（电气工程专业论文）基于avr平台的负荷管理终端设计.pdf

山东大学硕十学位论文 a b s t r a c t d u et or a p i de c o n o m i cg r o w t h ，r e c e n ty e a r sh a v es e e nad r a m a t i cr i s e o fe n t e r p r i s e sa n dr e s i d e n t se l e c t r i c i t yc o n s u m p t i o n ，b yc o m p a r i s o n ， t h ed e v e l o p m e n to fp o w e rg r i d sa n dp o w e rp l a n t sa r es l o w ，w h i c h r e s u l t si np o w e rs h o r t a g ei nm a n yr e g i o n s b e c a u s eo fa b o v e ，p o w e r c o m p a n y sf o c u sc o n v e r t s “p o w e rs h u t d o w na n ds u p p l yr e s t r i c t i n g t o “p o w e ru t i l i t yo r d e r l ya n dp e a k - t i m es t a g g e r i n g ”，s oi t si m p o r t a n tt o t a k em e a n st os u p e r v i s e ，m a n a g ea n dc o n t r o lt h ed e m a n d - s i d ep o w e r u t i l i t y i nt h i st h e s i s ，an e wg e n e r a t i o no ft h el o a dm a n a g e m e n ts y s t e m t e r m i n a lw a sd e s i g n e db a s e do na b o v ep o w e rs u p p l yc o n d i t i o n t h i s t e r m i n a lc a nm o n i t o ra n dr e c o r dt h ee l e c t r i c i t yc o n s u m p t i o no fp o w e r d e m a n d s i d e ，t h ec h a n g eo fl o a d ，a n db e h a v i o ro fp o w e r - u t i l i t y ，a n d t h e nt r a n s m i ta l lt h ed a t at om a s t e rs t a t i o n ，a l lt h ed a t aw i l lb eu s e da s b a s i cd a t at op o w e rs u p p l ye n t e r p r i s e s ，w h i c hu s et h ed a t at ob a l a n c e p o w e rg r i ds u p p l y d e m a n dr e l a t i o n ，t o e n h a n c ep o w e ru t i l i z a t i o n e f f i c i e n c y ，t or e d u c et h ep o w e rg r i ds t r a i n s ，a n dt oe n s u r et h ep o w e r g r i d s e c u r e e v e nw h e nt h ep o w e ri m b a l a n c eb e t w e e ns u p p l ya n d d e m a n di s e a s i n g ，t h el o a dm a n a g e m e n ts y s t e m w i l ls t i l lp l a ya n i m p o r t a n tr o l e i nd i s t r i b u t i n gp o w e rr e s o u r c e s ，i nl e a d i n gu s e r st o a v o i dp e a k t i m e ，i no p t i m i z i n gp o w e ru t i l i t ym o d e ，a n di ne n h a n c i n g e f f i c i e n c yo fp o w e ru t i l i z a t i o n t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h en e wt e r m i n a la r ed i s c u s s e di nt h e p a p e r h a r d w a r ep l a t f o r mi sb a s e do na v rs i n g l ec h i p ，s p e c i a le n e r g y m e t e r i n gc h i p i s a d o p t e d a sa c s a m p l i n g c i r c u i t ， s e v e r a l a n t i - m a l o p e r a t i o nt e c h n o l o g yi su s e di nd a t ao u t p u td e s i g n i n g ，s p e e c h c h i pu s i n gt r u eh u m a nr e c o r d e r i su s e dt ov o i c ea l a r m s o f t w a r e p l a t f o r m i sb a s e do nu c o s i ie m b e d d e dr e a l - t i m eo p e r a t i o ns y s t e m ， s o f t w a r ed e s i g na c c o r d sw i t hp r i n c i p a lo fl a y e r e da n dm o d u l a rd e s i g n n o wt h et e r m i n a la c c o r d i n gw i t hr e l e v a n ts t a t es t a n d a r d sh a sb e e n i i 山东大学硕士学位论文 s u c c e s s f u l l yd e v e l o p e d ，a n d i s r u n n i n gs t a b l ya n dr e l i a b l y i nm a n y r e g i o n so ft h ec o u n t r yo p e r a t i o n ，a l lt h e s ep r o v e st h a tt h es y s t e mh a s e x c e l l e n tp e r f o r m a n c ea n dh a sa c h i e v e dt h ee x p e c t e dg o a l k e y w o r d ： r e a l - t i m eo p e r a t i o ns y s t e mu c o s i i l o a dm a n a g e m e n tt e r m i n a l a v r s i n g l ec h i p i i i 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：趔 日期：鲨受丝! 三 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或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；本人授权山东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、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：啤导师签名：啤日 期：鲨z ：堡! ! ： 山东大学颁十学位论文 1 1 引言 第一章绪论 近几年来，我国国民经济保持着每年两位数的高速增长势头，随 之而来的是企业用电和居民用电需求的爆发式增长，而电网和发电 厂的发展则相对缓慢，造成全国大范围的电力供应短缺，甚至有的 媒体用“电荒”这个词来形容当前的电力供需状况。在“电荒 较 为严重的2 0 0 3 年全国曾有2 0 多个省市出现了大面积的拉闸限电现 象，企业被迫停工、商场无法正常经营、甚至有医院因为停电造成 病人死亡的现象，大面积的缺电严重影响着国民经济的发展和人民 的生活质量。为了解决“电荒”之痛，全国乃至各个省市都动用了 大量的资金加快电厂和电网的建设步伐，有主管电力的官员认为到 2 0 0 6 年之后将不会出现拉闸限电的情况，“电荒 将得到有效缓解。 可是事与愿违，我国又遇到了新情况，先是0 8 年初我国南方遭遇了 百年一遇的冰雪天气，南方电网几近瘫痪，接着四川汶j i i 又发生了 特大的地震灾害，导致近十万人遇难，再接着就是国际能源价格一 涨再涨，导致国内p p i 、c p l 月月飙升，煤炭等发电能源价格更是涨 到电厂不堪重负，这一系列的不利因素导致我国电力供应依然紧张。 早在0 8 年初，便有消息表示2 0 0 8 年我国的用电缺口将扩大到7 0 0 0 万千瓦，加上关停的部分小火电厂，全年缺口预计将达到8 0 0 0 万千 瓦，这相当于全国一年的新增电力装机容量。这次“电荒 波及范 围更广，就连从不缺电的山东省，7 月份也报告称0 8 年最大电力缺 口将达到l0 2 2 万千瓦，接近全省电力需求的1 3 ，“电荒 程度可 见一般。可见要真正解决“电荒 的问题，不应该仅仅是一味的加 快加大电厂和电网建设，而应该多渠道的解决，比如鼓励和扶持节 能环保技术和产品的研发，加快可再生新能源的开发利用，促使企 业加快设备改造，降低能耗，提高效率，降低成本等。另外还有一 种理念和方法可以缓解用电紧张的局面那就是电力需求侧管理。 山东大学硕+ 学位论文 1 2 中外需求侧管理( o s m ) 的发展 电力需求侧管理( d e m a n dsid em a n a g e m e n t ，d s m ) 主要是通过 政策和经济手段引导用户避峰填谷，提高用电效率和优化用电方式， 在一定的电力供应下满足更多用户的电力需求，从而达到节约能源、 保护环境、实现低成本电力服务的目的。电力需求侧管理从根本上 改变了传统上依靠增加能源供应满足需求增长的思维模式，建立了 把需方节约的能源作为供方的一种可替代资源的新概念。从经济效 益角度来说，短期内电力需求侧管理能够避免开启成本高昂的备用 机组、降低运行成本，长期来讲可以减缓电网扩建和新机组的投产； 从系统运行角度来说，电力需求侧管理可以提高高峰负荷时系统的 可靠性储备，对于系统安全、稳定有重要作用；从用户角度来说， 实施电力需求侧管理能够改善其用电方式，提高用电效率，节约电 能，降低成本；从环保角度来说，电力需求侧管理所倡导的节能技 术、激励措施提高了一次能源的利用效率，减少了c o z 气体排放，有 利于环境保护。1 1 2 1 2 2 3 2 33 2 4 1 在国外，最早的电力需求侧管理应用开始于2 0 世纪3 0 年代的法 国、德国等国家，主要采用开关钟控制负荷和分时电价制度。2 0 世 纪7 0 年代爆发世界性能源危机，美国开始从欧洲引进负荷管理系统， 对可间断负荷进行控制，并推行多时电价制度。2 0 世纪8 0 年代美国 电力科学研究院提出了电力需求侧管理的理念，改变了过去只有电 力供应方不断满足电力增长需求的传统理念，提出对电力需求侧进 行管理同样是能源发展规划的一个重要方面，将需求方节约的能源 和科学合理使用能源作为供应侧一种可替代资源的新概念。自此电 力需求侧管理得到了广泛的应用，提高了电能利用效率。儿刨 在我国，电力需求侧管理起步较晚。19 9 7 年成立了电力需求侧管 理指导中心，标志着需求侧管理正式启动。2 0 0 3 年以来出现的大面 积“电荒 情况，引起了国家的高度重视。2 0 0 4 年5 月，国家发展改 革委和国家电监会印发了加强电力需求侧管理工作的指导意见， 提出需求侧管理的策略指引，以市场为导向，引导和鼓励客户主动 节电，把需求侧管理推向深入发展。我国目前用电结构和用电方式 2 山东大学硕士学位论文 不合理，人均资源十分匮乏，存在大量高能耗企业和低用电效率的 情况，因此在我国开展需求侧管理工作十分必要，前景广阔。 5 6 7 8 【2 5 2 6 】 2 7 】 2 8 1 3 负荷管理系统终端的发展 负荷管理系统是电力需求侧管理的一个重要组成部分，而负荷管 理系统终端是整个负荷管理系统的基础。负荷管理系统终端装置通 过对用电侧的用电量、用电负荷变化、用电行为等进行监测和记录， 并通过通讯上报给主站，为供电企业平衡电网供需关系、提高用电 效率、减小电网运行压力、保障电网安全等提供决策依据。负荷管 理系统即使在电力供需缓和时期，仍然可以充当供电企业了解用电 企业的眼睛和耳朵的角色，通过负荷管理系统供电企业可以更好的 调配电网资源，引导用户避峰填谷，优化用电方式、提高用电使用 效率，使电力企业的发展与社会经济发展和环境保护相协调。 第一代的负荷管理系统终端装置，依据的国家标准是d l5 3 3 9 3 无线电负荷控制双向终端技术条件、d 15 3 5 9 3 电力负荷控制系统 数据传输规约，由于当时的主要目的是应对日趋紧张的供电和用电 矛盾，因此第一代的负控终端功能相对简单，要求实现的功能有脉 冲采集，遥信采集、远方遥控、单一功率控制和电量控制、跳闸记 录等功能，其功能重点放在远方遥控和当地的闭环功率控制上，虽 然功能较少，但是满足了当时供电不足时远方拉路限电、本地强制 进行压低负荷的要求。 随着社会经济的高速发展，在建电厂的逐步投入生产，以及响应 建立和谐社会的要求，过去简单拉闸限电的粗犷做法已经不合时宜 了。为此国家从标准上重新修改了负荷管理系统的要求，在2 0 0 4 年 对新的负控管理系统通用条件进行了宣贯，在2 0 0 5 年发布了国家电 网的企业标准q g d wl2 9 2 0 0 5 电力负荷管理系统通用技术条件、 q g d w13 0 2 0 0 5 电力负荷管理系统数据通讯规约，这两个标准 对负荷管理系统从主站到终端都提出了新的要求。从前后两个名字 的变化上我们也能看出负荷管理系统功能定位的转变，9 3 版标准叫 做负荷控制终端，而0 5 年版就叫做负荷管理终端，体现出国家对负 3 山东大学硕士学位论文 荷管理系统功能的定位，重点是管理而不是控制。在终端功能方面 虽然保留了9 3 版标准提出的功能如远方遥控、本地闭环功率和电量 控制等，但是对这些功能进行了大量扩充和改进，充分考虑了用电 用户的需求，使其更具人性化。如简单的远方遥控功能就添加了遥 控延时的参数，在终端收到主站下发的遥控命令后，不是马上跳闸 而是根据参数有个延时时间通知用户将要跳闸，为用电用户应对停 电保留了足够的时间，减少了用户的损失。至于本地闭环功率和电 量控制更是进行了细化，规定了当前功率下浮控、时段控、厂休控、 营业报停控等6 种方案，以适应不同的用电用户需求。此外新标准 还把终端功能的重点放到了数据的采集和存储上，对终端数据采集 的方式、存储数据的内容和时间都做了详细的规定，体现了这代负 荷管理系统终端的功能定位。9 m o m l m 2 m3 m 4 1 1 4 负荷管理系统终端装置功能需求 根据国家最新颁布的q g d w12 9 2 0 0 5 电力负荷管理系统通用 技术条件中所提出的功能要求，现在的电力负荷管理系统具有实 时数据采集、历史和统计数据存储、电表监测、异常事件告警、在 线参数设置和查询、负荷控制、反窃电监测等功能。具体如下： 1 )实时数据采集：利用专用的电能计量芯片实时采集和处理三 相电压、电流、有功、无功、功率因数、总及各费率有功电 度、总及各费率无功电度等数据。并对日月电量数据进行计 量。 2 )历史和统计数据存储：终端根据参数按不同的时间间隔存储 电压、电流、有功、无功、电量等曲线数据。对终端监测对 象的各电能质量相关数据进行统计记录，记录数据包括电压、 电流越限时间、电压合格率、断相次数、功率极值等，方便 主站对监测对象的运行状况进行数据分析。 3 )电表数据抄读和监测：通过各种抄表规约对电表进行数据抄 读，实现远程抄表功能，此外还对电表的异常运行状况及时 进行告警，为供电用户提供一个防窃电的功能，帮助供电用 4 山东大学硕士学位论文 户减少损失。 4 )异常事件告警：终端可以存储两种事件，一种一般事件，一 种重要事件，终端根据参数设置，对重要数据及时通过通讯 通知主站，达到告警目的。 5 )负荷控制：终端具有功率定值闭环控制、电能量定值闭环控 制和远方遥控等多种负荷控制方式。功率定值闭环控制有当 前功率下浮控、厂休控、营业报停控、时段控4 种控制方式； 电能量闭环控制有月电量控制、够电控制、催费告警等控制 方式。另外负荷控制还包括保电、剔除等功能。 6 )数据通讯：终端通过更换通讯模块实现多种通讯方式。目前 应用较为广泛的是g p r s 通讯方式。g p r s 通讯具有建设初期费 用较小( 不需要维护通道) 、覆盖区域相对较广、实时性较高 等优点，比较适合负荷管理系统终端使用。 7 )人机交互接口：终端具有液晶、键盘、指示灯、维护口等人 机交换接口。通过液晶和键盘可以方便的查看终端采集的各 种数据，可以查看终端各种控制功能的执行状态，通过指示 灯可以快速的了解当前终端的运行状态和控制方式，此外终 端还有语音告警功能，可以让用户不用操作终端就可以了解 告警信息。【1 1 】 1 5 本文的主要工作 本文围绕负荷管理终端的设计开展研究，主要工作如下： ( 1 ) 对国内外需求侧管理和负荷管理终端的研究现状进行分析 总结，明确当前负荷管理终端装置的功能需求； ( 2 ) 根据负荷管理终端装置功能要求，遵循硬件选型和设计的 原则，确定了装置合适的硬件平台，并针对所选平台进行各功能电 路的具体设计； ( 3 ) 通过调研和对比研究，确定负荷管理终端装置应采用的实 时操作系统平台，并掌握该平台的特点和开发方法； ( 4 ) 研究确定负荷管理终端装置的软件功能和模块结构，对信 号遥测、负荷控制、人机交互、通讯方式等软件功能逐一进行实现， 5 山东大学硕士学位论文 针对遥测算法中相位校正和漂移校正等难点问题，提出了有效的解 决方法； ( 5 ) 最后，对论文的研究进行了总结和展望。 6 山东大学硕十学位论文 第二章负荷管理系统终端装置硬件设计 上节对负荷管理系统终端装置功能需求进行了介绍，接着就可以 根据这些需求进行硬件设计。在实际工作中，硬件的选型和设计除 了要考虑满足用户功能需求和电磁兼容性要求外，还要考虑经济效 益，在保证满足功能需求和具有较高可靠性的前提下，尽量降低成 本。综上考虑我们最终选择了a t m el 公司a v r 系列单片机中的a t m e g a 12 8 作为负荷管理系统终端的主处理器。负荷管理系统终端硬件结 构原理图如图2 1 所示。 图2 一l 负荷管理系统终端结构原理图 2 1a v r 单片机平台简介 a v r 单片机是19 97 年由a t m e l 公司挪威设计中心利用a t m e l 公司 的f l a s h 新技术研发出的r is c ( r e d u c e din s t r u c tio ns e tc p u ) 精 简指令集的高速单片机。其中，a 与v 分别代表两位充满工作激情与 灵感的挪威年轻研发者姓名的第一个字母，r 代表该芯片为r is c 架 构，因此，该系列单片机简称a v r 。 a v r 单片机分为3 个档次，其中自2 0 0 2 年推出的a t m e g a 系列是 7 山东大学硕十学位论文 其中最高档的一个系列。a t m e g a 12 8 则是a t m e g a 系列中次高档的 产品。其结构框图如图2 2 所示。 a t m e g a12 8 单片机具有极高的运行速度。a t m e g a l2 8 采用h a r v a r d 结构具有独立的数据和程序总线。程序存储器的指令通过一级的流 水线运行，c p u 在执行一条指令的同时读取下一条指令，这个结构 实现了指令的单时钟周期运行。由于其采用先进的精简指令集以及 单周期的指令执行时间，a t m e g a l28 的数据吞吐率高达1 m ip s m h z ( 百 万条指令每秒兆赫兹) ，从而可以缓解系统在功耗和处理速度之间 的矛盾。a t m e g a l2 8 所有的寄存器都直接与算数逻辑单元( a l u ) 相 连接，使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄 存器。这种结构大大提高了代码效率，并且具有比普通的复杂指令 集微处理器高10 倍的数据吞吐率。 嘲啊嘲晰 哪晰 图2 - 2a t m e g a l2 8 结构框图 8 山东大学颁十学位论文 a v r 单片机具有3 2 个通用工作寄存器。传统的基于累加器的结构 需要大量的程序代码，以实现在累加器和存储器之间的数据传送。 在a v r 单片机中，用3 2 个通用工作寄存器代替累加器，从而可以避 免传统的累加器和存储器之间的数据传送造成的瓶颈现象。另外， 3 2 个寄存器中的后6 个寄存器可以组成3 个l6 位的数据指针x 、y 和z 。这两个特点使a v r 单片机具有较高的c 语言密度。 a t m e g a l2 8 中断系统丰富多样。每个中断源都有自己单独的中断 向量入口。中断向量地址较低的中断拥有较高的优先级。每个中断 源都有单独的屏蔽位和标志位，并且还有一个中断全局屏蔽位。 a t m e g a l2 8 在响应中断时禁止全局中断，在中断返回时开启全局中 断。通过软件的方法可以实现多个中断优先级的处理。 a t m e g a l2 8 有5 3 个通用i 0 口。如果作为通用数字i o 口时，所 有的管脚都有真正的读一修改一写功能，各脚均可独立的选择输入输 出方向。在复位时所有端口处于没有上拉电阻的状态，对外呈现高 阻，管脚电平完全由外部电路决定。 a t m e g a l2 8 具有一个特殊的引导程序区，这个引导区功能非常强 大，在这个区域驻留程序，不仅可以对主程序区进行擦除和编程操 作，还可以对自身进行修改，甚至可以将自己擦除。通过这个功能， 可以方便的更新应用程序，极大的方便了产品的开发。通过熔丝位 编程，可以调整引导程序区的大小，可以控制c p u 复位后从引导区 或者主程序区开始执行程序，还可以对引导区进行保护，防止意外 擦除。 a t m e g a l2 8 内部具有4 k 字节e e p r o m ，方便用户保存一些重要参 数。其e e p r o m 采用单独的总线结构，有较快的访问速度和较简洁的 工作代码。在程序访问e e p r o m 时，通过3 个寄存器( e e c r 、e e d r 和 e e a r ) 进行。e e c r 控制e e p r o m 的读写，e e a r 决定访问e e p r o m 的地 址，而e e d r 存放访问e e r p o m 的数据。 a t m e g a l2 8 具有2 个通用同步和异步串行接收器和发送器( u s a r t ) 接口。这个串行接口具有全双工、同步或异步通讯方式，高精度的 波特率发生器，硬件支持的奇偶校验操作，5 、6 、7 、8 、9 个数据位 和1 、2 个停止位，数据快速检测，倍速异步通讯，噪声滤波等多种 9 山东大学硕十学位论文 功能。 a t m e g a12 8 具有丰富的对外通讯接口。除了2 个全双工的u s a r t 接口外，还有一个两线总线接口i2 c ，一个全双工s p i 端口。i2 c 接口 支持主机和从机模式，中断工作方式、多主机仲裁、7 位从机地址空 间等功能，最高速率可达4 0 0 k h z 。s p i 端口是一个3 线全双工高速 同步串行端口，也支持主从机工作模式，中断工作方式，写碰撞检 测等功能，作为主机时还具有双速模式。由于这2 种接口接线简单， 很多外围器件都采用，如l c d 控制器模块、电源管理模块、实时时 钟芯片、电能采集芯片、存储器等。 总结起来a t m e g a l2 8 具有如下特点： 令高性能、低功耗的a v r 8 位微处理器。 令采用先进的r is c 结构 13 3 条指令集 3 2 个通用工作寄存器支持外设控制寄存器 工作于16 m h z 时性能高达16 m i p s 只需要2 个时钟周期的硬件乘法器 非易失性的程序和数据存储器 12 8 k 字节的在系统可编程f 1a s h ，寿命达到10 0 0 0 次擦写 周期 具有独立锁定位、可选择的启动代码区 通过片内的启动程序实现系统内编程，真正的读一修改一写 操作 4 k 字节的e e p r o m ，寿命达到10 0 0 0 次擦写周期 4 k 字节的内部s r a m 可以对锁定位进行编程以实现软件加密 可以通过s p i 实现系统内编程 夺j t a g 接口( 与ie e e l l4 9 1 标准兼容) 遵循j t a g 标准的边界扫描功能 支持扩展的片内调试 通过j t a g 接口实现对f 1a s h ，e e p r o m ，熔丝位和锁定位的 编程 1 0 山东大学硕十学位论文 令外设特点 两个具有独立的预分频器和比较器功能的8 位定时器计 数器 两个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的16 位定时器 计数器 具有独立预分频器的实时时钟计数器 两路8 位p w m 6 路分辨率可编程( 2 到16 位) 的p w m 输出比较调制器 8 路1o 位a d c 包括：8 个单端通道、7 个差分通道和2 个 具有可编程增益的差分通道 面向字节的i2 c 接口 2 个可编程的串行u s a r t 可工作于主从机模式下的s p i 串行接口 具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器 拥有片内模拟比较器 令特殊的处理器特点 上电复位以及可编程的掉电检测 片内经过标定的r c 振荡器 片内片外中断源 6 种睡眠模式：空闲模式、a d c 噪声抑制模式、省电模式、 s t a n d b y 模式以及扩展的s t a n d b y 模式 可以通过软件进行选择的时钟频率 通过熔丝位可以选择a t m e g a 10 3 兼容模式 全局上拉禁止功能 i o 和封装 5 3 个可编程i o 引脚 6 4 引脚t q f p 和6 4 引脚m l f 封装 温度范围 一4 0 。c 一8 5 。c 工业级标准1 1 83 山东大学硕十学位论文 2 2 晶振与复位电路 虽然a t m e g a l2 8 具有内部振荡器，但是为了使时钟更准确，一 般采用外部晶振。在本系统中，采用的晶振型号为h c 一4 9 s 一16 m ，该 晶振具体参数为： 频率精度：1o p p m 5 0 p p m 夺温度稳定度：一2 0 7 0 2 0 p p m 夺负载电容：6 5 0 p f 激励功率：1o m wt y p ic a l ：5uwm a x 较高温度稳定和频率精度的晶振，有助于系统稳定可靠精准的 运行。 复位电路在整个系统运行过程中监视程序是否正常，如果有跑 飞、死循环等现象时自动复位系统，恢复系统的正常运行。在本系 统中复位电路采用m a x 818 芯片。电路图如图2 3 所示： = 图2 - 3 复位电路原理图 在本系统中复位电路除了具有看门狗功能外，还具有s r a m 写保 护，后备电池转换功能。具体工作原理如下： 看门狗功能：正常情况下系统必须在1 6 5 s 之内改变w d i 引脚 的电平状态，如果w d i 引脚电平保持高或低时间超过看门狗延时时 间，则m a x 818 就会在r s t 引脚产生一个复位脉冲，复位系统。 后备电池转换：在系统中设计有静态r a m 模块，需要在系统掉 电的情况下，保存其中的内容。正常情况下m a x 8 18 检测b a t t 引脚 的电池电压和v c c 电压，如果v c c 电压低于电池电压时，则把o u t 引脚连接到后备电池上，以维持s r a m 中的数据不丢失；如果v c c 电 1 2 山东大学硕十学位论文 压高于电池电压时，则把o u t 引脚重新连接到v c c 上。 s r a m 写保护：在系统复位、上电、或受到干扰电压不稳定的时 候，为了防止s r a m 中的信息被错误更改，则通过m a x 818 对片选信 号进行保护。在系统电压不稳定或过低的时候，m a x 818 片选使能会 被禁止，这样就使c e o 引脚电平保持高阻状态，保护s r a m 不被非法 改写。 2 3 外部存储器电路 外部存储器包括f 1a s h 和s r a m 两部分。f 1a s h 主要用于参数、历 史数据、字库等数据的存储。s r a m 有后备电池供电，在掉电后数据 不丢失，因此除了可以做普通内存使用外，还可以用来存储事件， 告警信息等需要实时存储且掉电不丢失的数据。 f l a s h 存储器是一种可在线( i n - s ys te m ) 电可擦写，掉电后信息 不丢失的存储器。它具有低功耗、大容量、擦写速度快、可整片或 分扇区进行系统编程( 烧写) 、擦除等特点，并且可由内部嵌入的算 法完成对芯片的操作，因而在各种嵌入式系统中得到广泛的应用。 作为一种非易失性存储器，f l a s h 在系统中通常用于存放程序代码、 常量表以及一些在系统掉电后需要保存的用户数据等。常用的f l a s h 为8 位或16 位的数据宽度，编程电压为单3 3 v 。 本系统使用的f 1a s h 芯片为a t 2 9 c 0 4 0 ，其特点如下： 快速读取访问时间只有12 0 n s ，可以把f 1a s h 当作r a m 来读取。 在线编程电压只需要5 v ，不需额外电源。 以扇区为单位进行编程操作。擦除和再编程一个过程完成；具 有2 0 4 8 个扇区，每个扇区只有2 5 6 个字节；内部最大缓存2 5 6 字节。 令软硬件数据保护 令快速编程周期lo m s 低功耗，最大编程电流4 0 m a ，后备电流lo o u a 最大擦写周期大于10 0 0 0 次 该f 1a s h 芯片最大的特点就是具有很小的扇区结构，一般f l a sh 扇区都是6 4 k 大小。扇区小了以后，在进行大量数据存储时，就可 山东大学硕十学位论文 以灵活的安排扇区空间，避免不必要的浪费。 a t m e g a l2 8 本身具有4 k s r a m ，但是满足不了本系统的需求。因此 根据需要外扩了3 2 k 的s r a m 。在本系统中使用的s r a m 型号为 u t 6 2 2 5 6 ，把该芯片v c c 引脚连接到m a x 8l8 的o u t 引脚上，s r a m 就 具有了掉电数据不丢失的特性。 a t m e g a l2 8 内部s r a m 的组织结构图如图2 4 所示。a t m e g a l2 8 在普 通模式下，前4 3 5 2 个数据地址包括寄存器文件，i o 存储器，扩 展的i o 存储器以及内部数据s r a m 。起始的3 2 个地址为寄存器文 件，然后是6 4 个i o 存储器，接着是1 6 0 个扩展的i o 存储器，最 后是4 0 9 6 字节的内部数据s r a m ，a t m e g a l2 8 所能访问的最大6 4 k 外部 数据s r a m 紧跟在内部数据s r a m 后面，因此外部s r a m 的前4 3 5 2 字节的 地址空间是与内部s r a m 等是重叠的，a t m e g a l2 8 不能访问这些区域的 外部s r a m 空间。当外部s r a m d 、于6 4 k 时，有一种方法可以解决这个问 题。例如为3 2 k b 时，可以通过o x 8 0 0 0 o x 9 0 f f 的定址对外部s r a m 的 o x 0 0 0 0 o x lo f f 进行访问。其原理就是当外部s r a m d 、于6 4 k 时，a 15 是 没有与外部s r a m 相连，这时通过o x 8 0 0 0 o x 9 0 f f 就相当于访问外部 s r a m 的o x 0 0 0 0 o x l o f f 了。 s 1 f 筑1 0 5 f 翮瞪= f 图2 4a t m e g a l2 8 内部s r a m 组织结构图 2 4 实时时钟电路 时钟信息对于负控产品很重要，事件记录，统计记录、电能量累 1 4 山东大学硕十学位论文 积，历史数据的存储等都需要一个精准的时钟作为依据。因此需要 设计一个比较精准的实时时钟。本系统采用的实时时钟芯片型号为 x 12 2 6 ，该芯片采用i 。c 的通讯方式。 i c 总线是一种用于i c 器件之间连接的两线式总线，所以又名t w i ( t w o w ir es e r ia lin te r f a c e ) 。一般具有i 。c 总线的器件其s d a 和 s c l 引脚都是漏极开路( 或集电极开路) 输出结构。因此实际使用 时，s d a 和s c l 信号线都必须要加上拉电阻。上拉电阻一般取值3 1o kq 。开漏结构的好处是：当总线空闲时，这两条信号线都保持高 电平，几乎不消耗电流；电气兼容性好，上拉电阻接5 v 电源就能与 5 v 逻辑器件接口，上拉电阻接3 v 电源又能与3 v 逻辑器件接口；因 为是开漏结构，所以不同器件的s d a 与s d a 之间、s c l 与s c l 之间 可以直接相连，不需要额外的转换电路。 i c 总线是双向传输的总线，因此主机和从机都可能成为发送器 和接收器。如果主机向从机发送数据，则主机是发送器，而从机是 接收器；如果主机从从机读取数据，则主机是接收器，而从机是发 送器。在本系统中a t m e g a l2 8 是主机，x12 2 6 时钟芯片是从机，主机 通过唯一的从机地址访问总线上的从机。在数据传送的过程中，当 总线s c l 为高电平时，数据线s d a 的电平必须保持稳定的状态，不允 许有跳变。只有当s c l 为低电平时才允许s d a 改变数据。当时钟线为 高电平时，数据线的任何电平变化将被看作是总线的启动信号或停 止信号。 x 12 2 6 是一个带有时钟、日历、两路报警、512 8 位的e e p r o m ，振 荡器补偿和电池切换的实时时钟。振荡器用一个外部的、低价格的 3 2 7 6 8 k h z 晶体。所有补偿和调整元件集成于芯片上。这样消除了外 部的分离元件和一个调整电容，节约了印制板和元器件费用。x l2 2 6 可以准确地用秒、分、时、日、星期、月、年来显示时间和日期， 具有世纪字节，解决了两千年问题，可以自动实现闰年调整直到2 0 9 6 年。强大的双报警功能，能够设置到任何的时钟日历值上，与报警 相匹配。报警能够在状态寄存器中被查询或提供一个硬件的中断 ( ir q 管脚) ，报警允许产生一个周期的中断。该器件提供一个后备 电源输入引脚v b a c k ，该引脚允许器件用电池或大容量电容进行后备 山东大学硕十学位论文 供电。另外提供4 k bit 的e e p r o m ，可用作用户小容量数据存储器，具 有安全性，保密性。这个存储器在主电源和备份电源全部失效时不 受影响。 2 5 交流采样电路 在本系统中交流采样也是一个较为重要的功能，对于采样精度， 特别是电量的计算有较高的要求。我们采用电能计量芯片a d e 7 7 5 8 作为交流采样芯片。其电路设计图如图2 - 5 所示。 图2 5a d e 7 7 6 8 交流采样电路图 a d e 77 5 8 是美国a d i 公司推出的三相高精度多功能电能计量芯片， 带有一个s p i 串行接口，两路脉冲输出。a d e 7 7 5 8 集成了数字积分、 参考基准电压源、温度敏感元件等，有可用于有功功率、复功率、 视在功率、有效值的测量以及以数字方式校正系统误差( 增益、相位 和失调等) 所必须的信号处理电路。该芯片适用于各种三相电路( 不 论三线制或者四线制) 中测量有功功率、复功率、视在功率。 来自电流传感器和电压传感器的电压信号经信号放大p g a l ，p g a 2 和模数变换a d c 转换为对应的数字信号，然后，电流信号经电流通 道内的高通滤波器h p f 滤除d c 分量并数字积分后，与经过相位校正的 电压信号相乘，得到瞬时功率，此瞬时功率信号经低通滤波器l p f 2 滤除高频扰动以及功率偏移寄存器和功率增益寄存器修正后得到有 功功率有效值，各相功率瞬时值相加得到总的三相瞬时有功功率， 1 6 山东大学硕士学位论文 经d o u t 引脚输出。视在功率和复功率的计算与此类似。 a d e 7 7 5 8 有两路脉冲输出，一路为有功电能脉冲，另一路为无功 视在复用脉冲输出。a d e 7 7 5 8 的有功，无功，视在电能可以分别独立 调节，可以设计成不同的脉冲常数。 a d e 7 7 5 8 的其他特点如下： 高精度，支持i e c 6 0 6 8 7 、i e c 6 1 0 3 6 、i e c 6 1 2 6 8 、i e c 6 2 0 5 3 2 1 、 ? i e c 6 2 0 5 3 - 2 2 及i e c 6 2 0 5 3 - 2 3 三相三线及三相四线兼容 2 5 。c 时，在10 0 0 ：1 动态范围内误差小于o 1 片内提供：a b c 三相分相有功电量、无功电量、视在电量、 冷 冷 电压有效值、电流有效值、电压频率、波形采样数据、温度( 3 。c ) 等 各相电能可分别进行功率，相位和输入失调校准 可设置线电压跌落检测和过电压检测的阀值 逆相序检测( 如果a 相电压过零点后，先出现c 相过零点，而不 是b 相，在s t a t u s 中的逆相序标志位值1 ，并产生中断) 在环境条件变化很大和长时间使用条件下，采用专利a d c 及 d s p 技术，能保证高精度 内置电压基准2 4 v 8 ( 3 0 p p m 。c 温漂) ，可选外部基准 单5 v 电源，低功耗( 典型值5 0 m w ) 工业级温度范围( - 4 0 。c + 8 5 。c ) ，r w - 2 4 封装 2 6 遥控遥信电路 遥信一般有无源遥信和有源遥信，其电路图如图2 - 6 所示。有源 遥信是要求外部电路提供电源，本系统提供遥信接点和公共地；无 源遥信是本系统提供电源公共接点和遥信接点，外部电路只需要一 对空接点就可以了。在本系统设计中采用的是无源遥信方式，通过 光耦电路进行隔离，避免外部干扰窜入，提高了系统抗干扰能力。 1 7 山东大学硕十学位论文 图2 6 遥信电路 遥信具体工作过程：当外部没有接入遥信或遥信接点为分时， 光耦器件不导通，锁存器中读到的数据都是1 ，表示相应遥信为分状 态。当外部遥信接点闭合时，光耦器件在电压的作用下导通，锁存 器中相应的通道也导通，这时从锁存器中读到的数据就是0 ，表示相 应遥信为合状态。 遥控电路是电力二次设备中通常具备的一个功能，也是一个非 常重要的功能。在电力设备中除了要保证在正常情况下的正确动作 外，还要有在各种情况下防止误动作的措施。在本系统中，遥控电 路设计有遥控预置、遥控执行、还有密码锁等电路，保证遥控只有 在符合步骤的正确的操作下，才能正常输出。遥控预置电路如图2 7 所示。遥控返校电路如图2 - 8 所示。 图2 7 遥控预置电路 1 8 山东大学硕十学位论文 图2 - 8 遥控返校电路 具体工作过程为首先做遥控预置，通过密码锁打开预置通道，然 后通过返校电路读取返校值，看是否正确，前两步都正确的情况下， 再下遥控命令和密码解锁密码，把遥控通道打开，遥控终端继电器 输出。在这个过程中，有一个环节出现错误，遥控都不能正确执行。 因此有效的提高了本系统的可靠性。 2 7 液晶显示接口电路 液晶显示电路如图2 9 所示。 图2 - 9 液晶显示电路 1 9 山东大学硕十学位论文 液晶是本系统人机界面的一个重要组成部分，它负责大部分的界 面信息显示工作。 本系统液晶采用的是12 8 * 6 4 点的点阵式液晶，采用s s d l815 驱 动芯片。该驱动芯片是单芯片c m o s 点阵式液晶驱动控制器，内部具 有13 2 * 6 5 位的g d d r a m ( g r a p hicd is p la yd a t ar a m ) ，6 4 级对比度 控制，重映射行列驱动，显示偏移量控制，内嵌d c d c 转换芯片， 在线偏压分压器( b i a sd ivid e r ) 和在线振荡器，支持6 8 0 0 8 0 8 0 系列并行总线接口和s p i 接口。 由于该款液晶没有内嵌字库，所以需要自己组织字库，为了满足 负荷管理系统需要随机显示汉字的功能，我们采用简体中文国标字 库g b 2312 - 8 0 。该字库共选入了7 4 4 5 个字符，其中汉字6 7 7 3 个，包 括一级常用汉字3 7 5 5 个、二级次常用汉字3 0 0 8 个，完全满足系统 的需求。经测试g b 2 312 字库采用的是横向取模，本系统液晶模块采 用的是纵向取模，所以还需要对国标字库进行一个转换，为了方便 使用，通过编制程序把