（通信与信息系统专业论文）利用mb95f418芯片实现智能电表的设计与研究.pdf

摘要 利用m b 9 5 f 4 1 8 芯片实现智能电表的设计与研究 作者简介：陈勇，男，1 9 8 6 年1 1 月，师从成都理工大学郭勇教授，2 0 1 1 年 6 月毕业于成都理工大学通信与信息系统专业、获得工学硕士学位。 摘要 近年来，在低碳经济、绿色节能及可持续发展思想的推动下，如何进一步提 高电网效率，积极应对环境挑战，提高供电可靠性和电能质量，完善电力用户服 务，适应更加开放的能源及电力市场化环境需要，对未来电网的发展提出了更高 的要求。智能电网的概念应运而生并成为全球电力行业共同研究和探讨的热点， 支撑中国乃至全球智能电网的将是通信技术、信息处理技术和控制技术。智能电 表作为智能电网建设的重要基础装备，加快智能电表产业链整合，促进其产业化， 对于电网实现信息化、自动化和互动化具有支撑作用。基于以上分析，本文利用 m b 9 5 f 4 1 8 芯片实现了智能电表的设计与研究。 本文主要包括以下三个方面的工作： ( 1 ) 智能电表的设计背景、优点及发展现状 本文首先分析智能电表的设计背景，其次讨论智能电表的优点及相关的应 用，最后讨论如何基于国内外的研究现状设计智能电表。 ( 2 ) 智能电表的硬件和软件实现 分析智能电表应该具备的功能，给出该仪表的总体设计框图；详细讨论了该 电路的核心芯片选取、数据采集电路的设计、通信电路及输入输出系统的实现并 给出了核心芯片m b 9 5 f 4 1 8 的详细参数；使用结构化程序设计手段，利用单片 机c 语言程序实现按键的扫描并处理程序、数据的采集及后续的算法程序、红 外或r s 4 8 5 通信方式的自动抄表程序、c p u 卡的读写操作程序以及段式l c d 的 显示驱动程序。 ( 3 ) 设计的结论分析、不足及未来的展望 阐述了设计的测试结果并对结论进行了分析，给出了设计中的不足之处，并 提出了将来的修改意见及改进之处，最后对智能电表的未来进行了展望。 本设计实现了电能数据的计时计量、自动计费、即时双向通信等功能，能够 实现住宅能耗计量的高质量和高效率管理，为居民的优化用电提供了帮助。论文 希望通过对智能电表系统的探索，能对相关工作者提供有益的帮助，智能电表的 成都理丁人学硕i ：学位论文 市场前景十分广阔。 关键词：智能电表电能计量自动抄表预付费 a b s t 阳c t u s i n gt h em b 9 5 f 4 18r e a l i z e t h ed e s i g na n dr e s e a r c ho fs m a r tm e t e r a b o u tt h ea u t h o r ：c h e ny o n g ，m a l e ，n o v e m b e r - 19 8 6 ，w h e r eh es t u d i e du n d e r p r o f e s s o ro fg u o y o n gi nc h e n g d uu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y h eg r a d u a t e df r o m c h e n g d uu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g ya tj u n e2 011 ，w i t hm a s t e rd e g r e eo fe n g i n e e r i n g , m a j o r e dw i t hc o m m u n i c a t i o n a n di n f o r m a t i o ns y s t e m a b s t r a c t r e c e n ty e a r s ，d u et ot h ep o p u l a t i o no fi d e a s ，l i k eg r e e ne c o n o m i c s ，e n e r g ys a v i n g a n ds u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t ，h i g h e rr e q u i r e m e n t sa r ep r o p o s e df o rf u t u r ep o w e r n e t w o r kt of u r t h e ri m p r o v et h ee f f i c i e n c yo fp o w e rn e t w o r k ，c o p ew i t ht h ec h a l l e n g e f r o me n v i r o n m e n t ，e l e v a t et h er e l i a b i l i t yo fp o w e rs u p p l ya n dt h eq u a l i t yo fe l e c t r i c a l p o w e r , p e r f e c tu s e rs e r v i c e ，a n da d a p tt ot h er e q u i r e m e n t sf r o me n e r g ys o u r c e sa n d p o w e rm a r k e t s t h ec o n c e p to f s m a r tg r i de m e r g e sa st h et i m e sr e q u i r e ，a n db e c o m e s ar e s e a r c h i n ga n dd i s c u s s i n gf o c u si ng l o b a lp o w e ri n d u s t r y i tc a nb ea s s u m e dt h a t c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , i n f o r m a t i o np r o c e s s i n gt e c h n o l o g y a n dc o n t r o l t e c h n o l o g yw i l ls u p p o r tt h es m a r t 鲥d i nc h i n a , e v e ni nt h ew h o l ew o r l d s m a r tm e t e r i sa ni m p o r t a n tf u n d a m e n t a ld e v i c ef o rt h ec o n s t r u e t i o no fs m a r tg r i d i ta c c e l e r a t e s t h ei n t e g r a t i o no fs m a r tm e t e ri n d u s t r y , f a c i l i t a t e si t si n d u s t r i a l i z a t i o n ，a n ds u p p o r t s t h ei n f o r m a t i o n ，a u t o m a t i o na n di n t e r a c t i o no fp o w e rn e t w o r k u p o na b o v ea n a l y s i s ， t h i sp a p e rr e a l i z e st h ed e s i g na n dr e s e a r c ho ft h es m a r tm e t e rb yu s i n gt h em b 9 5 f 4 18 c h i p t h i sa r t i c l ec o n s i s t so ft h ef o l l o w i n gt h r e ea r e a sw o r k ： ( 1 ) s m a r tm e t e r sd e s i g nb a c k g r o u n d ，a d v a n t a g e sa n dd e v e l o p m e n ts t a t u s f i r s t l y , t h i sp a p e ra n a l y z e st h ed e s i g nb a c k g r o u n do fs m a r tm e t e r , f o l l o w e db y t h ed i s c u s s i o no ft h ea d v a n t a g e so fs m a r tm e t e ra n dr e l a t e da p p l i c a t i o n s ，a n df i n a l l y d i s c u s s e sh o wt od e s i g ns m a r tm e t e rb a s e do nt h er e s e a r c hs t a t u sa th o m ea n da b r o a d ( 2 ) s m a r tm e t e r sh a r d w a r ed e s i g na n ds o f t w a r ed e s i g n a n a l y s i so ft h ef u n c t i o no fs m a r tm e t e rs h o u l dh a v e ，a n dg i v et h eo v e r a l ld e s i g n b l o c kd i a g r a mo ft h ei n s t r u m e n t ；d e t a i l e dd i s c u s s i o no ft h es e l e c t i o no ft h ec o r ec h i p ， t h ed e s i g no fd a t aa c q u i s i t i o nc i r c u i t ，c o m m u n i c a t i o nc i r c u i ta n dt h er e a l i z a t i o no f 成都理t 大学硕i ：学位论文 i n p u t o u t p u ts y s t e ma n dg i v e st h ed e t a i l e dp a r a m e t e r so ft h ec o r ec h i p m b 9 5 f 4 18 ： u s i n gs t r u c t u r e dp r o g r a m m i n gm e t h o d s ，a c h i e v et h es w i t c h ss c a na n dh a n d l e r p r o g r a m ，d a t ac o l l e c t i o na n dt h ef o l l o w u pa l g o r i t h mp r o c e s sp r o g r a m ，t h ea u t o m a t i c m e t e rr e a d i n gp r o g r a mb yi n f r a r e do rr s 4 8 5c o m m u n i c a t i o nm o d e ，c p uc a r d sr e a d a n dw r i t eo p e r a t i n gp r o c e d u r e sa n ds e g m e n tl c d sd i s p l a yd r i v e rc o d eb a s e do nt h e u s eo fm i c r o e o n t r o l l e rc p r o g r a m m i n gl a n g u a g e ( 3 ) t h ea n a l y s i so ft h ed e s i g n sc o n c l u s i o n s ，t h ed e s i g n ss h o r t a g ea n dt h e p r o s p e c tf o rt h ef u t u r e d e s c r i b e st h et e s tr e s u l t so ft h ed e s i g na n da n a l y z et h ec o n c l u s i o n s ，g i v e st h e i n a d e q u a c i e so ft h ed e s i g na n dp r o p o s e df u t u r em o d i f i c a t i o n sa n di m p r o v e m e n t s f i n a l l y , g i v e st h ep r o s p e c tf o rt h ef u t u r eo fs m a r tm e t e r t h i sd e s i g nr e a l i z e st h ef u n c t i o n o fp o w e rd a t at i m i n ga n dm e a s u r e m e n t ， a u t o m a t i c c h a r g i n g ，b i d i r e c t i o n a lc o m m u n i c a t i o n ，e t c i tm a n a g e st h ee n e r g y c o n s u m p t i o no fr e s i d e n c e sw i t hh i g hq u a l i t ya n dh i g he f f i c i e n c y , w h i c hi so fg r e a t h e l pf o ro u rr e s i d e n t s t h i sp a p e ra i m st op r o v i d eh e l pt or e l a t i v ew o r k e r st h r o u g ht h e r e s e a r c hi n t ot h es y s t e mo fs m a r tm e t e r i ti so fn od o u b tt h a tt h em a r k e tp r o s p e c t i v e o fs m a r tm e t e ri sq u i t eb r o a d k e y w o r d s ：s m a r tm e t e r , p o w e rm e a s u r e m e n t ，a u t or e a dm e t e r , p r e p a y m e n t 第1 章绪论 1 1 选题背景 第1 章绪论 随着市场改革的不断推进，数字经济迅速发展，气候变化日趋加剧，保护环 境越来越被重视，节能减排已成为各国的能源政策调整核心，客户对输配电能的 质量要求也逐步提高，可再生能源等等分散式的发电资源相关数量也在不断增 加，传统意义上的电力网已经很难满足这样的发展要求。为此人们提出了智能电 网的设想，以实现传统电网的升级换代，作为智能电网终端设备之一的智能电表 改造工程正在上演。智能电能表是智能用电的重要组成部分，是实现双向互动智 能用电的“末端神经【o j 。 长期以来，我国居民用电的管理过于落后，居民用电管理收费一直采用先用 电、后抄表、再付费的传统作业方式，这种方式给居民和电力部门带来了很多的 不便，而且增加了管理人员的工作，且人为方式弊端多，工作效率低，给管理部 门造成了人力、物力、时间上的极大浪费。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。基于以上分析，本文设计并实现了基于富士通单片机 的智能电表。 1 2 智能电表简介 智能电表与传统电能表不同，与其相比，在传统电能表的基本功能上，智能 电表新增了自动化功能和智能化功能，智能电表内部带有功能较强的m c u ( 微 控制器单元) ，其主要功能如下。 1 双向计量 计量功能是智能电表的主要功能之一，用户和智能电网之间通过智能电表可 以实现双向电能电量传输。在不断开发新能源、分布式能源已经在用户终端充分 利用的情况下，用户可以使用自身生产的清洁能源代替电网提供的能源，同时， 也可以将自己生成的能源通过智能电表反馈给电网，因此，智能电表不仅可以实 现智能电网到用户终端的电量传输，也可以实现用户终端到电网的电能传输，智 能电表提供一个入户接口给用户终端，用户终端通过该接口接入智能电网，实现 双向计量，因为智能电表内部含有m c u ，所以可以精确、可靠、方便地实现智 能电网电能管理。智能电表除了可以简单的实现电能的分时管理外，同时还可以 成- 口i ，t 理t 人学f 獗i j 学位论文 清楚的分类用户的用电情况。 2 双向通信 双向通信功能也是智能电表的丰要功能之一。智能电网与智能电表之间的数 据传输和发送主要通过远程通讯来完成，目前，远程通讯的方式主要有四种： r s 4 8 5 通讯方式、无线网络通讯方式、有线网络通讯方式和电力线载波通讯方式。 因此，作为智能电网的主站一智能变电站，除了能够接收智能电表发送出的用电 信息外，还能够通过远程通讯向智能电表发送出调控信息。随着未来的三网融合 的发展，将会为智能电表的通讯提供更大的方便。 3 控制功能 智能电表除了具备传统的电能表和多功能式电能表的基本功能外，它还具备 了这些电能表所无法企及的对智能家居设备的控制功能，因此，控制功能同时也 是智能电表的重要功能之一。 智能电表内部带有微控制器单元，它带有多个强大的多功能的i 0 端口，可 以对接更多的外部设备。通过双向远程通信的功能，用户可以在外地通过移动通 讯设备或计算机网络实现对家里的各种智能家居设备的远程遥控和遥测。 智能电表的m c u 可以带有强大的i o 接口，使得它可以与更多的外部设备 对接。借助远程通信的功能，用户在异地通过计算机网络、移动通讯设备对自己 家早的各类智能化用电设备进行远程遥控、遥测将会变成现实。同时，当用户安 装了智能安全系统以后，智能化安全系统还可以通过智能电表的远程通讯功能， 将智能家居设备的报警信息和监控信息发送给用户，这样，用户就可以实现对智 能家居设备的异地监控。同时，智能电表的功能也在不断的扩充和完善，将来的 智能电表就会成为一个智能化住宅的控制中一t l , ( 图1 i ) 。 鬻产霹 琏聪嘴掰、0 鬃譬 缈 蒋麟 刊盒愚叫 糟邕霪鳖0 图1 - 1 智能电表的应用 _ 峻 第1 帝绪论 1 3 国内外智能电表的研究现状 1 美国的智能电表现状 2 0 0 9 年1 2 月，美国a d i 公司宣布推出四款高精度电能计量i c ，型号为 a d e 7 8 7 8 、a d e 7 8 6 8 、a d e 7 8 5 8 及a d e 7 8 5 4 ，可用于提高商业、工业及住宅智 能电表的精度和性能，可同时测量无功和有功功率。此外，其中一款产品还具备 基波电能测量功能，这对电能质量监测而言至关重要。这四款产品除了能测量每 个相位和零线电能之外，a d e 7 8 6 8 及a d e 7 8 7 8 还能监测电能质量参数，如s a g 、 峰值、周期、角度测量及相序等。另外，a d e 7 8 6 8 和a d e 7 8 7 8 具备各种防窃电 功能。 美国的飞思卡尔半导体公司在充分研究中国国网新标准有关单相电表设计 要求的基础上，推出了m z 系列8 位微控制器( m c u ) 芯片，集成了6 0 k b 、9 6 k b 或1 2 8 k b 闪存，提供6 4 引脚l q f p 封装。m z 系列微控制器还提供3 2 位处理器 芯片，集成2 5 6 k b 闪存。 2 欧洲的智能电表现状 荷兰的恩智浦半导体公司根据智能电表的发展蓝图，推出了基于a r m c o r t e x 内核的m c u 解决方案l p c i 7 0 0 系列方案。l p c i 7 0 0 在智能电表系统 中的应用主要包括三相( 多功能) 表、单相( 复费率多功能) 表和多功能终端。 n x p 的智能电表方案中，可采用非接触式i c 卡实现预付费功能，同时还具有防 窃电功能，且外围电路采用了优化设计。 3 德国的智能电表现状 西门子的a m i s ( 自动抄表信息系统) 除了可以实现德国全电网范围内的数 据采集外，还可以实现电力公司和用户之间的远程通信。目前，德国实现智能电 网和智能电表的远程通讯方式主要有四种：电力线载波通讯、无线电通讯、互联 网通讯和本地交换通讯。自动抄表信息系统通过基于b l a c k f i n 处理器的智能电表 设备，不仅可以接收各个家庭的用电情况信息外，还可以接收从发电站到用户的 整个系统的用电信息。 4 我国的智能电表现状 目前，国内的智能电表较以往的传统式电能表，主要是抄表方式和付费方式 上发生了很大的变化，抄表方式和付费方式变得更加便携化和智能化，但还不能 算是真正意义上的智能电表。智能电表中所谓的智能，就是供电企业通过接收用 户的用电信息，实现分类管理后并分析，根据不同的时间段和区域向电网中供给 不同比例的电能数据( 有功电能和无功电能) 。智能电表必须朝着系统化、模块 化、网络化的方向发展。 成都理t 犬学硕l j 学位论文 1 4 本论文研究的内容 本文主要包括以下三个方面的工作： ( 1 ) 智能电表的设计背景、优点及发展现状 本文首先分析智能电表的设计背景，其次讨论智能电表的优点及相关的应 用，最后讨论如何基于国内外的研究现状完成智能电能表的设计。 ( 2 ) 智能电表的硬件和软件实现 分析了智能电表所应该具有的功能，并给出了该方案的总体设计框图；详细 讨论了该电路的核心芯片选取、数据采集电路的设计、通信电路及输入输出系统 的实现并给出了核心芯片m b 9 5 f 4 1 8 的详细参数；使用结构化程序设计手段， 利用单片机c 语言程序实现按键的扫描并处理程序、数据的采集及后续的算法 程序、红外或r s 4 8 5 通信方式的自动抄表程序、c p u 卡的读写操作程序以及段 式l c d 的显示驱动程序。 ( 3 ) 设计的结论分析、不足及未来的展望 阐述了设计的测试结果并对结论进行了分析，给出了设计中的不足之处，并 提出了将来的修改意见及改进之处，最后对智能电能表的未来进行了展望。 4 第2 章总体设计方案 2 1 设计思想 第2 章总体设计方案 智能电表作为智能电网中的智能终端，它不同于传统式电能表，智能电能表 除了具备多功能式电能表和传统式电能表的基本功能以外，为了满足智能电网的 使用和适应新能源的要求，它还具备双向多费率计量的功能、用户控制功能、数 据双向通信功能、防窃电功能等多种智能化功能，因此，它需要功能较强的微控 制器( m c u ) 来对各个模块进行控制和管理。 本次设计采用的是以富士通半导体公司的m b 9 5 f 4 1 8 单片机为主c p u ，来 实现对采集的电能数据进行算法处理，以及按键、显示、外部接口的控制与管理 工作。由于智能电表设计本身对各个任务的时间要求不是太高，且需要大量的 c p u 总线资源和大量的外设驱动模块，而且单片机本身适合用于整个系统的控 制与管理且价格低廉，因此，本文设计了基于单片机的智能电表方案。 2 2 系统设计框图 采用深圳市锐能微科技有限公司生产的高精度电能计量芯片r n 8 2 0 9 进行 两路电流、一路电压和功率数据的采样，c p u 读取采集到的数据进行算法处理 后，送给l c d 显示并作相关的电能累计，同时，可通过抄表机或远程抄表系统 以r s 4 8 5 通信或红外通信的方式实现自动抄表或设表。本设计还具有与接触式 i c 卡通信功能，可根据不同的i c 卡实现购电、参数设置、数据回抄等功能。设 计中采用了e p s o n 公司的r x 8 0 2 5 t 为实时计时芯片，功耗低、精准度高且具 有温度补偿功能，它为电表提供精确的时间基准，且与电表的系统误差、电费结 算、事件记录等都有一定的关联。 本设计采用一片普通的单片机来负责整个系统的管理及数据再处理的工作， 单片机对结果数据进行处理，以及键盘、显示、外部接口的控制与管理。总体设 计框图如图2 1 所示。 。 成都理下大学硕卜学位论文 2 3 主要技术指标 图2 - 1 总体设计框图 ( 1 ) 测量范围：电压：2 2 0 v ；电流：2 0 ( 8 0 ) a 。 ( 2 ) 测量精度：1 0 级。 ( 3 ) 测量功能：可实时在线测量电压、火线电流、零线电流以及有功功率、 电能等数据。 ( 4 ) 自动抄表功能：可通过抄表机或远程抄表系统以r s 4 8 5 通信或红外通 信的方式实现自动抄表或设表。 ( 5 ) 预付费功能：可通过i c 卡实现预付费功能。 2 4 本章总结 本章首先经过多方面的论证提出了本次设计的设计思想，在分析了设计过程 的思路上给出了系统设计框图，最后给出了本次设计的性能指标。 6 第3 章礁件设汁 第3 章硬件设计 这是整个系统的核一t l , 部分，根据系统设计要求，该系统硬件模块设计主要包 括5 个大的部分：单片机系统设计、电源系统设计、电能计量系统设计、通信单 元设计、数据存储及时钟单元设计和输入输出系统设计。下面分别对各部分电路 的设计做详细说明。 3 1 单片机系统设计 3 1 1 单片机的选型 由于富士通半导体公司的单片机总线技术开放，价格低廉，加以之前用过且 比较熟悉，所以选择了该公司的型号为m b 9 5 f 4 1 8 的芯片。 该芯片是富士通半导体公司专为仪器仪表领域设计。它具有以下特性： ( 1 ) f 2 m c 8 f xc p u 内核 最优化的控制器指令集 乘法和除法指令 1 6 位算术运算 位测试分支指令 位操作指令等 ( 2 ) 时钟 可选主时钟源 主o s c 时钟( 高达1 6 2 5 m h z ，最大机器时钟频率为8 1 2 5 m h z ) 外部时钟( 高达3 2 5 m h z ，最大机器时钟频率为1 6 2 5 m h z ) 主c r 时钟( 1 8 1 0 1 2 5 m h z _ - i ：2 ，最大机器时钟频率为1 2 5 m h z ) 主p l l 时钟( 高达1 6 2 5 m h z ，最大机器时钟频率为1 6 2 5 m h z ) 可选副时钟源 副o s c 时钟( 3 2 7 6 8 k h z ) 外部时钟( 3 2 7 6 8 k h z ) 副c r 时钟( 典型值：1 0 0 k h z ，最小值：5 0 k h z ，最大值：2 0 0 k h z ) ( 3 ) 定时器 8 1 6 位多功能定时器2 通道 8 1 6 位p p g 2 通道 1 6 位重载定时器1 通道 事件计数器l 通道 7 成都理t 大学硕卜学位论文 输 时基定时器l 通道 计时预分频器1 通道 ( 4 ) u a r t s i o - 支持时钟异步( u a r t ) 串行数据传输或时钟同步( s i o ) 串行数据传 全双工双缓冲器 ( 5 ) 1 2 c 内置唤醒功能 ( 6 ) 外部中断 边沿检测中断( 可选择上升沿、下降沿或双沿) - 可用于从各种低功耗模式( 也叫做待机模式) 中唤醒芯片 ( 7 ) 8 1 0 位a d 转换器 一可选择8 位或1 0 位分辨率 ( 8 ) l c d 控制器( l c d c ) l c d 输出可选择4 0 s e g 4 c o m 或3 6 s e g 8 c o m 内置分压电阻，可软件选择1 0 k q 或1 0 0 k q 的电阻值 与l c d 模块帧频同步的中断事件 带闪烁功能 倒置显示功能 ( 9 ) 低功耗( 待机) 模式 停止模式 休眠模式 一计时模式 时基定时器模式 ( 1 0 ) i o 口 通用i o 口数( n c h 开漏) ：4 个 通用i o 口数( c m o s i o ) 7 1 个 ( 1 1 ) 片上调试 单线串行控制 支持串行编程( 异步模式) ( 1 2 ) 硬件软件监视定时器 内置硬件监视定时器 内置软件监视定时器 ( 1 3 ) 低压检测复位电路 内置低压检测器 8 ( 1 4 ) 时钟监控计数器 内置时钟监控计数器功能 ( 1 5 ) 可编程端口输入电压电平 c m o s 输入电平迟滞输入电平 ( 1 6 ) 双操作闪存 不同的存储区( 高位区低位区) 可同时进行擦写和读取操作。 ( 1 7 ) 闪存加密功能 保护闪存内的数据 3 1 2 最小系统设计 最小系统包括了主控单元正常工作的所有外围器件，其中包括主芯片、复位 电路、调试电路、时钟源，以及为保证系统稳定运行的电源去耦电容，主控单元 最小系统电路如图3 1 所示。 ( a ) 微控制器m b 9 5 f 4 1 8 9 成都理t 大学硕 - q ：位论文 工1 0 4 ( b ) 复位电路 葛i - - - 1a ：二h 翌工幽叫 ( d ) 时钟源电路 3 2 电源系统设计 图3 - 1 主控单元最小系统电路 ( c ) 调试接u 电路 c 6 1 0 4 = f ( c ) 去耦电容电路 本设计中包括变压器，主要用于将输入的2 2 0 v 交流电转换为三路1 2 v 交流 电，这三路电源分别通过全波整流或半波整流后，经7 8 0 5 或7 8 l 0 5 电压转换芯 片转换为5 v 的直流电源。本设计的电源部分主要分为三大部分：主电源、r s 4 8 5 通信模块供电电源和电能计量模块供电电源。电源系统电路设计如图3 2 所示。 ( a ) 变压器电路 vr e l ( b ) 主电源电路 1 0 k p 第3 章硬件设计 ( c ) 电池供电和非电池供电切换电路 ( d ) r s 4 8 5 通信模块供电电源电路 u 3 2 ( c ) 电能计量模块供电电源电路 图3 - 2 电源系统电路 本系统的主电源主要包括两部分：电池电源供电和非电池电源供电，在系统 正常工作的过程中，系统中所有工作模块的供电电源均是由变压器转换2 2 0 v 交 流电后的电压信号提供，此时系统中网络标号为v d d 和v c c 的位置均有电源， 当电力线上的电源掉电后，此时系统自动切换到电池供电模式，系统中只有供电 电源为v c c 的模块才工作。 3 3 电能计量系统设计 3 3 1 计量芯片的选型 本设计采用深圳市锐能微科技有限公司的高精度计量芯片r n 8 2 0 9 来完成 成都理t 大学硕 j 学位论文 电能的采集及计量功能。在国内推行的智能方案中，大多均是采用r n 8 2 0 9 为计 量芯片。 ( 1 ) 芯片特性 1 ) 计量 一提供三路一a a d c 一有功电能误差在1 5 0 0 ：l 动态范围内 o 1 ，支持i e c 6 2 0 5 3 2 2 ：2 0 0 3 标准 要求 - 无功电能误差在1 5 0 0 ：1 动态范围内 o 1 ，支持i e c 6 2 0 5 3 2 3 ：2 0 0 3 标准 要求 一提供两路电流和一路电压有效值测量，在4 0 0 ：l 动态范围内，有效值误差 = o ，p h s a b = i n t ( 0 0 0 2 0 ) 如果0 1 2 采样频率的干扰性信号没有抑制作用。 8 加权递推平均滤波法 方法是对递推平均滤波算法的改进，即对不同时刻的采样数据附于不同的 权，通常是，越接近当前时刻的采样数据，权的取值就越大。给新采样数据的权 系数若越大，则灵敏度就越高，但信号的平滑度就越低。 该滤波算法的优点是较适于有较大的纯滞后时间常数对象和采样周期相对 较小的系统。但该算法对于采样周期相对较长，变化较缓慢，纯滞后时间常数相 对较小的信号，不能够快速反应当前系统所受干扰信号的严重度，且滤波的效果 较差。 9 消抖滤波法 方法是设置个滤波计数单元，用于将每次的采样数值与当前的有效值进行比 较：采样值等于当前的有效值，则计数单元清零；采样值不等于当前的有效值， 则计数单元就+ l ，同时判断计数单元是否 = 上限n ( 溢出) ，若计数单元溢出， 则用本次值代替当前的有效值，并清楚计数单元。 该滤波算法的优点是对于变化相对缓慢的待测数据有比较好的抑制效果，可 用于在临界数值附近控制单元的反复开关跳动和显示器上的数值抖动。但该算 法不适用于变化快速的参数。 l o 限幅消抖滤波法 方法相当于前面介绍的“限幅滤波算法+ “消抖滤波算法”，先限幅处理 第5 章关键技术分析 后消抖处理。 该滤波算法的优点集成了限幅和消抖得优点，同时也改进了消抖滤波算法中 的一些缺陷，避免了将干扰信号导入系统。但该算法不适用于变化快速的参数。 5 2 2 软件滤波设计 本系统中用到的软件滤波算法主要是算术平均滤波法和消抖滤波法。 系统中的交流掉电检测、电池电量检测和r n 8 2 0 9 的软件校准这块均采用 了算术平均滤波算法，可有效提到采样的精确性和校准的精度。 另外，系统中的按键操作检测和插卡操作检测采用的是消抖滤波算法，对于 误操作和系统的误判断都有很大的改进。 成都理t 大学硕l ：学位论文 第6 章测试误差分析 6 1 误差定义和精度等级的划分 6 1 1 测量误差的分类 按照测量误差的表示方法，把误差可以分为绝对误差与相对误差。描述电工 仪表的准确度的等级，是用引用误差来表示的；而电能表在校验时的误差是以相 对误差来表示的。 按照误差的来源、性