堂可以将学位论文的全 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、汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究 所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向 社会公众提供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：欠兰 导师签名：o 锄夕笏 签字日期：略年应月幻日 签字日期：彩车r 阴日 第1 章引言 第1 章引言 1 1 课题的研究背景 随着国民经济的不断发展，电力已经成为国家最重要的能源之一，它与人 民的生活密切相关。由于人民物质生活的极大丰富，生活质量迅速提高，对电 力的需求也越来越大。电力己作为商品进入了市场，用电核算、用电收费以及 相应的电能控制和管理系统也需要进一步的发展和完善。但是，当前许多企事 业单位、办公楼宇及居民住宅小区的用电管理过于落后，尤其是居民住宅小区 的用电管理收费多年来一直采用先用电、后抄表、再付费的传统作业方式。居 民用电绝大多数实行的是在若干集中居住的家庭安装一个总的电表，每户再安 装一个分电表，电力部门抄表员抄收总电表的电量，作为居民交付电费的依据。 居委会或物业管理部门还需去抄取各家电表的读数，再收取电费。这种用电管 理模式不仅工作效率低，而且有时总电表读数与各分电表读数之和会不相符， 由此产生的额外电费分摊不均，往往会产生纠纷，这给居民带来诸多不便，也 给管理部门造成了人力、物力、时间上的极大浪费。此外，使用这种传统的电 表安装模式，也给施工增加了布线成本和难度。为了适应社会的需要，保证用 户安全、合理、方便地用电，对传统的电表和用电的管理模式进行改造，使之 符合社会发展的需要就显得很有必要。 1 2 电子式电能表简介 1 2 1 电能表的发展历程及发展趋势心1 电能表是用来测量某一段时间内所消耗的电能的仪表，以前称之为火表或 千瓦时表，后来又长期称之为电度表，因为在我国曾有过“1 千瓦小时的电量为 l 度电的定义，自从将电量的法定单位定义为千瓦时以后，电度表就改为电能 表了。电能表按结构及测量原理可划分为两种：感应式电能表和电子式电能表。 电子式电能表又可进一步划分为机电脉冲式电能表和全电子式电能表。 1 8 8 0 年，德国人汤姆斯爱迪森根据电解的原理发明了电能表。当时是用 于对直流电能的测量，这种电能表体积庞大，精度很低，使用极不方便。1 8 8 9 第1 章引言 年，在交流电的发现与应用下，成功地制造出了交流电能表，即感应式电能表。 目前感应式电能表的制造技术已完全成熟，加之又具有可靠性高、制造简便、 价格便宜等特点，因此，在全世界范围内，感应式电能表在数量上占电能表的 绝大多数，但是由于它采用的是以感应式测量机构作为测量主回路，因此它无 法避免准确度低、频率适应范围窄且功能单一等问题，随着电力事业的发展， 人们对合理高效地利用电能资源的追求在不断地提高，因此人们相继开发出了 各种各样的电子式电能表。 1 9 7 6 年日本首先研制了电子式电能表，它采用感应式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。这种电能表在2 0 世纪7 0 年代初就开始在 一些工业化国家逐渐被大面积采用，但是由于它同样采用的是感应式测量机构 作为测量主回路，这使得它在性能上较感应式电能表并没有太大提升，为了替 代感应式测量机构，人们就开始研究并试验采用电子电路来测量交流电能。 全电子式电能表是在2 0 世纪7 0 年代后期发展起来的，由于电能是电功率 对时间的积分，所以任何电子式电能计量方案的第一步都是确定电功率。因而， 电子式电能表的共同原理就是使用乘法器，按照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。数字型乘法器按d 变换原理也分为两类：一是逐次 比较型a d 进行采样的数字乘法器，如南非s a m e s 公司生产的s a 9 1 系列芯片 等；二是用y , a 原理进行a d 转换的数字乘法器，如美国a d i 公司的a d 7 7 5 5 系列芯片、c i r r u sl o g i c 公司的c s 5 4 6 0 系列芯片等。 我国人口密集，电网拓扑结构复杂，各种采集方式都存在自身的缺点。在 国外，电表领域的标准和规范方面做的比较好。而我国电力计量方面的产品市 场很混乱，各个生产厂商都按照自己的设计思路制造产品投放市场，但是可以 看到的一点是，集电能计量、收费、用电过程管理等功能于一体的电子式电能 表的普及将是一个必然的趋势。 1 2 2 电子式电能表的基本结构1 电子式电能表按结构大致可分为四部分：电压、电流回路，乘法器，变换 器以及计数器。电子式电能表基本结构图如图1 1 所示： 2 第1 章引言 图1 1 电子式电能表基本结构图 由图1 1 可知，其工作原理为电压、电流输入回路将被测功率的电压和电流 分别通过分压器和互感器变换为小电压信号送至乘法器，这样避免了输入电压、 电流过大对电表内部造成影响。通过乘法器，把电压和电流相乘，得到与被测 量的电功率成正比的电压信号，然后送至变换器进行电压频率( v f ) 的转换， 并对时间积分，经分频后输出与被测电能对应的脉冲，最后送到计数器，对电 能进行累加并加以显示。其中，乘法器是电子式电能表的核心，表计的测量精 度就取决于它。 1 2 3 电子式电能表的优点 电能表电子化的实现和应用，使得电能表的功能从单一的电能量的计量向 多功能化的方向发展，如：可以测试并指示所在回路的有功电能、无功电能、 视在功率、功率因数甚至电压、电流、频率、相位等等。这样，人们的各种需 求就可通过改变电能表的指令变得很容易实现了。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，其年销量已超过感应式电 能表。感应式电能表和电子式电能表的性能比较如表1 2 所示： 表1 2 感应式电能表和电子式电能表的性能比较 3 第1 章引言 电子式电能表与感应式电能表相比，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，为用电管理所需数据的远程自动采集和 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。 1 3 基于以太网的电表系统的提出 1 3 1 几种现行的电表集抄方式及其缺点h 1 ( 1 ) 电力线载波集抄方式：电力线载波集抄系统可以说是当前最为实用和流 行的通信方式，在国外被广泛采用，但由于我国电网结构复杂，拓扑结构比较 混乱，节点较多，导致信号在电力线上传输时衰减比较严重。噪声大、安全性 低是这种抄表方式的明显缺点。 ( 2 ) 无线通讯抄表方式：它包括红外线采集、g p r s 信道等。红外线采集虽然 可以省掉了麻烦的手工抄表工作，但传输距离短，依然需要人工上门抄表，这 对于管理部门是一个很大的负担。而利用g p r s 信道方式采集，具有无需架设 线缆、实时性好、网络覆盖广、速度快、效率高等优点，但为此所需要的网络 资费较高，且由于电表数量巨大，会对通信网络造成一定负担。 ( 3 ) 4 8 5 总线抄表方式：它的最大缺点就是需要架设专门的网络，导致成本升 高，且施工难度大。由于节点较多，当通信电缆发生故障时，查找困难，给系 统维护带来不便。这些都是4 8 5 总线抄表方式不利于发展的重要原因。 1 3 2 基于以太网的电表系统的优点 以太网( e t h e m e t ) 是由x e r o x 公司创建并由x e r o x ，i n t e l 和d e c 公司联合开发 的基带局域网规范。它采用c s m a c d ( 带有碰撞检测的载波侦听多路访问) 访问 控制方法，是当今现有局域网采用的最通用的通信协议标准。该标准定义了在 局域网( l a n ) 中采用的电缆类型和信号处理方法。以太网由于其低成本、高 可靠性以及1 0 m b p s 的速率而被广泛使用。目前许多设备制造商提供的产品都带 以太网接口，并能采用通用的软件协议进行通信。 4 第1 章引言 随着网络的发展，传统标准的以太网技术已难以满足日益增长的网络数据 流量速度的需求。因此以太网的速度也从原始的1 0 m b p s 提高到了百兆甚至千 兆，而且咀太网也逐渐与交换技术相结合，足够的带宽和交换式集线器的应用 解决了以太网的不确定问题，使其有能力满足实时系统的要求。此外，以太网 电缆也从难以应用且昂贵的粗同轴电缆1 0 b a s e - 5 发展到细同轴电缆1 0 b a s e - 2 以及现在常用的非屏蔽双绞线1 0 b a s e - t 和光纤这大大提高了以太网运行于 工厂环境所应具备的抗干扰能力【) j 。 目前国内很多办公楼宇、智能小区、学校机构或政府机关内部都铺设了以 太网，宽带网络已经走入千家万户，这就为在用电网络中建立基于以太圆的电 能计量计费系统提供了前提；使用以太网作为通信信道的最大优点是传输可靠， 不需要对现场进行复杂的信道分析，只要有网络接口就可以安装使用，无需二 次布线，导致成本大大降低；且以太网易与i n t e r n e z 集成，使得数据在互联网 内的共享更为方便；由于单片机技术的发展，芯片集成度的不断增强，嵌入式 网络通信技术也日趋成熟，这再次为基于以太网的电表系统在上述场合的应用 提供了坚实的硬件和软件基础。 因此，本课题根据计算机技术、通信技术和网络技术的最新进展，提出了 一种基于以太网的三相电表系统，它集电能计量、计费、用电管理等功能于一 体。电表中内嵌网卡芯片，可以直接连接到以太网，从而省去了集中器这个环 节，实现了完全分散分布式的电能数据采集和控制系统。电能计量计费系统的 基本结构如图1 3 所示： 其他终端 用j o 查询电能收 图13 电能计量计费系统的基本结构幽 第1 章引言 1 4 本课题的主要内容及创新点 本课题研究的主要内容有： 1 、电能采集芯片与单片机及以太网接口电路的设计与实现。 2 、电能采集模块和以太网通信模块的软件设计与实现。 3 、在a t 8 9 s 5 3 单片机上实现精简的t c p i p 协议栈。 4 、在实现t c p i p 网络连接的基础上，对上层p c 机通讯和管理软件做相应 介绍。 本课题的创新点： l 、以m i c r o c h i p 公司的以太网控制器e n c 2 8 j 6 0 及c i r r u sl o g i c 公司的专用 电能计量芯片c s 5 4 6 0 a 为核心构成嵌入式以太网电能采集模块电路。 2 、采用标准的s p i 串行接口，只需4 条连线就能实现电能采集芯片、以太 网通信芯片与主控单片机的通信，简化了硬件电路设计。 3 、本系统中采用的器件少，且都为低功耗器件，大大降低了系统的功耗， 节省了系统的成本。 6 第2 章硬件设计 第2 章硬件设计 2 1 电能测量原理1 6 l 电能表计量用户端所有负载所消耗的有功功率，其额定电压为2 2 0 v ，额定 频率为5 0 h z ，负载吸收的瞬时功率p 等于电压u 和电流，的乘积 p = u i ( 2 1 ) 设t 时刻在f 弦稳念情况下： u = 4 2 u c o s ( 改, t + 丸) ( 2 2 ) f = 、2 i c o s ( c o t + 痧) ( 2 3 ) 有 p = 、2 u c o s ( c o t + 矽。) x 2 i c o s ( c o t + 痧) = u i c o s ( 一痧) + u l c o s ( 2 0 t + 丸+ 织) 令伊= 丸一痧，伊为电压和电流之间的相位差，有 p = u i c o s o p + u i c o s ( 2 c o t + 九+ 痧) ( 2 4 ) 从上式可以看出：瞬时功率有两个分量，第一个为恒定量，第二个为正弦 量，其频率是电压或电流频率的两倍。由于瞬时功率的意义并不大，且不便于 测量。通常引用平均功率的概念。平均功率又称有功功率，是指瞬时功率在一 个周期t 内的平均值： p = 知p d t = ；r 明 c o s m 。s ( 2 c o t + 丸圳】衍 = u i c o s c p ( 2 5 ) 即用户端负载所消耗的功率。 由式( 2 5 ) 可知，有功功率与相位角够有关，式中的c o s q ，即为电路的功率 因数，把有功功率在时间上进行累加，就能得到电能量的值。 2 2 系统硬件的总体设计 关于单片机的硬件设计，主要任务是选择系统所需的各类元器件、设计系 统的电子线路图及p c b 电路板、安装元器件的调试线路等。它主要包含两部分 工作：一是系统的扩展，即单片机内部功能单元，当其内部自带的r o m 、r a m 、 7 第2 章硬件设计 i o 口、定时器计数器、中断系统等不能满足应用系统的要求时，必须在片外进 行扩展。二是系统的配置，即按照设计要求配置外围设备，如键盘、显示器、 打印机、扫描仪等。所设计的硬件电路应保证其功能满足系统需求，并且充分 考虑与系统软件的协调关系以及将来进行二次开发的可能。 本系统所采用的主要元器件为m i c r o c h i p 公司的以太网控制器e n c 2 8 j 6 0 ， c i r r u sl o g i c 公司的专用电量采集芯片c s 5 4 6 0 a 及a t m e l 公司的高档8 位单片 机a t 8 9 s 5 3 。这个系统的硬件电路包括电源电路、c p u 与各芯片的通信电路、 以太网接口电路以及显示电路。系统的硬件结构图如图2 1 所示： 工 业 以 太 网 一 图2 1 系统硬件结构图 由上图可见，系统比较重要的硬件结构是数据采集模块和以嵌入式t c p i p 为核心的以太网通信模块。下面主要围绕这两方面进行详细介绍。 2 3 工作电源电路口1 单片机系统的供电电源是很重要的部分，为系统内芯片提供所需的稳定电 压和电流，是系统稳定工作的前提。目前国内外新研制的小型化a c d c 电源模 块，普遍采用微电子技术，把小型表面安装集成电路与微型电子元器件组装成 一体，构成高效率a c d c 电源变换模块。选择此类开关电源模块，不仅能大大 简化电源电路设计，缩短新产品研制周期，还能实现最佳性能指标，提高仪表 的可靠性，减小其体积与重量，便于安装和维护。 8 第2 章硬件设计 本系统的工作电源选用单片开关电源芯片w s l 5 7 ，它是一种将脉宽调制器 ( p w m ) 、高压场效应功率开关管( m o s f e t ) 和保护电路集成在一起的三端表面安 装器件，只有三个引出端，能以最简单的方式接入电路中；外围电路简单，2 2 0 v 交流电经整流滤波后，可直接作为w s l 5 7 的输入电压，输出端接高频变压器和 高频整流滤波器构成的输出电路，即可构成2 0 w 以下的小功率开关电源：输入 交流电压范围很宽，并具有过流、过压、输入欠电压、过热等保护功能；采用 l o o k h z 的开关频率，损耗低，电源效率在7 0 以上，且抗噪声干扰能力强。 系统开关电源模块电路如图2 2 所示：接通电源后，2 2 0 v 交流电首先经过 桥式整流和c l 滤波，得到约+ 3 0 0 v 的直流高压，再通过高频变压器t 的一次侧 绕组n 1 ，给w s l 5 7 提供所需工作电压。从二次侧绕组n 2 上输出的脉宽调制功 率信号，经v d 6 、c 3 、l 和c 4 进行高频整流滤波后，获得+ 5 v 1 6 a 的稳压输 出。由v d 5 、r 1 和c 2 构成反向峰值电压的箝位电路，能有效抑制d 端的反向 尖峰电压。该电路还增加了光电耦合器( 4 n 2 5 ) 和可调式精密并联稳压器t l 4 3 1 。 r 3 为限流电阻，r 4 和r 5 为取样电阻。当v o 变化时，取样电压就与t l 4 3 1 内 部2 5 v 基准电压进行比较，使k 端电位发生变化，从而改变4 n 2 5 中发射管的 工作电流及发光强度，再经过光耦去调节w s l 5 7 的控制端电压，这样即可对占 空比进行精细调节，实现稳压目的i 刮例。 r il c 2 吲皂嚣盏丰 i + l o o k n 2 2 p 与。一l 盏旷 l i l j ：m 辜 一 一一 - j h j z恭赫 r j 叼d 7 c l ；n 3 i n 4 1 4 8 。， = 4 7 “ l l j 6 8 0 q 4 v u i 4 n 2 5ir 4f 】 c s 0 1p 2 4 k l h ：5 7 i _ i c 9 c 6 c 41 6 0 ip 2 2 0 0 p d 一 ik 1i i l w s l 5 7 一 1e p lv r e f 。巴f 1 1 s 一 c 8 + l c 7 一 o 1 p 。4 仆午 a p - c = = 卜 r 5 图2 2 系统开关电源模块电路 9 第2 章硬件设计 在得到5 v 直流电压之后，可满足主控单片机和c s 5 4 6 0 a 所需的+ 5 v 模拟 电源和数字电源。通过同步降压转换器m p 2 1 0 4 ，即可输出3 3 v 直流电压供 e n c 2 8 j 6 0 使用【1 0 1 ，如图2 3 所示： 5 v m p 2 1 0 43 3 v 图2 35 v 转换3 3 v 电路图 2 4 电能计量芯片n 在电子式电能表中，使用较多的电能计量芯片有c i r r u sl o g i c 公司的c s 5 4 6 0 系列芯片以及a d i 公司的a d 7 7 5 5 系列芯片等。本系统选用的是具有有功功率 计算引擎的c m o s 单片功率测量芯片c s 5 4 6 0 a ，它有两个增益可编程放大器、 两个调制器和两个高速滤波器，不但能够精确测量和计算有功电能、瞬时 功率、i r m s 和v r m s 等，而且可以使用低成本的分流器或互感器测量电流， 使用分压电阻或电压互感器测量电压，带s p i 接口，振荡器及中断信号管理等， 并具有方便的片上a c d c 系统校准功能。其具体性能如下： ( 1 ) 电能数据线性度：在1 0 0 0 ：1 的动态范围内线性度为o 1 ； ( 2 ) 片内功能：可以测量有功电能、瞬时功率、i r m s 和v r m s 等，具有 电能脉冲转换功能； ( 3 ) 可以从串行e e p r o m 实现智能“自引导”，不需要微控制器，因此 当电表用于大批量住宅测量时，可降低电表成本； ( 4 ) 具有机械计度器步进电机驱动器，带片上a c d c 系统校准功能； ( 5 ) 具有片内看门狗定时器和内部电源监视器； ( 6 ) 功耗低于1 2 毫瓦，片内带2 5 v 参考电压( 最大温漂6 0 p p m 。c ) ： l o 第2 章硬件没计 ( 7 ) 为单电源提供地参考信号，并具有v 对i 的相位补偿功能； ( 8 ) 具有简单的三线数字串行接口，并为分流传感器提供优化接口； ( 9 ) 电源配置：模拟电源v a + = + 5 v ，v a = 0 v ，v d + = + 3 3 v + 5 v 。 2 4 1c s 5 4 6 0 a 的内部功能结构及工作原理 m o d e c s s d i s d o s c l k l n t e d l r e o u t 图2 4c s 5 4 6 0 a 的内部结构图 从c s 5 4 6 0 a 的内部结构图( 图2 4 ) 可以看出，其内部主要组成模块包括： 一个电流通道可编程增益放大器，其增益为l o 和5 0 可选；一个电压通道可编 程固定增益放大器，其增益为1 0 ；两个同时采样的调制器；两个高速数字 滤波器；一个能量计算引擎；一个可持续监视串行口通讯的看门狗；一个 2 5 2 0 m h z 可选的内部时钟发生器；一个双向串行接口以及一个电能脉冲变换 器等。 电流和电压采样信号经片内可编程增益放大器放大之后，通过两个同时采 样的一模数转换调制器转换为数字信号，然后对数据进行低通滤波，以去除 调制器输出的高频噪声，电压通道由一个固定的s i n c 2 滤波器实现，电流通道则 用一个s i n c 4 滤波器实现。两个通道的数据接下来再通过短有限冲击响应( f i r ) 补偿滤波器，以补偿通过低通滤波器后产生的幅值损耗，最后通过高通滤波器 消除信号中的直流成分，得到的瞬时电压、电流值进入高速数字乘法器相乘， 产生瞬时有功功率，经时间累计、平均，得到电能e ，单位时间内的能量就是有 第2 章硬什设计 功功率。经计算后得到的电压和电流有效值、瞬时电压和电流、电能等分别存 入对应的内部寄存器中，等待c p u 读取。其数据流程图如图2 5 所示： 图2 5 数据流程图 2 4 2 采样电路设计n 2 1 3 1 c s 5 4 6 0 a 是c m o s 型的单片集成功率电能芯片，可以使用低成本的分流器 或互感器测量电流，使用分压电阻或互感器测量电压。本系统采用电压互感器 和电流互感器对负载的交流电压和电流实施采样，它们具有线性度好，精度高， 动态范围宽的特点，同时互感器的隔离输入使电网和电子线路完全隔离，提高 了电路抗干扰性能【i 制。c s 5 4 6 0 a 的数据采集及供电电路( 单相) 如图2 6 所示。 信号采集方面，假设所用的电源是f 弦交流信号，对于正弦波，当输入不 过载时，可精确测量的有效值为峰值的o 7 0 7 1 倍。由于实际功率信号不能完全 符合正弦曲线，为防止输入的电压值超过最大量程，在电源线电压和电源线电 流的有效值分别为3 0 0 v 和2 0 a 时，需要将电压有效值和电流有效值寄存器 ( r m s ) 设置为0 6 。由于电压通道的差模输入电压的典型最大值为2 5 0 m v ，因 此输入电平为0 6 2 5 0 = 1 5 0 m v 。由此可以计算互感器的电压增益 k 、，= 1 5 0 m v 3 0 0 v = o 0 0 0 5 ，因而电压互感器t 2 的变比为2 0 0 0 1 。电流互感器增 益k i = 1 5 0 m v 2 0 a = 0 0 0 7 5q ，由于c s 5 4 6 0 a 只能接受小于1 5 0 m v 的电压信号， 因此在电流互感器的二次侧并联一个电阻，把电流信号转变为芯片所需的小电 压信号，根据其增益，我们选择一个7 5q 的电阻，这时电流互感器t 3 的变比为 1 0 0 0 1 。图2 6 中，电压和电流通道中的电阻r 不仅和电容c 组成低通滤波器， 用来消除超过有用信号频率的噪声，还能对信号采集通道起到限流保护的作用。 当电压和电流互感器所产生的相位偏移可以忽略不计时，r 一般选取4 7 0q ，c v 1 2 第2 章硬件设计 和c i 一般选取0 2 2 n f ，c 一般选取1 8 n f 1 5 】。 供电电路方面，采用的是通过变压器t 1 降压的方式为芯片供电，其变比选 择2 2 0 v 1 2 v ，在变压器副边得到1 2 v 的交流电压，经过二极管整流，再通过由 r c 组成的无源滤波电路，起到改善电源波形，减小电源噪声的作用，使得电路 的抗干扰性得到增强。 2 2 0 v nl 图2 6c s 5 4 6 0 a 的数据采集及供电电路( 单相) 2 5c p u 2 5 1a t 8 9 s 5 3 简介u 引 系统选用了a t m e l 公司开发的一种高档型低功耗、低价格、高集成度的8 位微处理器一a t 8 9 s 5 3 ，其硬件部分的核心采用i n t e l8 0 c 5 2 单片机硬件技术， 两者引脚排列相同，指令系统也完全兼容。它采用先进的c m o s 工艺制造，通 过片内集成许多硬件单元，因而有着非常高的性价比，适合当前各种各样的嵌 入式系统设计要求。它的主要特点是： ( 1 ) a t 8 9 s 5 3 工作电源为4 - 6 v ，典型值为5 v ，最高工作频率可达到2 4 m h z ： ( 2 ) 它属于a t 8 9 c 5 2 增强型弹片机，含有2 5 6 字节的片内r a m 和1 2 k b 的片内程序存储器f l a s h ，擦写寿命为1 0 0 0 次； ( 3 ) 它有3 2 线的可编程i o 口和3 个1 6 位可编程定时器t o 、t 1 和t 2 ： ( 4 ) 其中断系统含有9 个中断源、6 个中断矢量和2 个中断优先级； 1 3 第2 章硬件设计 ( 5 ) 带s p i 串行外围接口和可编程串行u a r t 通信接口； ( 6 ) 比一般单片机多一个数据指针，它采用的是双数据指针d p t r 0 和 d p t r l ，含3 级程序锁定位； ( 7 ) 带可编程看门狗定时器； ( 8 ) 低功耗节电方式为空闲模式和掉电模式，具有断电标志p o f ； 此外它与5 1 系列单片机开发系统完全兼容，具有可移植性好、表达方式灵 活、便于结构优化设计以及使用方便等诸多的优点，特别适合小型、低成本、 低功耗仪器的使用。本设计中，a t 8 9 s 5 3 主要负责数据的存储、显示、传送和 以太网的传输控制。 2 5 2a t 8 9 s 5 3 与c s 5 4 6 0 a 的硬件电路 各相电参数经过c s 5 4 6 0 a 采集、计算之后，通过s p i 总线，把数据传送给 a t 8 9 s 5 3 进行存储、显示、传送。s p i ( s e r i a lp e r i p h e r a li n t e r f a c e ) 是由m o t o r o l a 公司提出的一种高速全双工同步串行通信总线，容许c p u 与各种外围接口器件 ( 包括模数转换器、数模转换器、液晶显示驱动器等) 以串行方式进行通信、交 换信息。s p i 系统可直接与各个厂家生产的多种标准外围器件直接接口，它由4 个引脚构成：s p i c l k 、m o s i 、m i s o 及s s ，其中s p i c l k 是整个s p i 总线的 公用时钟，m o s i 是主机输出、从机输入，m i s o 是主机输入、从机输出，s s 是 从机的标志管脚，低电平有效。 s p i 通信有4 种时钟极性和相位的组合，时钟极性表示时钟信号在空闲时是 高电平还是低电平；时钟相位决定是在s c k 的上升沿采样还是在s c k 的下降沿 采样。其组合如表2 7 所示： 表2 7s p i 的时钟相位组合 s p i 是全双工的，发送和接收数据都是高位在先，在数据发送的同时进行数 据接收。按通信时钟的不同提供方式，s p i 通信分主模式和从模式两种。s p i 主 1 4 第2 章硬件设计 从器件连接图如图2 8 所示： 。主机 一一从扭l 、 i i u o ik ；w l l j ul 串行接收缓冲器串行接收缓冲器 s p ir x bs p lr x b m i s om o s i 千 l 耽衍寄存糍il 移付寄存器i i 一虾i 良一ti s p i 莨f m s b千l s bm s blsb 串行发送缓冲器串行发送缓冲器 s p it x b 串行 s p it x b s c k掣s c k 叫s 娶黜尹 v “s 器渤p i 器卜 i s s一一驱 图2 8s p i 主从器件连接图 图中寄存器s p i b u f 映射到存储器单元，是s p i 数据接收发送寄存器。 s p i b u f 寄存器实际上由两个独立的寄存器组成：发送缓冲器s p i t x b 和接收缓 冲器s p i r x b 。这两个单向的1 6 位寄存器共用s p i b u f 的s f r 地址。如果用户 向s p i b u f 地址写入要发送的数据，实际上数据在内部是被写入到s p i t x b 寄存 器。类似地，当用户从s p i b u f 读取已接收数据时，实际上是在内部从s p i r x b 寄存器读取数据。在传输过程中，数据可以看作是在一个模块的移位寄存器的 最高位和另一个模块的移位寄存器的最低位之间直接传输，然后进入相应的发 送或接收缓冲器。配置为主机的模块向从机提供串行时钟和同步信号。一个字 节的数据传输结束后，s p i 时钟发生器关闭，s p i f 标志置位。如果s p i 中断使能 位s p i e 和串口中断使能位e s 置位，产生s p i 中断，主机对数据进行处理。 此系统中a t 8 9 s 5 3 作主机，因此s s 管脚必须外接高电平。三个c s 5 4 6 0 a 作从机，其同步时钟由主机输入，主机的p o o ，p 0 1 ，p o 2 口经过7 4 1 3 8 集成译 码器接三个从机的片选端c s ，译码器的片选端g 2 a 和g 2 b 一起接单片机的p 2 6 口，低电平有效，由软件控制p 0 0 ，p 0 1 ，p 0 2 口输出的电平，进而选择当前与 主机通信的从机。假设单片机要与第一个c s 5 4 6 0 a 通信，可以通过下面的指令 实现：m o vd p t r ，# b f f f h ；m o va ，# 0 f 8 h ；m o v x d p t r ，a ；这样译 码器的三个输入端即为0 0 0 ，也就选中了第一个从机。传输格式是高位( m s b ) 在前，低位( l s b ) 在后。当c s = o 时，选通该从机，当c s = 1 时，其s p i c l k ， 1 5 第2 章硬件设计 m o s i ，m i s o 端输出将保持高阻念，对其他从机的通信无影响。考虑到c s 5 4 6 0 a 和a t 8 9 s 5 3 的工作电压都为为5 v ，所以在利用s p i 总线传送数据时，无需进行 电平转换【1 7 u 8 】。两者的通信电路如图2 9 所示。 图2 9a t 8 9 s 5 3 与c s 5 4 6 0 a 通信电路 2 6 显示电路n 9 】 为了方便工程人员在现场对电能表进行观测，本系统设计了液晶显示模块， 以便实时观察工作状态。近年来，随着液晶显示技术的飞速发展，其体积小、 质量轻、耗电省、显示信息量大、与m c u 接口简单等优点越来越突出，因而被 广泛应用于各种设计当中。 课题采用的液晶芯片是长沙太阳人电子有限公司生产的s m c l 6 0 2 a ，它是 一款比较流行的液晶显示模块，支持5 7 点阵和2 行x1 6 字符两种模式，背光 亮度和显示对比度可凋，可选择的带有背光，驱动电压为4 5 到5 5 v ，无背光驱 动电流为2 m a ，具有性能优良、价格便宜等优点。它由液晶显示器和驱动器两 部分组成，单片机通过写控制字方式访问驱动器来实现对显示屏的控制。其内 含的控制器h d 4 4 7 8 0 是日本日立公司研制的集驱动器与控制器于一体，专用于 字符显示的液显控制驱动电路的控制器。h d 4 4 7 8 0 的特点如下： ( 1 ) h d 4 4 7 8 0 不仅作为控制器而且还具有驱动4 0 * 1 6 点阵液晶像素的能力， 并且可通过外接驱动器扩展3 6 0 列驱动； 1 6 第2 章硬件设计 ( 2 ) h d 4 4 7 8 0 的显示缓冲区及用户自定义的字符发生器c g r a m 全部内藏 在芯片内； ( 3 ) h d 4 4 7 8 0 接口数据传输可为8 位数据传输和4 位数据传输两种方式； ( 4 ) h d 4 4 7 8 0 具有简单而功能较强的指令集，可实现字符移动、闪烁等显 示功能。 课题里使用的l c d 模块与单片机接口十分简单，具体硬件电路图如图2 1 0 所示： p 3 4 f r op 。 p 3 - g h x , ；i1 0 p 3 5 t i 陋 p 0 o p 0 1 乏p 0 2 。 旧i t a i 、p 0 3 v j 。 c n p 0 4 p 0 5 p o 6 p o 7 5 v 1 0 k q 5 v 广1 瓦r f v s s v d d v l r s r w 已乃 e 暮 d on _ d 1岔 c d 2n d 3 n d 4 d 5 d 6 d 7 b l a b l k 图2 1 0a t 8 9 s 5 3 驱动液晶显示电路 使用d b 0 d b 7 传送数据，接单片机的p o 口，数据命令选择端r s 接 a t 8 9 s 5 3 的p 3 4 t 0 脚；读写选择端刚w 接a t 8 9 s 5 3 的p 3 0 r x d 脚；使能信 号e 接a t 8 9 s 5 3 的p 3 5 t 1 脚，v l 为液晶显示偏压信号，接一个1 0 千欧的可 变电阻，b l a 和b l k 为液晶背光源的正负级，为了起到限流保护的作用，而不 至于烧坏b l a 管脚，此处串联一个1 0 千欧的限流电阻。 2 7 以太网通信模块设计 2 7 1e n c 2 8 j 6 0 简介2 0 1 目前市场上以r t l 8 0 1 9 a s 为典型代表的大部分以太网控制器采用的封装均 1 7 。一23456789一mn一他一b一一幅一怕 第2 章硬件设计 超过8 0 引脚，这样的芯片既复杂、又占空间，且比较昂贵，在电路设计时占据 大量的系统端1 ：3 资源。由m i c r o c h i pt e c h n o l o g y ( 美国微芯科技公司) 推出的2 8 引 脚独立以太网控制器e n c 2 8 j 6 0 ，完全符合i e e e 8 0 2 3 协议，可以大大简化相关 设计，并减小占板空问。此外，e n c 2 8 j 6 0 以太网控制器采用标准的s p i 串行接 口，只需4 条连线即可与m c u 连接，是目前市面上最小的嵌入式以太网解决方 案。其主要功能包括： ( 1 )