（机械设计及理论专业论文）基于低压电力线载波和gprs的集抄系统研究.pdf

摘要 将个人用户的电表、水表、燃气表数据实现远程集中式管理的自动抄表系统 a r m s ( a u t o m a t i c m e t e r r e a d i n gs y s t e m ) ，以其高效、便捷的智能化管理特点， 在中国当前持续的城镇住宅建设的热潮中正得到日益广泛的应用。水、电、气三 表自动抄表系统方案很多，其中，低压电力线载波技术使得自动抄表系统利用现 有的低压电力线作信息传递的传输介质，省去了类似r s 一4 8 5 集抄方式所需的大 量铺线工程，是一种非常经济和便利的集抄方式；而g p r s 技术以其永远在线和 数据流量记费的特点，使得集抄系统的数据可以接入i n t e r n e t ，实现广域范围 的集中管理和控制。 本系统采用基于电力线载波和g p r s 接入i n t e r n e t 的技术，分上下两级为实 现广域范围用户三表数据的集中管理和控制作了探讨研究。第一级是在住宅区的 局域范围内，实现区内同变压器下各住户三表数据到集中器的数据集中。住户 家中，在对传统的水、气表进行低功耗远传改造后。水、气采集的数据经2 0 m a 电流环路连接电能表。以电能表系统为中心，通过其载波接口，三表数据以低压 电力载波方式传输到区内集中器。第二级是在广域范围上，将各个集中器的数据 接入i n t e r n e t ，实现三表数据的远程管理。住宅区内集中器一方面利用载波接 口接收住户的数据，另一方面利用g p r s 接口将集中的数据传送到i n t e r n e t 上。 管理中心软件从i n t e r n e t 获取用户的数据并将之集中管理，同时又可将控制命 令传送到各个用户的计量终端，实现集中控制。 本课题的研究可以说明基于低压电力载波和g p r s 技术的三表集抄系统是可 行的和有效的，它将代表着抄表技术的发展的新趋势。 在课题的研究中还存在许多的问题需要进一步的改进和完善。 关键词：自动抄表系统，低压电力线载波，单片机，采集器，集中器，g p r s t h ed e v e l o p m e n to fa m r sb a s e do nl o wp o w e rl i n ec a r r i e r a n dg p r s a b s t r a c t w i t ht h ee x c e l l e n c eo fg r e a te f f i c i e n c ya n dc o n v e n i e n c ei ni n t e l l i g e n t i z e d m a n a g i n gd a t af r o mu s e r sp o w e rm e t e r ，w a t e rm e t e ra n dl p gm e t e r ，a u t o m a t i c m e t e rr e a d i n gs y s t e m ( a m r s )i sb e e n i n ga p p l i e dm o r ea n dm o r ew i d e l yi n c o n t i n u a lu p s u r g eo fs e t t i n gu pb u i l d i n g si nc h i n a sc i t yc u r r e n t l y a m r sh a sm a n y d i f 诧r e n tk i n d so fs e h e m e ，t h e f e i n t o ，m et e c h n o l o g yo fl o wp o w e r1 i n ec a r r i e r e n a b l e sa m r st om a k eu s eo fe x i s t i n gl o wp o w e rl i n en e t w o r ka sc o r r e s p o n d i n g m e d i u mt ot r a n s m i ti n f o r m a t i o n i tc a ns a v es om u c hw o r ko fp a v i n gl o t so fl i n e so f c o m m u n i c a t i o nl i k er s 4 8 5t h 砒i ti sr e g a r d e da sav e r ye c o n o m i c a la n dw e n - s u i t e d m e t h o do fc e n t r a l i z e dr e a d i n gs y s t e m b e s i d e s ，b yr i g h to ft h es p e c i a l i t yo fo n l i n e f b r e v e ra n dc h a r g eo nd a t an u x ，t h et e c h n o l o g yo fg p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i o s e r v i c e ) c a nm a k ea m r sc o n n e c ti n t oi n t e r n e ta n dc o m p l e t ec e n t r a l i z e d m a n a g e m e n ta n dc o n t r o l i nv e r yw i d ea r e a b a s e do nt h et e c h n o l o g yq fl o wp o w e rl i n ec a r r i e ra dg p r sc o n n e c t e di n t o i n t e r n e t ，t h i ss y s t e mi ss t u d i e ds y s t e m a t i c a l l ya sa m r sw h i c hi sm a d eo ft w os t e p s o ft r a n s m i t t e ds y s t e mt oc o l l e c ta n dt 豫n s m i td a t ao fu s e r st h r e em e t e r si nw i d ea r e a t h e 矗r s ts t e po ft r a n s m i t t e ds y s t e mi si nt h es m a l lr a n g eo fu s e r sb u i l d i n g ，w h i c h c a nc o m p l e t ec o l l e c t i n 2d a t af r o ma nm e t e r si nt h es a m et r a n s f o r m e r i nu s e r sh o u s e ， a f t e rh a v i n gb e e nr e d e s i g n e dw i t ht h ee m p h a s e so nl o wl e v e lp o w e ri n s t e a do ft h e o l do n e s ，w a t e rm e t e ra n dl p gm e t e ra r ec o n n e c t e di n t ot h ep o w e rm e t e rv i a2 0 m a c u r r e n tl o o p t h ep o w e rm e t e ri sd e s i g n e dt oh a v et h ec a r r i e ri n t e r f a c et h r o u g hw h i c h t h et h r e em e t e r sd a t ai st r a n s m i t e di n t ot h ec o n c e n t r a t o rb yt h ew a yo fl o wp o w e r l i n ec a r r i e r t h es e c o n ds t e po ft r a n s m i t t e ds y s t e me x i s t si nw i d ea r e aa n dm a k et h e d a t ao fa l lo fc o n c e n t r a t o r sf h d md i f f 色r e n tr e s i d e n t i a la r e ac o n n e c t e di n t oi n t e r n e t t h ec o n c e n t r a t o ri nr e s i d e n t i a la r e ao no n eh 8 n dr e c e i v e sd a t af t o mu s e r sm e t e r sv i a c a r r i e ri n t e r f h c ea n do nt h eo t h e rh a n dt r a n s m i t st h ed a t ai n t oi n t e r n e tv i ag p r s i n t e r f h c e t h es o f t w a r ei nt h ec o n t l 。o ic e n t e r c a t c h st h ei n f b r m a t i o no fa l lu s e r s m e t e r so fd i s t a n c e 口l a c ef r o mi n t e r n e ta n dd e a l sw i t ht h a t a tt h es a m et i m e ，i ta l s o c a nt r a n s m i tt h ec o n t r o lc o m m a n dt oa l lk i n d so fm e t e r sa n dm a k ea m r sh a v et h e f h n c t i o no fc e n t r a l i z e dc o n t r o l - t h er e s e a r c ho ft h i ss y s t e mp r o v et h a ta m r sb a s e do nt h et e c h n o l o g yo fl o w d o w e rl i n ec a r “e ra n dg p r si sf e a s i b i ea n de f 诧c t i v ea n di tw i l ls t a n df o r t h en e w d e v e l o d m e n td i r e c t i o no fa m r s d u r i n gt h er e s e a r c ht h e r ea r es o m e 口r o b l e m sw e r ef o u n dn e e d e dt ob ei m p r o ”d a n dc o n s u m m a t e df h r t h e r k e y w o r d ： a m r s ， l o w p o w e rl i n ec a r r i e r ， m i c r o c o n t r o l l er ，c o l l e c t e r ， c o n c e n t r a t o r g p r s 致谢 论文的完成离不开导师陈惠明老师的精心指导。我有幸聆听导师 教诲三载，于专业与做人方面均受益良多，在此，谨向导师陈惠明老 师致以诚挚的谢意! 在今后的人生旅途中，我将时刻牢记导师的教诲， 不断鞭策自己努力前行! 特别感谢陆荣缢老师，陆老师渊博的专业知识和丰富的实际经验 给我深刻印象。在论文的立题、框架以及实际的软硬件的调试中都得 到了陆老师悉心指导。同时，在生活上也给予了许多的支持和鼓励， 在此向陆老师表示万分的感谢和敬意! 非常感谢陈宁老师的关怀和指导，也感谢机电自动化教研室各位 老师的帮助和支持。 感谢师弟硕士研究生吴强、华江锋、戴松新的帮助与支持! 最后要感谢我的父母和姐姐，没有你们的默默的祝福和支持，我 将失去所有生活的动力源泉! 我为有您们的帮助而自豪，我将在您们 的目光中继续前行! 把小小的一声感谢说给自己，“谢谢，加油! ” 程杰 2 0 0 4 年6 月于南京 第一章引言 1 1 课题研究的目的及意义 随着社会的不断发展，服务意识的不断提高，公共事业收费实现网络化、智 能化的呼声越来越高，特别是住宅小区，将个人用户的电表、水表、煤气表，实 现远程集中式抄表系统a m r s ( a u t o m a t i cm e t e rr e a d i n gs y s t e m ) ，形成家庭智 能化管理，提高物业管理水平，减少劳动强度是未来发展的必然选择。目前我国 的计量表具( 包括水表、电表、燃气表、热水表等) 的抄表收费方式基本上还是 落后的手工操作，不仅劳动强度高，效率低，而且差错率和人为误差高。随着经 济的发展，抄表收费的工作量急剧增加，在管理上迫切需要一种先进的自动化的 抄表收费方式来替代落后的手工操作，以提高管理的现代化水平 自动化抄表的核心问题是计量表的数据通讯问题，目前有多种方案可供选 择，包括总线、载波、无线等通讯方式，但无论何种方案，有一个共同点就是要 用电而供电网本身就是一种网络资源，只要解决了技术问题，就可利用现有的 电力线资源实旌通讯，完成抄表和控制工作。既可省去繁杂的施工布线，又可减 少日后的养护工作，为自动化抄表和监控提供了极佳的选择。低压电力线载波通 讯技术正是基于这一思想，以发达的低压电网作为数据传输通道，实现用户多种 计量表数据( 如水、电、气) 采集点到集中点之间的数据通讯和信息交换，在经 济性、便利住等方面具有其他通信方式( 如r s 4 8 5 ) 无可比拟的优势。 另外，随着无线通信数字网络的发展，无线远程自动抄表已成为未来集抄发 展的必然趋势。无线移动通讯网络g s m 的发展，特别是g p r s 的出现为工业自 动化设备的上网提供了新的手段。通过g p r s 服务设备可采用互联网i n t e r n e t 的 服务与在互联网上的数据中心交换数据。g p r s 具有以数据流量计费、覆盖范围 广泛、数据传输速度更快的特点，是目前解决移动通信信息服务的一种较完美的 业务。g p r 8 的推出，为行业和企业用户开展无线办公提供了基础设施平台，为 推动移动办公的应用和发展创造了有利条件。与有线网络相比，g p r s 网络具有 租用费用低、移动办公，不受地域制约等优点。g p r s 的出现为企业和行业用户 开展无线办公提供了一种新的选择。自动抄表系统利用g p r s 无线数字网的通讯 方式，将集中数据与远程管理中心连接，构成远程用户数据抄收、存储分析、结 算和控制的分布系统。实现正真的管理自动化。 1 2 国内外研究动态和趋势 集中抄收系统是国外近几年发展起来的一门新技术。在一些国外发达国家已 实现了抄表自动化、银行联网付费的功能。这些系统内部的信号采集多利用专用 接口，如l o n w o r k s 、c a n 、r s 4 8 5 、m b u s 等数据采集线路，布线系统一般都 存在成本高、安装施工繁杂的困扰。国外有的地区也有使用无线抄表功能，无线 抄表省去了布线施工的工作，但整个系统成本偏高，在中国不易推广。在低压载 波抄表技术方面，以色列、美国、德国的技术起步较早，其技术是在国外低压电 力网结构下形成的。因为国外的低压用户网是根据其居民分散式居住环境而设计 的，一般来说，是一个变压器只带一户或几户居民住宅，所以低压电力网特性很 规范，干扰小，载波通信容易实现。载波抄表技术仅采用一般的通信技术就可以 实现，用不着像神经元网络等这类高深的技术。9 6 年以色列产品在中国试装， 由于抄表率很低而退出中国市场，而东南亚等一些与中国住宅相类似的国家和地 区又没有这种技术，因此基本上发达国家的载波抄表产品不适应中国的低压电力 线网。所以目前只有中国的低压电力载波抄表技术才能适合中国和东南亚的电力 线网。中国的低压电力线载波抄表技术采用的是扩频技术和其它网络中继技术相 结合的技术，这样的抄表系统在国际上是同类产品最先进的。 电力方面远程抄表的研究在国内也比较广泛和深入，有了初步的成果。如： 洪涛、张明君、有杰的远程电量采集p l c 控制系统；徐声敏的电力线扩频 技术在低压远方抄表系统中的研究与应有：熊敏的低压电力载波远程抄表系 统的研究等。供电部门已率先推广使用集中抄表方式，在电表抄收方面先走了 步，而水表和煤气表还仅限于人工上门抄收。近几年也出现了i c 卡式水表、 电表和煤气表。实现先付费后用电功能，但安全性问题依然存在。国内也有三表 合一抄收系统的研究，但主要是使用专用接口布线，其工程量很大，不适宜推广 使用。近几年来由于低压电力线载波技术的日益提高和成熟，国内对载波抄表产 品的需求量日益增加，国家对发展“集抄”在政策上的支持，以及用户对“电能 管理”现代化技术的要求，从事载波抄表的厂家越来越多。但是载波抄表技术难 度还很大，技术上涉及到：通信、电子、软件、自动控制、编码、编程方法、神 经元网络等技术和学科，不是任何一家企业很容易傲到的。虽然出现了1 0 0 多家 载波抄表的企业，但只有少数几家能在技术上基本掌握和实现。大部份企业没有 自主技术，其载波抄表在抄到率上只能达到8 5 9 5 ，这不符合用户或技术的 要求。 中国无线通讯网络发展迅猛，g p r s 无线接入i n t e r n e t 的技术的应用正日益 广泛和深入。g p r s 技术以其覆盖范围广，数据传输快等诸多优点也已被引入到 自动抄表系统中来。 由于现代数字时代的到来，嵌入式系统、计算机和网络的应用在很多领域已 经得到普及，电力及水、气管理也应是这样。远程抄表技术的实现既节省了劳动 力，也减少了由于抄表方式落后而产生的巨大损失。我国是个人口众多的国家， 水电气用量巨大，市场十分广阔，远程抄表技术是一个很有发展前途的研究方向。 1 3 课题研究目标及系统总体方案 1 3 1 课题研究目标 课题目标在于：研究设计一套利用现有低压电力网和中国移动g p r s 网络及 i n t e r n e t 作为通信载体，以m c u 嵌入技术和p c 应用管理技术为技术基础，实现 2 集水、电、气计量表数据抄收和管理等多项功能为一体的软、硬件系统。 1 3 2 系统总体方案 在我国，无论是电能，还是水、气计量方式采取的都是一户一表制，这就决 定了抄表系统主要具有如下两个特点：其一，系统数据采集点多，成千上万，数 据量很大；其二，系统是一个覆盖面很广的通信网络( 采集点具有分散性) 。目 前的远程抄表系统的通信信道主要包括用电管理中心与集中器的通信信道和集 中器与采集器的通信信道。一般来说，几乎所有a m r s 系统的整体都采用分布 式体系结构。这种体系结构分上下两级：第一级是以集中器与采集器之间数据的 采集级，采用总线型结构：第二 级是以电管理中心与集中器之间 的数据传输，采用星型结构。集 抄系统的结构示意图如图1 3 所 示。 第一级数据采集中，在住户 家，水、气表采集器通过2 0 m a 电流环路与电能表连接，这里的 电能表是一个包含了载波、电流 环接口的兼有电能采集的小系 统。住户水、电、气的数据通过 2 2 0 v 电力线载波到住宅区内的 集中器，集中器汇集了住宅区同 一个变压器下所有用户的三表数 据。在硬件上。集中器包含了向 上的g p r s 接口和向下的载波接 口通讯电路。 七 2 2 。”电力氇 罐翌圜 t b 髓裁系媾住户券 图1 3 自动抄表系统结构示意图 第二级数据传输是由中国移动g p r s 、i n t e r n e t 网络和管理中心组成。各个 住宅区的集中器通过g p r s 接口按中国移动数据流量记费方式将数据接入 i n t e r n e t ，管理中心从i n t e r n e t 获取获取各个住户的三表数据，实行集中管理和控 制。 1 4 课题研究的主要内容 1 电能裘 计量表具由电能表、水表和气表三者组成计量终端，它们是集抄系统的基础， 电能表是其中关键设备之一。电能表除了完成用户电能的计算，存储和传输，它 还是第一级数据集中的主体，连接着水表和气表的数据采集器。电能表设计包括 电能测量、存储和显示及主控制电路的软硬件设计和调试。 2 水、气表采集器 传统的水、气表并不具有远传功能，集抄系统需要在传统的表具基础上加装 计量变化装置，将模拟流量转化成数字量存储，然后通过2 0 m a 电流环路与电能 表连接，最后经由电能表的载波接口把流量数据传到数据集中器。这部分包括设 计集数据采集功能的新型水、气表转换设备，这里重点在于硬件电路和软件设计 上的低功耗问题。 3 载波通信接口 低压电力线载波通信接口在电能表和采集器中都有，它实际上是一个电力线 m o d e m 。载波通信接口是实现载波通信关键功能模块，其一方面将数字量的计 量数据转换成模拟量调制到电力线上，另一方面将电力线上的模拟信息解调后转 换成数字量传到控制电路。这一部分包括围绕电力线m o d e m 芯片的滤波、前 置放大、功率放大的电路和控制程序及通信规约的设计和调试。 4 g p r s 无线模块 g p r s 无线模块是以1 6 位微处理器设计的嵌入式系统，它将集抄系统的数 据接入中国移动的g p r s 网络，进而进入i n t e m e t ，实现基于i n t e r n e t 的数据集中 和管理。这个嵌入系统实际相当于一个g p r s 调制解调器，它存在于集中器和管 理中心p c 中。这里的核心是西门子公司的m c 3 5 模块及x 8 6 兼容1 6 位微处理 和g p r s 方面的软件设计。 5 管理中心的软件 中心管理软件要设计友好的用户界面及前后台控制程序，实现水、电、气的 抄收、统计、打印等功能。该套软件一方面在上层与数据库结合，实现浏览、统 计、查询用户计量数据等管理功能，另一方面在底层与g p r s 硬件融合，实现从 i n t e r n e t 接收数据和向集抄设备发送命令。 本系统涉及面非常广泛，包括电子、单片机、计算机和软件以及通信等领域 的专业知识和技术，所需要研究设计工作也非常巨大。作者课题研究重点主要围 绕上述五个方面，就硬件和软件设计实现来展开。 1 。4 课题研究采用的方法 本课题项目属于计算机软硬件结合的自动化、信息化的大系统，每一部分彼 此独立又相互关联，每一个模块研制的好坏直接影响到整个系统的功能实现。模 块化的思想以其诸多优点在工程设计中已经广泛被采用，本系统是以计量、载波、 集中和中心管理四大模块来设计的。这样只要保证每个模块功能能稳定实现，并 做好接口工作。就能够保证整个系统功能的稳定发挥，另外这也为故障定位和系 统的调试带来了极大的便利。 系统的设计总的要求原理正确无误，算法稳定可靠、芯片与电路成熟且具有 一定的先进性。具体的采用了：p r o t e i9 9 s e 设计各个模块的原理图和p c b ： m i c r o c h i 口公司的p i c 系列单片机作电能表和载波接口的控制芯片；使用 m s p 4 3 0 f w 4 2 7 低功耗单片机完成水、气表采集器的设计；以s c l l 2 8 作电力线 4 载波m o d e m 芯片；e t r l 8 6 嵌入式网络模块和西门子的m c 3 5 实现g p r s 无线模 块；系统采用b o r l a n d 公司的d e l p h i 快速开发工具设计集中器应用软件，等等。 无论硬件电路还是软件，反复调试是必不可少的。这几乎占据了研究工作的 大部分时间。 第二章电能表的设计 2 1 电能表的分类及优缺点 电能表是一种能够计算电力能量并将之加以显示、存储和数据传输的仪表。 由于广大居民用电的需要，电能表已经成为一种使用广泛的，但要求计量精确的 商品。目前在中国电能表主要有三种：机械式、机电式和电子式。无论是纯“机 械式”或“机电一体化”电能表，其原理主要通过电磁感应作用产生电磁力矩，推 动电能表圆盘或码盘旋转，获得电能数据。电流的线性度从电压和频率的影响将 直接影响其精度。机械磨损是感应式电能表无法克服的缺陷，磨损的后果是使表 计走慢，那么每年供电部门为此流失的电量势必引起线损上升，造成供电成本增 大。另外，机械和机电电能表设计使用寿命太短，空转、卡字等机械故障引起的 电量丢失更是用电部门“头疼”的事情。所以，随着科学技术的不断发展，目前所 使用的这类电表已不能适应用电客户的需求和电力企业改革发展的需要。这样， 技术含量高，优点多的电子式甚至智能型的电能表也就应运而生，而被电力系统 大力推广使用。 电子式电能表是采用大规模集成电路以及s m t 技术制造的高科技含量计量 装置，它是通过电子电路采样电压和电流，经计算后直接转化为电量。具有准确 性高、功耗小，没有每月1 k w h 的表损；安全性好、不可调，具有防窃电功能； 体积小、重量轻，对高温、污染、振动等外部环境要求不高：尤其是具有传统机 械式电能表无法比拟的优点，即：结构精密，永不磨损，有优良的运行特性以及 具有电脑全自动化抄表、计费、校验等功能。这些功能不但可以提高工作效率和 工作质量，而且还满足供用电双方权利、利益的需求。 目前电能表正朝着自动检测、超低功耗、远传集抄等智能化的方向发展。 2 2 电能表设计原理 本课题设计的电能表由于是从整体系统的方面来考虑，就电能表整个装置来 说其实是一个集电能表功能、水气表数据联接和载波通讯于一体的采集器。因此 本章主要论述其电能表功能模块部分。 电能表主要完成单相电能的计量和显示的任务，同时具有电表精度调校，电 量数据存储功能以及与水气表2 0 m a 电流环路和低压电力线载波的接口。设计方 案采用p i c l 6 c 6 3 作主控制器，以外围的电压及电流的采样电路和a d 7 7 5 5 组成 电能采样模块：a d 7 7 5 5 计量的电脉冲经主控制器运算并作适当的处理后将数据 存入9 3 c 4 6 和驱动显示：主控制器还负责水气表的2 0 m a 电流环路和载波通讯两 个接口的工作。电能表包含有电源电路、电能采集电路、显示电路、数据存储电 路和通讯接口电路。 单相电能表原理框图如图2 1 所示。 6 揪h 伽，黜田vp i s 难 2 3 电源电路 图2 1 单相电能表原理框图 电源是任何电力电子系统的动力之源。民用电能表一般取用单相2 2 0 v 作电 源，但系统的器件一般都工作在5 v 的直流电压环境压，所以电源电路就是将2 2 0 v 交流经降压、整流、滤波和稳压等处理后得到具有一定功率的5 v 电源。该电源 应该具有较为稳定和干扰少的电压，为系统的可靠运行提供有力的保证。事实证 明电源的好坏将直接影响系统能否稳定工作。 电源电路的原理图如图3 2 所示。由图可见，电源分为两个部分。一个是提 供给a d 7 7 5 5 电能采集电路的。电能采集电路具有共模拟地的特性；另一个是提 供给主控制器和其他器件工作的电源。 在电源的入口2 2 0 v 交流端接有v r l 0 1 ，该电阻是一个阻值为2 0 k ，可耐压 4 2 0 v 的压敏电阻。当交流电路中因雷击或其他原因产生的瞬间浪涌电压，电压 一旦超过压敏电阻的额定耐压值，压敏电阻的阻值就几乎为零。这时压敏电阻就 像短路一般，高压不会跨过变压器窜入低压电路，从而保护了系统的安全。在交 流端还接有o 4 7 u f 2 7 5 v 的电解电容，起到滤除高次谐波的作用。在变压器的初 级抽头降压到交流1 0 v 提供给a d 7 7 5 5 ，经l n 4 0 0 7 半波整流和1 2 y 初步稳压后， 再经过r l c 滤波给7 8 l 0 5 。由于a d 7 7 5 5 采集电路需要的功率不大，三端稳压块 7 8 l 0 5 已经能够胜任，另外7 8 l 0 5 形如普通的b j t 三级管，发热量很小，这对电 能表的稳定性非常有益。最后输出的电压还要经过电解电容1 0 v 1 0 0 0 u f 和电容 1 0 4 滤波后才可输出给后续电路。 7 图2 2 电源电路原理图 在主电路的电源部分，变压器降压得到交流1 2 v ，先通过两个电感滤波后 再经b r l 0 2 全桥整流，得到直流+ 1 4 4 v ( 1 2 1 2 ) 。之后又由1 0 4 和2 2 0 0 u f 的 电容滤波得到+ 1 2 v ，这+ 1 2 v 将提供给载波电路中的功率放大器。相对于为a d 7 7 5 5 提供电源的半波整流来说全桥整流，其纹波要小的多。另外在三端稳压块上采用 7 8 系列中的7 8 0 5 。它比7 5 l 0 5 的功率要大的多；最后输出的5 v 电压与电量采集 电路所用的也不一样，前者是共数字地，而后者是共模拟地。 2 4 电能采集电路 2 4 1 有功电能测量的基本原理 电能是功率的积分。功率表达式为： p ( f ) = 矿) ，( f ) 将v ( t ) 和i ( t ) 输入到电子乘法器中相乘，得到一个与功率p 成正比的模拟电压 ( 或电流) ，再经v f 变换变成频率信号f 。，在一段时间t 内计数为n ，便得到 这段时间内的平均功率为n t 。在段长时间t 内测得的电能为： 形= i 坪) 击= i ，o ) 西= 也就是在时间t 内得到计数值n 。 在实际测量中，2 2 0 v 的交流电压和负载上的电流不能直接接入运算，而是 经分压取样得到电压取样v v ：负载电流也须取样，得到电流取样电压v 。，才能 输入。 假设v v 、v 。是工频交流v x 、i x 的取样值，则有： k = e c 乙s i n ( 耐) 巧= 足。，。s i n ( 科+ 矿) 式中：k 一v x 转变为v v 的转换系数： k 。一一i x 转变为v 。的转换系数； 一v x 和i x 之间的相位角； v v 和v 。经乘法器运算产生功率p ： p = k 。u 。s i n ( 耐) 墨，卅s i f l ( 科+ y ) = k p u ，c o s ( 妒) 一k p 明c o s ( 2 耐+ 矿) 式中，k 。= 麒。蜀；c o s ( y ) = 功率因数；u = 幅值为玑的交流电压之有效值： ，= 幅值为，。的交流电流之有效值。 一段时间t 内的电能形为： f 矿= j p 出= j 足p u ，c o y ) 破一j k p u r s ( 2 耐+ y ) 西 = 。矾c o s ( 矿) 第一项为直流成分彪。明c o s ( ，它与视在功率u i 和功率因数c o s ( i f ，) 成正比， 即与有功功率成正比。而第二项是经相乘产生的二倍于被测频率的交流成分 k ，阴c o s ( 2 删+ 缈) 。在集成乘法器中，电压一频率转换器把第一项转换成与其大小 成正比的频率，而把第二项交流成分滤波抑制掉了。 2 4 2a d 7 7 5 5 电能测量电路 a d 7 7 5 5 是美国著 名的a d 公司设计生产 的一种脉冲输出的电 能计量集成芯片，在 恶劣的环境条件下仍 能保持极高的准确度 和长期稳定性。它内 部集成了包含相位校 正、乘法器、数字一 频率转换器、信号处 理电路组成的电能计 量运算的核心电路， 并能将电量以与瞬时 图2 4 1a d 7 7 5 5 功能框图 功率成正比的脉冲输出形式提供给m c u 。a d 7 7 5 5 的内部功能框图如图2 4 1 所示。 a d 7 7 5 5 及其外围电路原理图如图2 4 2 所示。 9 图2 4 2 电能计量原理图 电压取样信号v v 从电阻网络获得，包括r 1 1 2 r 1 2 6 ，经a d 7 7 5 5 的v 2 n 和 v 2 p 引脚输入；电流取样信号v 。由锰一铜分流器和若干电阻、l 1 0 4 、l 1 0 5 两个 电感及电容e l l l ，经v l n 、v 2 n 两引脚输入。c f 引脚输出与有功功率成正比的频 率信号，在锰一铜分流器电阻为3 4 0 u q 条件下，电表常数为3 2 0 0 脉冲k w h ，即 每度电产生3 2 0 0 个脉冲。输出的脉冲不能直接提供给主控制器p i c l 6 c 6 3 ，需要 经过光耦t l p 5 2 卜1 隔离。 电路中电压取样的电阻网设计有可以在校表使用的短接点，通过某些短接电 阻来调整电阻网的阻值。 2 5 存储电路 电能采集的脉冲经过主控制器的运算 后必须实时的存储，否则随着后续脉冲的到 来，电量会不断的计算出来，而主控制器的 寄存器中只能保存当前的电量，并且数据会 很快“冲掉”。存储电路的功能在于不断地 l o 图2 5 19 3 c 4 6 存储电路 保存当前电量的数据以供显示或传输：此外它还需要保存许多经常使用的常量例 如电能表表号等，这些数据在主控制器的程序中都要使用的到。存储电路原理图 如图2 5 一l 所示。 2 。5 1 串行数据存储器9 3 c 4 6 串行e e p r o m 一般分为二线制和三线制，二线制产品用于需要i2 c 总线、有 抗噪声性能、微处理器i o 线受到限制的应用中，或者用于希望用一条指令可将 多个字节存入写缓冲器的应用中。三线制产品用于有限规约要求且采用s p i 规 约、需要有更高的时钟频率要求，或者需要1 6 位数据字宽的应用中。三线制的 e e p r o m 较之二线制的i2 c 总线器件有更高的工作时钟频率和更快的读写性能。 9 3 c 4 6 是采用c m o s 工艺制成的三线制串行e e p r o m 。设计中采用c a t a l y s t 公司s o i c 封装的器件。其容量为1 2 8 8 位，8 引脚，器件可以经受l o o o o o o 次 的写入擦除操作，片内数据保存寿命达到1 0 0 年。采用单一电源( + 5 l o ) v ， 低功耗工作电流4 0 0 u a ，备用状态时只有2 5 u a ；三态输出，与t t l 电平兼容。 9 3 c 4 6 管脚配置如图2 5 中所示 当o r g 接v e c 时存储器为1 6 位结构，o r g 接g n d 时存储器为8 位结构。 9 3 c 4 6 有7 条9 位的指令，指令集如表2 1 所示。 指令开始位操作码地址数据 注释 8 位1 6 位8 位1 6 位 r b d11 0a 6 a 0a 5 a o读地址a n 0 的数据 e r a s ell la 6 a 0 5 a o擦除 n o 的数据 鬻r i t elo ia 6 o 5 on 7 0 08 1 5 o o写数据到 n a o e w e n10 0l l x x x x x1 l x x x x写允许 e w d sl0 00 0 x x x x xo o x x x x写禁止 e r a l10 01 0 x x x x x1 0 x x x x擦除全部的数据 w r a l10 00 1 x x x x x0 l x x x xd 7 d od 1 5 d o把数据写到全部单元 表2 19 3 c 4 6 的指令 2 5 2 主控制器对9 3 c 4 6 的操作 主控制器通过扩展串行数据存储器9 3 c 4 6 完成数据存储。这里采用三线制的 接口方法。主控制器的r b 5 接c s ，当c s 为低电平表示选中9 6 c 4 6 ，c s 脚通过接 5 1 k 的上拉电阻，在平时保持高电平，处于非工作状态。主控制器的r a 5 按时 钟信号s k ，r b 6 接数据输入，r a l 接数据输出。在这三个管脚上产生不同的时序 便可模拟9 3 c 4 6 的指令时序，从而实现数据的读写和擦除。 指令、地址和写入的数据在时钟信号s k 的上升沿时由d i 引脚输入。d o 引 脚除了从器件读取数据或在进行了写操作后查询准备繁忙的器件工作状态外， 平常是高阻状态的。 准备繁忙是开始了一个写操作后选择器件( c s 为高电平) 后，从d o 引脚 读取的用来测定期间工作状态的信号。d 0 为低电平贝f j 表示写操作还没有完成， 当d o 为高电平时则表示器件可以输入下一条指令。此时如果有需要，可以在d i 引脚移入一个高电平，d o 会进入高阻态。d 0 引脚会在时钟的下降沿时进入高阻 态。将呻引脚恢复高阻态是值得推荐在d i 和d o 合用一个i 0 口来读写的应用 中。 如表3 2 ，指令以一个高电平“1 ”为开始位，紧跟2 位的操作码，然后是 存储的地址和数据。 在9 3 c 4 6 的读写中写操作值得注意。写指令时序如图2 5 2 示。 图2 5 29 3 c 4 6 写指令时序 由写指令时序可以看出，在d i 引脚输入完最后一位数据d 0 后，c s 必须从 高电平变为低电平并保持t 。，之后再次变成高电平。d o 在数据输入和c s 保持 t 。过程中一直是高阻态，经过t 。，之后变成低电平。由于e e p r o m 是按位擦写的， 写入数据需要一定的时间，d o 的这段低电平状态就是反映9 3 c 4 6 正在写入数据， 一旦d 0 变成了高电平，则表示数据写入完成。由此通过检测d o 在高阻态之后的 从低电平到高电平的状态就可以判断写操作是否完成。 主控制器对9 3 c 4 6 的写操作流程图如图2 5 3 示。 2 5 3 提高9 3 c 4 6 擦写次数利用率的方法 e e p r o m 是c m o s 的门电路，数据的擦写寿命是有限制的。在某一位上的数据 的改变，例如从“l ”变成“0 ”或从“0 ”变成“l ”，都被视着对e e p r o m 擦写一 次。电能表的设计中，a d 7 7 5 5 输出3 2 0 0 个脉冲作为一度电，每6 4 个脉冲主控 制作一次存储处理。若按常规的方法，即每0 ，0 2 度电9 3 c 4 6 要擦写一次，l 度 电要擦写5 0 次，l o o 万次擦写寿命的e e p r o m 最多也只能存储2 万度电。这显然 与电能表设计的最大电量1 0 万度相差甚远，无法满足要求。擦写1 0 0 万次也只 是e e p r o m 器件理想的擦写寿命，在实际的产品应用中很难达到，面一些早一些 时间出品的器件擦写寿命一般都只有1 0 万次。因此有必要设计一种算法，能够 保证1 0 万度电在9 3 c 4 6 完全的存储。由于9 3 c 4 6 的擦写寿命不会改变。我们只 能寄希望于提高存储位擦写的利用率。 1 2 9 3 c 4 6 有1 2 8 个8 位或6 4 个1 6 位的存储单元， 在程序设计中并没有全部用完，而且编程时对数据的 写入都是在事先定义好的固定单元上频繁地进行。常 规的方法，主控制器在计算到0 1 度电时就向9 3 c 4 6 的一个单元写入一次，这个8 位或1 6 的单元中的一位 或多位也就被擦写了一次，整个器件也算减少了一次 擦写寿命，而可能在离这个单元较远的没有利用的那 个单元上一次都没有擦写过。改进的设计思想是：将 o 1 度的数据不仅仅存储在一个单元上，而是分布在 多个单元上，将对8 或1 6 位的存储位的擦写分摊到更 多位上去，使得平均的存储位在o 1 度电擦写率提高。 设计中，电量在9 3 c 4 6 存储有这样的格式。个、 十位电量高位在前低位在后按b c d 码存在个8 位的 单元中，同样的方法下一个单元存百、千位的数据， 接着是万、十万位( 本设计中到万位止) 。存储个位和 十位数据的单元最少是1 度电擦写一次，存储更高位 单元擦写次数的频率就更低，关键的是0 1 度的数据 存储方式。常规的方式是将o 1 度电也按上面的方法 存在一个单元上，而改进的方式是将o 1 度电的数据 的存储扩展到l o 个8 位的单元中。假设这l o 个单元 的地址是0 0 h 0 9 h ，每一个单元初始值写入o l h 。若 某一个时刻电量刚好为整数，当再来6 4 个脉冲，即 o 0 2 度电后，0 0 h 地址单元的数据左移一位，由原来 图2 5 39 3 c 4 6 写操 作程序流程图 的“o o o o o o o l ”变成“0 0 0 0 0 0 l o ”，其他0 1 h 0 9 h 地址单元的数据不变。再来 o 0 2 度电，0 0 h 地址单元的数据再左移一位，依次左移5 次，累计存储了o 0 2 5 = o 1 度电。这个时候0 0 h 地址单元的数据的d 5 位变成了l ，每一位的值都 只变化了一次。紧接着下一6 4 脉冲到来后，0 l h 地址单元的数据就像0 0 h 地址 的一样进行左移，直到d 5 位变成了1 ，又累计了0 1 度。0 2 h 0 9 h 地址单元也 都像0 0 h 地址的一样。当所有的这1 0 个地址单元的数据的d 5 位都变成了1 ，即 表示已累计存储了0 1 1 0 = 1 0 度，个十位电量地址单元的数据便需要按b c d 码加l 。同时这1 0 个单元又要还原到初始值o l h 。在程序设计中，先依次从o o h 到0 9 h 地址单元查找哪个单元的数据在d 5 位是l ，当前电量的小数位就是o 0 2 单元地址的序号。例如0 6 h 地址单元的数据在d 5 位是1 ，则当前电量的小数 就是0 0 2 6 = o 1 2 度。接下了的o 0 2 度存储只用将0 7 h 地址单元的数据左移 一位即可。 o o h 至0 9 h 每个单元在o 1 度的存储过程中前6 位每一位都只改变了一次， 在最后还原成初始值时有一些位再改变了一次，因此9 3 c 4 6 在存储1 度电过程中 只擦写了2 次。按照这种算法存储1 0 万度电9 3 c 4 6 只用擦写2 0 万次，这对于 l3 1 0 0 万次的器件来说已是非常安全的了。 2 6 主控制和显示电路 2 6 1 主控制器 主控制器是电能表的最关键的处理器，是指挥电能表正常运转的神经中枢。 设计中采用的主处理器是m i c