（通信与信息系统专业论文）基于labview的社区远程抄表系统研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 自动抄表技术作为计量自动化的基础，已成为当前普遍关注的热点。基于 l a b v i e w 的社区远程抄表系统把计算机强大的计算处理能力和仪器硬件的测量 控制能力结合在一起，并通过灵活、方便的网络编程实现远程抄表。本课题在研 究现有抄表方式基础上，采用符合国际标准的电能计量芯片采集电能，设计出全 电子式远程抄表系统。该系统能够可靠、详细地计算和存储用电信息，通过4 8 5 接口实现与用户端计算机l a b v i e w 程序的数据通信，并直观地显示用电状况的； 管理中心端l a b v i e w 平台能够实现数据库的存取和维护，并利用社区方便的网 络资源与用户通信，完成远程抄表及用电管理工作。 关键词：电能表，l a b v i e w ，自动抄表 a b s t r a c t a u t om e t e rr e a d i n gi st h eb a s eo ft h em e a s u r i n ga u t o m a t i z a t i o n ，a n di th a sb e e n p a y e dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n s r e m o t em e t e rr e a d i n gs y s t e mf o rc o m m u t i yb a s e do n l a b v i e wc o m b i n e st h ep o w e r f u lc a l c u l a t i n ga n dd e a l i n ga b u i t yo fc o m p u t e r sw i t ht h e m e a s u r i n ga n dc o n t r o l l i n ga b i l i t yo fi n s t r u m e n t s , f u l l f m gr e m o t em e t e rr e a d i n gt h r o u g h f l e x i b l ea n dc o n v e n i e n tn e t w o r k - p r o g r a m m i n g p o w e r - m e a s u r i n gc h i pt h a tm e a s u r e du p i n t e r n a t i o n a ls t a n d a r di su s e dt od e s i g nf o rf u l l - e l e c t r o n i cr e m o t em e t e rr e a d m gs y s t e mi n t h et h e s i s t h es y s t e m 啪r e l i a b l yc a l c u l a t ea n ds a v ep o w e r - i n f o r m a t i o ni nd e t a i l a n d c o m m u n i c a t ew i t hl a b v i e wp r o g r a m m e0 1 1c l i e n tc o m p u t e rt h r o u g hr s - 4 8 5p o n a n d i tc a n a l s op r e s e n ti n t u i f i o n i s f i cp o w e r - u s e di n f o r m a t i o n l a b v i e wp r o g r a m m eo n s e r v e rf u l l f i l l sd a t a b a s ed a t aa c c e s s i n g , s a v e i n ga n dm a i n t e n a n c i n g m e a n w h i l e ，i t c o m m u n i c a t e sw i t hc l i e n tt h r o u g hc o n v e n i e n tn e t w o r kr e s o u r c et oa c c o m p l i s hr e m o t e a u t om e t e rr e a d i n ga n dm a n a g e m e n to ft h ep o w e r s y s t e m x i ab i n gs e n ( i n f o r m a t i o ne n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f z h a ol i a nq i n g k e yw o r d s ：e l e c t r o n i cw a t t - h o u rm e t e r , l a b v i e w , a u t om e t e rr e a d i n g 华北电力大学硕士学位论文 摘要 自动抄表技术作为计量自动化的基础，已成为当前普遍关注的热点。基于 l a b v i e w 的社区远程抄表系统把计算机强大的计算处理能力和仪器硬件的测量 控制能力结合在一起，并通过灵活、方便的网络编程实现远程抄表。本课题在研 究现有抄表方式基础上，采用符合国际标准的电能计量芯片采集电能，设计出全 电子式远程抄表系统。该系统能够可靠、详细地计算和存储用电信息，通过4 8 5 接口实现与用户端计算机l a b v i e w 程序的数据通信，并直观地显示用电状况的； 管理中心端l a b v i e w 平台能够实现数据库的存取和维护，并利用社区方便的网 络资源与用户通信，完成远程抄表及用电管理工作。 关键词：电能表，l a b v i e w ，自动抄表 a b s t r a c t a u t om e t e rr e a d i n gi st h eb a s eo ft h em e a s u r i n ga u t o m a t i z a t i o n ，a n di th a sb e e n p a y e dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n s r e m o t em e t e rr e a d i n gs y s t e mf o rc o m m u t i yb a s e do n l a b v i e wc o m b i n e st h ep o w e r f u lc a l c u l a t i n ga n dd e a l i n ga b u i t yo fc o m p u t e r sw i t ht h e m e a s u r i n ga n dc o n t r o l l i n ga b i l i t yo fi n s t r u m e n t s , f u l l f m gr e m o t em e t e rr e a d i n gt h r o u g h f l e x i b l ea n dc o n v e n i e n tn e t w o r k - p r o g r a m m i n g p o w e r - m e a s u r i n gc h i pt h a tm e a s u r e du p i n t e r n a t i o n a ls t a n d a r di su s e dt od e s i g nf o rf u l l - e l e c t r o n i cr e m o t em e t e rr e a d m gs y s t e mi n t h et h e s i s t h es y s t e m 啪r e l i a b l yc a l c u l a t ea n ds a v ep o w e r - i n f o r m a t i o ni nd e t a i l a n d c o m m u n i c a t ew i t hl a b v i e wp r o g r a m m e0 1 1c l i e n tc o m p u t e rt h r o u g hr s - 4 8 5p o n a n d i tc a n a l s op r e s e n ti n t u i f i o n i s f i cp o w e r - u s e di n f o r m a t i o n l a b v i e wp r o g r a m m eo n s e r v e rf u l l f i l l sd a t a b a s ed a t aa c c e s s i n g , s a v e i n ga n dm a i n t e n a n c i n g m e a n w h i l e ，i t c o m m u n i c a t e sw i t hc l i e n tt h r o u g hc o n v e n i e n tn e t w o r kr e s o u r c et oa c c o m p l i s hr e m o t e a u t om e t e rr e a d i n ga n dm a n a g e m e n to ft h ep o w e r s y s t e m x i ab i n gs e n ( i n f o r m a t i o ne n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f z h a ol i a nq i n g k e yw o r d s ：e l e c t r o n i cw a t t - h o u rm e t e r , l a b v i e w , a u t om e t e rr e a d i n g 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于i a b w 的社区远程抄表系统研 究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学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 确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：真出丕孤 日 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 导师签名： 日 缸蚴 酗雌 者 ， 钙 日 华北电力大学硕士学位论文 1 1研究背景 第一章引言弟一早j i函 电能是使用最为广泛的一种能源，涉及国民经济所有领域和人民生活的方方面 面。随着我国经济的高速发展，提高供电质量，提高供电的可靠性，实施高效准确 的抄表系统已是当务之急。然而过去我国普遍将电表安装在用户室内，尤其是北方 地区防冻的需要更是这样，电度表现在部分改为一户一表安装在楼道内。这样每月 电表入户抄表收费给用户和抄表人员带来很多麻烦，造成很多不必要纠纷。为了有 效解决入户抄表收费存在的诸多弊端，提高效率，南方部分地区虽将电表装于户外， 但这都是传统的单表计量，无法实现智能抄表和联网远程抄表。随着人民生活水平 的提高，对家庭自动化、楼宇自动化的要求越来越强，体现为在高层、豪华居住小 区，传统抄表方式己经不能适应今后住宅的发展要求，实现智能远程抄表呼声越来 越高。 随着电子计算机、网络信息技术和微电子技术的飞速发展给世界的各个领域带 来了无限的发展空间，建筑领域也不例外，先是智能大厦后是智能小区的出现，各 种智能化示范小区实现了家庭宽带上网、家庭大户室网上炒股，小区网上物业管理、 保安防盗联网报警，网上购物等功能，但计量技术和抄表方式还处于低水平状况。 随着电信等运营商业务的发展，光纤到户是未来的发展趋势。因此，在这些地区完 全可以通过利用现有的网络实现智能远程全自动抄表业务。 从整体的电量供应来看，其实电力紧张只出现在用电高峰时段，用电低谷期发 电能力富裕的电量却往往因得不到有效利用而被白白消耗掉，造成巨大的能源浪费。 为此，电力部门提出在用电高峰期和低谷期实行电价差，目的就是鼓励电力用户在 高峰时少用电，低谷时多用电提高供电效率、优化用电方式，从而在完成同样用电 功能的情况下减少电量消耗和电力需求。为此现在很多生产部门都实行错开用电高 峰时间进行生产的措施以节省电费。而作为城镇居民来说是一大用电群体，也应该 实行这项措施。为此，为了让居民用户自觉地协调自身的用电情况，就需要能及时 反映用电情况和用电价格的电表。 虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t s ) 是基于计算机的仪器。计算机和仪器的密切结合 是目前仪器发展的个重要方向。粗略地说这种结合有两种方式，一种是将计算机 装入仪器，其典型的例子就是所谓智能化的仪器。随着计算机功能的日益强大以及 其体积的日趋缩小，这类仪器功能也越来越强大，目前已经出现含嵌入式系统的仪 器。另一种方式是将仪器装入计算机。虚拟仪器主要是以通用的计算机硬件及操作 华北电力大学硕士学位论文 系统为依托，实现各种仪器功能。l a b v i e w 用图形化语言设计器件，并以其价格低 廉和开发周期短等优点比传统仪器更具有优势。 1 2国内外研究动态 近年来，世界各国的虚拟仪器公司开发了不少虚拟仪器开发平台，以便使用者 利用这些仪器公司提供的开发平台组建自己的虚拟仪器或测试系统，并编制测试软 件。最早和最具影响的开发软件，是n l 公司的l a b v i e w 软件和l a b w i n d o w s c v i 开发软件。l a b v i e w 采用图形化编程方案，是非常实用的开发软件。l a bw i n d o w s c v l 是为熟悉c 语言的开发人员准备的、在w i n d o w s 环境下的标准a n s i c 开发环境。2 0 0 2 市场调查数据显示，在美国的测试、测量市场，l a b v i e w 就占4 2 9 的份额，可见， n i 公司在此领域占绝对优势。2 0 0 5 年统计显示，n i 的产品在全球有很大的市场，其 中不乏国际知名的大公司，像n o k i a 、s i e m e n s 、t e k t r o n i x 等等。在世界财富5 0 0 强 中的制造业厂商，也有过半都是n i 的客户。美国h p 公司的h i ) v e e 和h p t i g 平 台软件，美国t e k t r o n i x 公司的e z 1 e s t 和t e k t n s 软件，以及美国h e md a t a 公司的 s n a p m a s t e r 平台软件，也是国际上公认的优秀虚拟仪器开发平台软件。这些厂家的 产品在国际市场上都具有较强的竞争力，目前已开始进入中国市场，但价格昂贵， 因此还没有广泛地被中国用户所接受。 国内虚拟仪器起步于九十年代中期，至今已有多家科研院所、高校及公司从事 虚拟仪器技术的研究与产品的开发。目前，大部分厂家生产的虚拟仪器基本以计算 机加数模转换及软件应用来实现传统仪器中的示波器、频谱分析仪、频率计、波形 发生器、波形记录仪等，但也有些开发比较早的厂家将虚拟仪器批量应用于其它行 业。据专家预测，到2 0 1 0 年我国将有5 0 的仪器为虚拟仪器，目前国内有十几家企 业在研制p c 虚拟仪器，上百种系列实用产品已面市，并开始在航空、航天、通信、 医疗、电力、石油勘探、铁路等行业普及应用。虚拟仪器的国内外发展呈现两条主 线：一是g p i b v = ( i p x i 总线方式( 适合大型高精度集成系统) ，二是p c 插卡式一 l p t 并行口式一串口u s b 方式一i e e e 标准的1 3 9 4 口方式( 适合于普及型的廉价系 统，有广阔的应用发展前景) 。 目前，在美国、加拿大、日本和西欧等些发达国家和地区，远程自动抄表系 统已经得到了广泛的应用。美国于1 9 8 6 年就建立了自动抄表技术协会( a m r a ) ，每 一年半左右开一次国际性年会，每次年会前都有专题报告。近年来又成立了欧洲自 动抄表技术协会( e u r o a m r a ) 和英国自动抄表协会( u k a m r a ) 。在1 9 9 8 年度，美国 共有7 9 1 项a m r 应用项目，其中约有5 5 0 万台电表实现了自动抄表。此外，欧盟各 国、拉美和日本都有自动抄表实验的报告1 1 】。 目前我国国内所采用的抄表方式大致可以分为三种。一是传统的人工抄表方式， 2 华北电力大学硕士学位论文 抄表人需到用户处读取数据，返回总局后将数据重新输入电脑进行处理。二是预付 费方式，抄表人无需到用户处，用户通过银行划拨收费或到仪表管理部门购买磁卡、 l c 卡等，按购买额提供用量，完成收费工作。三是远程抄表方式，监控中心通过远 程通信系统( 例如公用电话网、电力线载波、数据网等) 自动获取远程仪表数据的 方式。当前在我国国内大量使用的仍然是传统的人工抄表方式，部分地区己经开始 了远程抄表的试点【2 1 ，大部分采取如图1 - 1 所示的四层抄表结构： 产 ， 陌习 i 一 圈 圈 回圈回回圈 图1 - 1 自动抄表的四级体系结构 本文提出基于l a b v i e w 的智能化社区远程电力抄表系统，它是充分利用社区网 络的资源，在实现自动抄表的同时，还可以与用电管理中心通信，提醒用户避开峰 值实行低谷用电。 1 3 课题研究内容 图1 2 总体设计框图 3 孕当 华北电力大学硕士学位论文 本课题总体框图如图1 2 所示，论文也根据框图各部分功能分成五章： 第一章：在分析国内外抄表技术发展状况和l a b v i e w 的发展趋势的基础上，利 用剧增的网络资源，提出了基于图形化编程语言l a b v i e w 的社区远程抄表系统，并 对文章结构和研究内容做了介绍。 第二章：采用a d e 7 7 5 5 电能采集芯片设计电能采集表，将采集的电能信号通过 频率输出端c f 经过光电耦合后送到单片机系统。单片机系统采用a t 8 9 s 5 1 设计出 低功耗、低成本的硬件系统，主要包括电源电路、数据存储电路、液晶显示电路、 系统时钟电路和通信接口电路的芯片选择和电路设计。 第三章：根据选择的芯片参照芯片资料对单片机硬件系统进行软件设计，包括 电能计量程序、数据存储程序、实时时钟程序和液晶程序，然后单片机将电能等数 据信息通过m a x 4 8 5 输送出，经过屏蔽双绞线送到用户端，数据通信协议设计采用 多功能电能表通信规约的要求。 第四章：设计l a b v i e w 的处理模块，包括l a b v i e w 用户端和管理中心这两个 部分，分别是：用户端的数据传输、功能界面模块设计和管理中心数据存储处理、 通信模块。用户端的数据传输、功能界面模块主要功能是完成对本地数据的采集并 进行存储和处理的功能。除此之外，还要实现与远端管理中心的网络通信，获得该 用户的数据信息，包括用电时间和用电总量等。在这基础上实现应用界面的设计， 它只能读取串口数据而不做修改，并根据本地存储的电能数据和由管理中心传送来 的峰谷平时段电价信息进行计算和比较分析，得出出用户用电总量和用电时间的数 据，画出图形，并根据管理中心传来的近期电价信息，给出最佳的用电时间的建议 方案，提醒用户避开高峰实行低谷用电。服务端模块主要功能是实现数据的接收和 存储，并对数据进行统计和处理。 第五章t 总结全文的主要研究内容，分析存在的问题和不足。 4 华北电力大学硕士学位论文 第二章电能采集表系统硬件设计 2 1电熊采集原理【3 】 电能采集计量部分由a d e 7 7 5 5 及其外围电路组成，a d e 7 7 5 5 的逻辑框图如下图 2 1 所示： 脯聃b 咖 粕锄c l 瑚i m i t o t t t 辩s o8 1 眶弹伊开忍 图2 - 1a d e 7 7 5 5 逻辑框图 a d e 7 7 5 5 是一种高精度的电能计量i c ，采用a d e 7 7 5 5 设计电子式电能表是一 种电能测量的低成本单片解决方案。该器件的特性超过i e c l 0 3 6 标准所规定的精度 要求。在a d e 7 7 5 5 中只在d 转换器和基准电路中使用了模拟电路。所有其它的信 号处理( 如乘法和滤波) 都是采用数字电路。这种方法可以在各种极端的环境条件 和所有时间内提供优良的稳定性和精确度。 、 a d e 7 7 5 5 在低频率输出端f 1 和f 2 提供平均有功功率信息。f 1 和f 2 这两个低 频逻辑输出引脚可以用于直接驱动一个机电式计数器或接口到m c u 。逻辑输出端c f 给出即时的有功功率信息。这个输出端常用于校准，或接口到m c u 。 a d e 7 7 5 5 片内对a v d d 电源引脚有一个电源监控电路。a v d d 上的电源电压达到 正常触发电平4 v ( 允许5 的误差) 以前a d e 7 7 5 5 将保持复位条件，f 1 、f 2 和 c f 将无脉冲发出。这对于确保上电和掉电时芯片的正确启动和正常工作是非常有用 的。电源监控电路被安排在延时和滤波环节中，这在最大程度上防止了电源噪声引 起的误差。 a d e 7 7 5 5 包括一个空载阈值和启动电流特性，它具有防潜动功能。a d e 7 7 5 5 设 定了一个最小输出频率，当负载产生的频率低于这个最小频率时，f 1 、f 2 和c f 将 华北电力大学硕士学位论文 没有脉冲输出，保证在无负载时没有潜动。 a d e 7 7 5 5 有2 4 引脚的d i p 和s s o p 封装。 特点： 高精度，支持5 0 6 0 h z 国际电工委员会( i e c ) 5 2 1 1 0 3 6 标准。在动态范围5 0 0 至1 内误差小于1 ； a d e 7 7 5 5 在频率输出端f 1 和f 2 提供“平均有功功率； 高频输出端c f 用于校准，它提供“即时有功功率 ； 逻辑输出端r e v p 可用来指示一个可能的断线( m i s w i r i n g ) 或负功率直接驱 动机电计数器和两相步进电机( f 1 和f 2 ) ； 在电流通道中的可编程增益放大器p g a 使仪表能使用小阻值的分流电阻： 专有的a d c 和d s p 在各种不同的环境条件和所有时间内提供高精度输出； 片内电源监控，片内带有防潜动功能( 空载阈值) ； 具有外部过驱动能力的片内2 5 v 8 基准( 典型为3 0 p p m c ) ； 单5 v 电源，低功耗( 典型1 5 m w ) ； 低价格c m o s 工艺。 2 1 1a d e 7 7 5 5 工作原理 两个a d c 将电流和电压传感器送来的信号数字化。这两个a d c 都是1 6 位二阶 一转换器，具有9 0 0 k h z 的过采样率。这种模拟输入结构大大地简化了传感器接 口，这是由于提供了宽动态范围的直接对传感器的连接，同时也简化了反混叠滤波 器的设计。在电流通道中一个可编程的增益级迸一步方便了传感器的接口。电流通 道中的高通滤波器从电流信号中消除直流成分。这就可以消除由于电压或电流信号 中的偏移造成的在有功功率计算中的任何不精确因素。 c h 能 v x i v x i 2 瞬时功攀翁蟹一p 瞬时有功功率翁号 u ( t ) x q t 。v x c o - ( w t ) ；l x c o t d l ， 一警 1 瞄t 2 - t 器 朝 f 2 器 c f 图2 2a d e 7 7 5 5 信号处理方框图 6 华北电力大学硕士学位论文 有功功率计算是从即时功率信号中推导出来的，即时功率信号是由电流和电压 信号直接相乘得到的。为了提取有功功率分量，将即时功率信号经过低通滤波器。 图2 2 说明即时有功功率信号并说明如何将即时功率信号通过低通滤波器以提取有 功功率信息。这种方案可以在各种功率因数时对非正弦波电压和电流都能正确地分 析计算有功功率。所有的信号处理都发生在数字领域，因此具有优良的时间和温度 稳定性。 a d e 7 7 5 5 的低频率信号输出是通过累加这个有功功率信息产生的。这个低频率 信号本来就意味着在输出脉冲间长时间的累加。所以这个输出频率正比于平均有功 功率。这个平均有功功率信息可以依次被累加( 例如，通过一个计数器) 以产生相 应的能量信息。c f 输出端正比于即时有功功率，这是因为它是高频率输出和较短的 积分时间。这个输出端对常用于在稳定负载条件下对系统进行校准。在本课题中将 c f 输出端的信号引入m c u 中进行计量以取得较高的精度。 2 1 2 功率因数的考虑 即使当电压和电流信号不同相，从即时功率信号中提取有功功率信息的方法 ( 即，通过低通滤波) 仍然是有效的。图2 3 显示了功率因数( p f ) 为1 和功率因 数为0 5 ( 即电流信号落后于电压6 0 。) 的两种情况。如果我们假定电压和电流都是 正弦波，则即时功率信号中的有功功率成分( 即直流分量) 为矿x i x c o s ( 6 0 。) 2 这是 正确的有功功率计算。 穴一一 ，塞藿一 疹时彭忿a y 慨冷必漉议一 图2 - 3 瞬时功率信号的直流分量表示有功功率信息 当a d e 7 7 5 5 通道1 的高通滤波器接通时，电流通道的失调误差被消除，因此功 率计算结果不受失调误差的影响。内部的相位匹配电路用来保证无论通道1 的高通 7 华北电力大学硕士学位论文 滤波器( h p f ) 是否接通，在4 0 h z , - - - - - l k h z 频率范围内，电压和电流通道都是匹配的。 2 1 3非正弦波电压和电流 在实际应用中的所有电压和电流波形都有一些谐波成分。对非正弦波电流和电 压波形，上面的有功功率计算方法仍然正确。瞬时电压和电流通过傅立叶转换表示 成谐波成分： ， + 压磊圪s i n ( h 甜+ 口 ) ( 2 1 ) 式中v ( t ) 是瞬时电压，是电压平均值，蚝是h 次电压谐波有效值，是h 次电压 谐波的相位角。 i ( t ) ai o + 2 罗厶s i n ( h 耐+ 尾) ( 2 - 2 ) 君历 式中f ( t ) 是即时电流，而是直流分量，厶是h 次电流谐波有效值，夕h 是谐波电流的相 位角用。利用上述两个式子，有功功率p 可以表达成基波有功功率( ) 和谐波有 功功率( p h ) 两项，即p _ p l + p h ，其中： p i = n x h c o s ( t 1 - - 夕1 ) ( 2 - 3 ) 晶一罗虼厶s 日一如) ( 2 - 4 ) 钰 从上式中可以看出，谐波有功功率成分是由每个谐波提供的，这种谐波应当是既有 电压波形又有电流波形。前面说明在纯正弦波情况下功率因数计算是精确的，而谐 波是由一系列正弦波组成的，因此谐波有功功率也可以正确计算功率因数。 2 1 4 转换函数 a d e 7 7 5 5 计算两个电压信号( 通道1 和通道2 上的) 乘积，然后低通滤波这个 乘积以提取有功功率信息，通道1 和2 以及各个引脚的标号如图2 1 所示。这个有功 功率信息再转换成频率，以低频有效的脉冲信号由f 1 和f 2 引脚输出。这个脉冲频 率是相当低的，例如在s 0 = s i = 0 时交流信号( a c ) 的最大频率为0 3 4 h z 。这意味着 这些输出端的频率是由有功功率信息在一个相对长的周期时间内积累而产生的。结 果是一个正比与平均有功功率的输出频率。有功功率信号的平均值隐含于数字_ 频 率转换中。f 1 和f 2 输出频率( 或脉冲率) 与输入电压信号的关系由下面的等式表示： f r e qt ( 8 。0 6 x v l x v 2 x g a i n e 一4 ) 嚅 ( 2 6 ) 华北电力大学硕士学位论文 式中：f r e q = l 和f 2 的输出频率( h z ) v i = 通道1 上的差分有效电压信号( v ) v 2 - 通道2 上的差分有效电压信号( v ) g a i n = l 、2 、8 或1 6 ，取决于由逻辑输入g o 和g 1 选择的可编程增益放大器 ( p g a ) 的增益 v r e f = 基准电压( 2 5 v + 8 ) ( v ) f 1 4 = 由逻辑输入s o 和s 1 选择的4 个可能的频率中的个。 脉冲输出c f ( c a l i b r a t i o nf r e q u e n c y ) 是用于校准的。c f 上的输出脉冲率可以高于 f 1 和f 2 上的脉冲率2 0 4 8 倍。只- 4 的频率选得越低则c f 的标度越高( 高频率方式 s c f = 0 ，$ 1 = s 0 = 1 除外) 。这两种频率之间的关系，决定于逻辑输入s 0 ，s 1 和s c f 的状态。因为c f 的相对高的脉冲率，这个逻辑输出端的频率正比与即时有功功率。 而f l 和f 2 的频率则是在相乘以后由低通滤波器的输出导出的。然而c f 的输出频率 较高，这个有功功率信息只在一个很短的时间内积累，因而在数字一频率转换中只 发生很少的平均。由于有功功率信号很少的平均，所以c f 输出受功率波动起伏的影 响很大。可以将频率较低的f l 、f 2 的频率用于驱动由步进电机控制的机械式计数器， 而将高频率，用于校准的c f 输出经光耦隔离、滤波后送至m c u 作为计量脉冲。 为使计量准确，不受外界的干扰，电能采集计量部分与其他电路分别供电，地 线也严格分开计量信号以光耦进行传递，不仅如此，计量部分与其他电路在物理上 也是分开的，再加上其他的措施保证了电表的计量准确度在1 以内。根据国家对5 a 家用电表的精度测量方法实际测量，大电流时( 2 0 a ) 误差为0 3 ，小电流时( 0 2 5 a ) 为0 5 。 2 1 5 功率测量的考虑 逻辑输出端c f 给出即时的有功功率信息。这个输出端常用于校准，或接口到 m c u 。计算和显示的功率信息总是有某些起伏，这主要取决于m c u 测平均功率用 的积分周期，也与负载有关。例如，在轻负载时输出频率为1 0 h z ，在2 秒钟的积分 周期内大约只有2 0 个脉冲被计数。由于输出频率与m c u 定时器是非同步运行的， 因而丢失一个脉冲的可能性总是存在的。结果是在功率测量中导致二十分之一即5 的误差。这就需要在采集频率信号时综合考虑以获得高精度的值。 2 2电畿采集电路设计 2 2 1电能采集表设计值的计算 本电能表是为单相、两线制设计系统设计的，采用a d e 7 7 5 5 设计电子式电能表 是一种电能测量的低成本单芯片解决方案。综合考虑电能采集芯片各个特性，本次 9 华北电力大学硕士学位论文 设计的电表参数为【4 】【5 】： 线路电压= 2 2 0 v ( 标称值) 最大电流m a x = 4 0 a ，基本电流i b = 5 a 计度器= 1 0 0 i m p k w h ( 脉冲数千瓦时) 分流器阻值= 3 5 0 | l q 1 0 0 i m p h = 1 0 0 3 6 0 0 s = 0 0 2 7 7 7 8 h z ，可以直接驱动机电式计度器 在b = s a 条件下校验电表 在厶条件下功耗= 2 2 0 v x 5 a = 1 1 k w 在矗条件下f 1 和f 2 的频率= 1 1x0 0 2 7 7 7 7 h z = 0 0 3 0 5 5 5 5 h z 在厶条件下分流器( v 1 ) 两端电压= 5 a x 3 5 0 pq = 1 7 5 m w c f 频率仪表常数根据逻辑输入s c f = 0 确定为3 2 0 0i m p k w h ，这种高频输出可 应用l e d 和光电耦合器输出，用于校验或者通信 3 2 0 0 i m p h = 3 2x1 0 0 i m p h = 0 8 8 8 8 8 9 h z ，每3 2 个脉冲用电量增加0 0 1 k w h c l k i n 和c l k o u t 之间接3 5 7 9 m h z 的晶振( 此时模拟输入带宽为1 4 k h z ) g 0 = g i = i ，s i = 0 ，s 0 = 1 ，f 1 4 - 3 4 h z 根据前面公式计算，f r e q 为： 0 0 3 0 5 5 h z = ( 8 0 6x 1 7 5 m vxv 2x1 6x 3 4 h z ) 2 5 2 得出：i , 2 = 2 4 8 ，9 m v ( 2 7 ) 2 2 2 电源电路 本设计采用电容器分压网络( 即c 1 7 和c 1 8 ) 构成简单的低成本电源。基本电 源电路如图2 - 4 所示，大部分电源电压由电容c 1 7 承载，它是一种5 6 0 n f 耐压2 5 0 v 的金属聚酯薄膜电容器。c 1 7 的数值取决于电源的额定功率。但c 1 7 的大小必须符 合i e c l 0 3 9 标准功耗指标的要求，即在标称条件下，每相电压的总功耗是2 w ，视在 功率1 0 v a 。电表的总功耗应包括分流器和电源功耗在内。 图2 4 基本电源电路设计 1 0 华北电力大学硕士学位论文 2 2 3电流通道分流器的选择 为了给a d e 7 7 5 5 的电流通道提取适当大小的输入信号，本设计采用了分流器。 分流器选择为3 5 0 uq ，使电流通道的动态范围最大。在选择分流器时，要重要考虑 一下因素：第一，要使分流器的功耗最小，由于本设计最大额定电流为4 0 a ，所以 分流器最大功耗为( 4 0 a ) z 3 5 0 | iq = 5 6 0 m w ，而i e c l 0 3 6 标准要求最大功耗为2 w ( 包括电源功耗) ；第二，如果功耗太高会给芯片散热带来困难；第三，应该考虑电 表对相间短路造成损害具有防护能力。因此，分流器总是应该做得尽量小，但这样 抵消电流通道的信号范围。但如果分流器做得太小，在轻负载情况下又不能符合 i e c l 0 3 6 标准精度的要求。因此本次设计综合考虑分流器选择为3 5 0l aq 。 2 2 4电压通道衰减网络和电能采集的校验 在给a d e 7 7 5 5 的电压通道设计电路时，根据上面电表计算的设计值，通过将输 入电压衰减到2 4 8 9 m v 的方法能对电能采集进行简单检验。电压输入通道的线电压 的衰减是通过图2 5 的简单电阻分压器实现的。为了准许分流器的容差和片内基准源 8 的误差【4 1 ，该衰减网络应该至少有- 1 - 3 0 的数值调整范围。此外，这种衰减网络 布局的特点是，即使当衰减程度改变时，通道1 和通道2 之间仍能保持相位匹配。 。n ，* 一：z ， ，r ，v ， j ，二。：，；，7 您lb强；l s 图2 - 5 衰减网络 从图中可以看出，这个衰减网络的一3 d b 频率是由r 4 和c 4 组成的抗混叠滤波 器确定的。该抗混叠滤波器是一种低通滤波器，它放置在a d c 的模拟输入之前。由 于a d e 7 r 5 5 的2 个a d c 有很高的采样频率( 9 0 0 k h z ) ，而电表的有用频带为0 - - - - - 2 k h z ， 在采样频率9 0 0 k h z 附近的频率经过采样后产生的镜像频率会落入电表的有用频带 内，叠加与有用信号上产生失真。采用这种低通滤波器就能衰减掉那些无用的高频 华北电力大学硕士学位论文 ( 9 0 0 k h z 附近) 分量，从而可防止有用频带内的信号失真。 图中所示的是跳线j 1 - j 1 0 都接通的情况，实际中根据需要逐个接上或断开各个 跳线。即使全部跳线都接通，r 1 5 ( 3 3 0 k q ) 和r 1 6 ( 3 3 0 k q ) 的电阻值仍远大于 r 4 ( 1 k q ) 。因此改变r 5 - r 1 4 电阻链将对电阻网络的- - 3 d b 频率几乎没有影响。图 中的衰减网络不仅实现对线电压进行衰减，还可以1 0 位分辨率在1 7 5 m v 3 3 3 m v 范围内进行调整。在厶为5 a ，电流输入通道的分流器为3 5 0 uq 条件下，通过使用 二进制的权电阻链r 5 - r 1 4 实现输入通道2 的输入电压，使输出频率符合电表常数 值。这样可以采用逐次逼近方法对电表进行精确校验。从跳线j 1 开始按照顺序，例 如j 1 ，j 2 ，j 3 等，依次接通各个跳线，直到合适为止。如果校验c f 频率，当某一个 跳线接通后，超过3 2 x1 0 0 i m p h ( 0 9 7 7 h z ) 时，应该把这个跳线断开。可以试验所 有跳线，但最后试跳线j 1 0 。由于滑动变阻器器对时间和环境条件的稳定性不可靠， 所以采用跳线0 q 的固定电阻器网络实现。由于a d e 7 7 5 5 的传递函数在p f = i ，单点 校验( i b ) 情况下线性非常好，这对于电表校验是非常重要的。 2 2 5a d e 7 7 5 5 与单片机系统接口 将a d e 7 7 5 5 与一个微控制器接口的最简单如下图2 6 ，该方法是用c f 高频输出 端1 3 j ，并将输出频率定标为2 0 4 8 x f l ，f 2 与微处理器直接相连。这可以通过设置 s c f = 0 和s 0 = s i = i 来得到。在模拟输入端输入满刻度交流信号时，c f 上的输出频率 近似为5 5 k h z 。频率输出端c f 以较高频率输出时，高频输出方式时c f 的脉冲宽度 固定为1 8 us ，若直接用于通信即送到单片机计数，由于c f 容易受到电网的强干扰 等影响，使得单片机计数有误差影响电能计量结果。 在本设计中，设计参数选定g 0 = g i = i ，s i = 0 ，s 0 - 1 ，频率输出端c f 当在最大 电流4 0 a 情况下，c f 的最高输出频率为2 2 0 x 4 0 x 3 2 0 0 = 7 8 2 2 h z 。根据c f 输出规 定为：当c f 输出频率 1 8 0 m s 时，产生脉宽为9 0 m s 时 图2 - 6a d e 7 7 5 5 与m c u 的简单接口电路 1 2 华北电力大学硕士学位论文 输出频率正比于瞬时有功功率；当c f 输出频率 5 5 5 5 5 5 5 h z ，即c f 周期t 2 5 v 之前，r s t 必须为逻辑0 。此外，当 把r s t 驱动至逻辑1 的状态时，s c l k 必须为逻辑0 。 d s l 3 0 2 需要3 2 7 6 8 k h z 的晶振，电源由v c c l 或v c c 2 两者较大的供电，在这种 供电方式中v c c l 连接到备份电源，以便在没有主电源情况下保存时问信息以及数 据。d s l 3 0 2 与单片机a t 8 9 s 5 1 的硬件连接电路p r o t e l 设计如图2 1 3 所示： 9 “：7 b t 2 兰三一i l 7 _ _ 1i | 一 ! 兰里生苎一 3 0 23 6 v 5s d o u t r e s t l 3 0 2 = d s l 3 0 z 接口电路 图2 1 3d s l 3 0 2 连接电路 2 0 一一抛脚一 一； d 一眈；一w勉淞 u 一 一d 华北电力大学硕士学位论文 2 3 5 。液晶显示电路 液晶显示器( l c d ) 具有显示信息丰富、功耗低、体积小、重量轻、超薄等许 多其他显示器无法比拟的优点，近几年来被广泛用于单片机控制的智能仪器、仪表 和低功耗电子产品中1 1 。 1 、模块外部接口 表2 - 1串口接口管脚信号 管脚号名称 l e v e r 功能 1v s s0 v电源地 2、f i ) d+ 5 v 电源正( 3 0 y 巧。5 v ) 3 v 0 对比度调整 4 c l kh l 串行同步时钟：上升沿时读取s i d 数据 5s i dh l 串行数据输入端 6c sh l h ：数据；l ：指令码 1 5p s b l l ：串口方式；( h ：为并口方式) 1 7r e s e th l 复位电平；低电平有效 1 9b l +v d d 背光源电压+ 4 2 v 一+ 5 v 2 0b l -v s s背光源公共端 h s l 2 2 3 2 9 内置s t 7 9 2 0 a 驱动控制器，点阵为1 2 2 x 3 2 点，每行7 个半汉字， 共2 行。点阵为1 2 2 x3 2 点，每行7 个半汉字，共2 行。内部字型r o m 包括8 1 9 2 个1 6 1 6 点阵的中文字型和1 2 6 个1 6 8 点阵的字母符号字型，另外还提供一个6 4 2 5 6 点的绘图区域( g d r a m ) 及2 4 0 点的i c o nr a m ，可以和文字画面混合显示。 内含的c g 删有4 组可编程的1 6 1 6 点阵的造字功能。它内置8 1 9 2 个1 6 1 6 点 汉字库和1 2 8 个1 6 8 点a s c i i 字符集图形点阵液晶显示器，它主要由行驱动器列 驱动器及1 2 8 x 3 2 全点阵液晶显示器组成。可完成图形显示，也可以显示7 5 2 个 ( 1 6 1 6 点阵) 汉字，与外部c p u 接口采用并行或串行方式控制，这里采用串行传送。 串行方式接口