（机械设计及理论专业论文）远程集中式自动抄表系统研究.pdf

摘要 伴随着我国人民生活水平的提高，物业管理水平的发展，给水、电、气表的抄收工作 提出了新的要求。为了满足市场的需求，弥补当前抄表系统的缺陷，提出了自动抄表系统 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 ) 的研究课题。 本课题所设计的自动抄表系统采用了现场总线技术、低压电力线载波通信技术和 g p r s 无线通信技术，该系统主要是由计费终端( 水、电、气表) 、数据采集器、数据集 中器和数据中心等几个部分组成。课题重点研究了计费终端、低压电力线载波模块和数掘 管理中心的设计，并制定了相关的通信协议。 在自动抄表系统中，数据通信是非常重要的一个方面。在课题的设计中，根据实际情 况把数据通信分为两层，第一层是计费终端与数据集中器之间的通信，其中包括了两个 部分的数据通信：一是计费终端到数据采集器之间的r s 4 8 5 通信，另一个是数据采集器 与数据集中器之间的低压电力线载波通信；第二层是数据集中器与远方的数据中心之间 的g s m g p r s 通信。课题中的这些通信方式的选择是在保证系统的稳定性、准确性的前 提下，使得系统达到了最优选择。 在电能表的设计中，增加了“欠费断电”的功能，这是提高物业管理水平的一个非常 重要的手段。在水表和燃气表的设计中，采用了超低功耗的单片机m s p 4 3 0 f w 4 2 7 作为主 控制器，其中s c a ni f 模块的设计是很重要的，它能够测量自来水的流量或者燃气的用 气量。此外，在低压电力线载波通信中，存在着通信传输距离有限的问题。若数据采集器 与数据集中器之间超过载波通信的有效距离时，通信就不能够成功，对此本课题提出了“虚 拟中继”的解决办法。 本课题所设计的自动抄表系统已经在实验室调试成功，达到了系统的设计目标，整个 自动抄表系统具有经济实用、抗干扰能力强、可靠性较好、精度高等特点。 关键词：自动抄表系统；低压电力线载波通信；g s m ，g p r s 网络 虚拟中继；数据中心 a b s t r a c t w i t ht h ea d v a n c eo fp e o p l e ss t a n d a r do fl i v i n ga n dt h ed e v e l o p m e n to ft h es t a n d a r do f r e a l t ym a n a g e m e n t ，t h e s eb r i n gf o r w a r dn e wd e m a n d so fp o w e rm e t e r , w a t e rm e t e ra n dl p g m e t e r st r a n s c r i p t i o n f o rt h es a k eo fs a r i s l y i n gr e q u i r e m e n to fm a r k e t sa n dm a k i n gu pt h e l i m i t a t i o no fc u r r e n tm e t e rr e a d i n gs y s t e m ，t h et h e s i sa d v a n c et h ei n v e s t i g a t i v et a s ko fa 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 ) t h ed e s i g no fa m r sa d o p t st h et e c h n o l o g yo ff i e l d b u s ，t h ec o m m u n i c a t i o no fl o wp o w e r l i n ec a r r i e ra n dg p r sa n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n n l es y s t e mi n c l u d e sm e t e rt e r m i n a l ( p o w e r m e t e r , w a t e rm e t e ra n dl p gm e t e r ) ，d a t ac o l l e c t i o no r g a n ，d a t ac o n v e r g e n c eo r g a na n dd a t a c e n t e r t h et h e s i si n v e s t i g a t e st h ed e s i g no ft h ed a t ac e n t e r , t h em o d u l eo fl o wp o w e rl i n e c a r t i e ra n dt h ed a t aa d m i n i s t r a t i o nc e n t e r ，t h et h e s i sa l s oc o n s t i t u t e st h ec o r r e l a t i v e c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l s i nt h es y s t e mo fa m r s ，d a t at r a f f i ci saa l l i m p o r t a n to fa s p e c t i nt h ed e s i g no ft h e s i s ， b a s e do fp r a c t i c ec o m p l e x i o n ，t h ed a t at r a f f i cd i v i d e si n t od o u b l ef l o o r s t h ef i r s tf l o o ri st h e c o m m u n i c a t i o no ft h em e t e rt e r m i n a la n dt h ed a t ac o n v e r g e n c eo r g a n ，t h i sc o n s i s t st w op a r t i a l d a t at r a f f i c s ：o n ei sr s 4 8 5c o m m u n i c a t i o nw h i c hi s 矗o mt h em e t e rt e r m i n a lt ot h ed a t a c o n v e r g e n c eo r g a n ，t h eo t h e ri st h ec o m m u n i c a t i o no fl o wp o w e rl i n ec a r r i e rb e t w e e n t h ed a t a c o l l e c t i o no r g a na n dd a t ac o n v e r g e n c eo r g a n n l es e c o n d l yf l o o ri st h eg s m g p r s c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nd a t ac o n v e r g e n c eo r g a na n dt h ed a t ac e n t e ri nd i s t a n c e t h ec h o s e no f t h e s ec o m m u n i c a t ef a s h i o n si nt h et h e s i sb a s e dt h ep r e c o n d i t i o no f s t a b i l i t ya n dv e r a c i t yo f t h e s y s t e m ，m a d et h es y s t e ma c h i e v e dt h eb e s tc h o s e n i nt h ed e s i g no ft h ep o w e rm e t e ri n c r e a s e saf u n c t i o n ，w h i c ht h ec o n s u m e rw o u l db e t u r n e do f fa l lt h ee l e c t r i c i t yf o rf a i l i n gt op a yt h em o n e yt h eo w e d ，t h i si sav e r yi m p o r t a n t m e t h o dt oa d v a n c et h es t a n d a r do fr e a l t ym a n a g e m e n t i nt h ew a t e rm e t e ra n dt h el p gm e t e r , t h et h e s i sa d o p t st h em s p 4 3 0 f w 4 2 7s c mb yw a yo f t h ec o n t r o l l e r , t h es c mh a st h eu l t r al o w p o w e r n l em o d u l eo fs c a ni f sd e s i g ni si m p o r t a n t t h em o d u l ec a nm e a s u r et h ef l u xo ft a p w a t e ro rt h eg a s f i r e dt o l e r a n c e i na d d i t i o n i nt h ec o m m u n i c a t i o no fl o wp o w e rl i n ec a r t i e r e x i s t st h ep r o b l e mo ft h et r a n s m i a e dd i s t a n c eo fc o m m u n i c a t i o n i ft h ed i s t a n c eb e t w e e nt h e d a t ac o l l e c t i o no r g a na n dd a t ac o n v e r g e n c eo r g a ne x c e e d st h ee f f e c t i v ed i s t a n c eo ft h ec m r a e r c o m m u n i c a t i o n t h ec o m m u n i c a t i o nw i l ln o tb es u c c e e d ，w i t h a lt h et h e s i sb r i n g sf o r w a r dt h e r e s o l v ew a yo f “d u m m y r e l a y ” t h ea m r sw h i c hi sd e s i g n e di nt h et h e s i sw a sd e b u g g e ds u c c e e d a b l yi nt h el a b a n dt h e a m r sa c h i e v e dt h ea i mo fd e s i g n t h ea m r si sp r o v i d e dw i t ht h ec h a r a c t e r i s t i ce c o n o m ya n d p r a c t i c a l i t y , t h eb c t t e ra b i l i t yo ft h ea n t i - j a m m i n g ，t h ep r e f e r a b l yo fd e p e n d a b i l i t ya n du p p e r p r e c i s i o n k e yw o r d s ：a m r s ；t h ec o m m u n i c a t i o no f l o wp o w e rl i n ec a r t i e r ；n e t w o r ko f g s m g p r s d u m m yr e l a y , d a t ac e n t e r 致谢 y 9 0 6 3 8 3 在论文的完成之际，我要特别感谢我的两位导师张建红研究员和陆荣镒老师。在三年 的求学历程中，有幸得到两位导师的关怀和指导。 论文的完成离不开导师张建红研究员的精心指导，我有幸聆听导师的教诲，于专业与 做人方面均受益良多，在此，谨向导师张建红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。 特别要感谢陆荣懿老师，论文是在陆老师的悉心指导下完成的，从论文的选题、构思 到方案的确定。陆老师渊博的专业知识、严谨的治学态度、求真实务的工作作风给我以深 刻的影响，陆老师在很多方面给了我引导，使我在以后的学习工作中受益匪浅! 感谢自动化教研室各位老师曾经给予的无私的帮助。 感谢师弟研究生何旭平、吴富民在课题的攻关阶段给予的帮助和鼓励，感谢各位同窗 好友在三年的求学生活中给予的关心和支持。 最后，我要感谢我的家人和女朋友，在我的求学期问给予的无尽的关怀和支持，你们 的亲情是我不断前进的动力，促使我更好的投入到学习和研究工作中去。我将在你们的关 怀下继续前进! 作者：戴松新 2 0 0 6 年4 月于南京林业大学 第1 章绪论 1 1 课题的研究目的与意义 随着我国经济的快速发展，人民生活水平日益提高，城市住宅建设日益发 展，住宅商品化的发展，独立电能表、水表和燃气表的数量迅速膨胀，多种电价 制度开始推行，抄表计量工作日趋复杂，传统的人工抄表方式存在的弊端越来越 突出，已难以适应新的变化。传统的人工抄表方式是人工入户抄收，存在入户难 的问题，并且伴随住宅商品化的发展，水、电和燃气表的数量庞大，使得人工抄 表方式的抄表劳动强度增大，增加人工是解决这种困境的一种方法，但是这又带 来了水、电和燃气管理部门的管理费用大副提高，并给管理部门带来严重的负担。 此外，传统的抄表方式的效率低、差错率高，给电力公司、燃气公司和自来水公 司都带来了很大损失。因此，为了提高物业管理水平和工作效率，减少劳动强度， 自动抄表系统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 ) 正被提上日程。 自动抄表系统是指采用通讯和计算机网络等技术自动读取和处理表计数据 的一项新技术。发展水、电和燃气三表集中式自动抄表技术是提高物业管理水 平的需要，也是网络和计算机技术迅速发展的必然需要。采用自动抄表技术，不 仅能节约人力资源，更重要的是可提高抄表的准确性，减少因估计或誊写而造成 账单出错，使相关管理部门能及时准确获得数据信息，由于用户不再需要与抄表 者预约上门抄表时间，还能迅速查询账单，故这种技术越来越受到用户的欢迎。 随着电价的改革，供电部门为迅速出账，需要从用户处尽快获取更多的数据信息， 如电能需量、分时电量和负荷曲线等，自动抄表为实现上述需求提供了切实可行 的技术手段。 1 2 国内外研究现状和动态 在国外，自动抄表系统的技术发展比较早，欧美等国在上个世纪七、八十年 代开始试验探索自动抄表技术，7 0 年代美国在引进欧洲音频电力负荷控制系统 的基础上开发研制了负荷监控及抄表系统，8 0 年代，以色列研制成功低压电力 线载波集中抄表技术，九十年代初自动抄表技术逐渐成熟，在世界各地得到了迅 猛的发展【2 】。2 0 0 2 年全球部分国家和地区的a m r 数据如下：北美l8 0 0 万单元， 欧洲1 7 6 万单元，日本5 9 万单元等等1 3 1 。 在这类系统中具有代表性的是英国远程自动抄表公司开发的电力线载波通讯系 统p o w e r n e t 该系统具有自动抄表( a m r ) 用户管理( d s m ) 和配电自动化( d a ) 等 功能，它包括中央控制器、局域控制器、网络耦合器、调制解调器、数据集中器 和专用电度表等近年来，美国、以色列、德国和英国的科技人员一直从事这方 面的技术研究与开发h 。 9 0 年代初，自动抄表技术被引进到中国，早期的a m r 系统主要用于大电网 的电能量考核结算。中国电力科学研究院自1 9 9 7 年开始研究电力线载波通信 p l c ( p o w e rl i n ec a r r i e r ) 技术，主要考虑p l c 技术用于低压抄表系统，1 9 9 8 年开发出样机，并通过了试验室功能测试，1 9 9 9 年在现场进行试运行，获得了 产品登记许可。1 9 9 9 年5 月开始进行p l c 系统的研究开发工作。主要对我国低 压配电网络的传输特性进行了测试，并对测试结果进行了数据处理和分析，基本 取得了我国低压配电网传输特性和参数，为进行深入研究和系统开发提供依据。 经过近十年的发展，a m r 技术在中国得到一定的应用，各种高水平的a r m 技 术和系统的研究，已成为各个a m r 系统生产企业和科研机构竟相追逐的热点。 当前各种a m r 基本上都是采用两层的数据通讯手段，自动抄表系统的底 层( 数据采集器到集中器) 数据信号通讯主要是采用l o nw o r k s 、r s 一4 8 5 、c a n 等总线方式、低压电力线载波方式和无线通讯等方式。自动抄表系统的上层( 即 从集中器到远程数据中心) 通讯方式主要有公共服务电话网( p s t n ) 、i n t e r n e t 、 光纤和综合布线、无线通信( 中国移动通信g s m s m s ) 暑1 1 卫星通信等方式。在 底层通信方式中，l o nw o r k s 、c a n 等现场总线方式的布线麻烦、成本太大， 无线通信也存在成本高的问题，相对于这些通信方式而言，采用低压电力线载 波则具有它的先天优势，只要解决相关的技术性问题，它的成本将是最低的。 因为低压电力线网络几乎是一种天然的网络，利用现有的电力线作为通信介 质，进行远程抄表和实时监控是一种高新技术，它的研究成功不仅可以替代人 工日常抄表工作，提高工作效率，减少人为差错，加强用户管理，而且能够实 现远程监控管理工作的全面自动化，是电力部门实现远程自动抄表的发展趋 势，具有广阔的应用前景。而且通信技术、计算机技术和智能控制的发展，为 电力线载波抄表创造了条件pj 。 在上层通信方式中，光纤和综合布线的成本太大，公共电话服务网络和 i n t e r n e t 网络的覆盖面是有限的，而采用g s m g p r s 的通信方式则有其得天独 厚的优势，它的网络覆盖面非常广泛。上层通讯方式今后将会逐步采用 g s m g p r s 通讯技术，因为中国移动g s m g p r s 网络经过多年的发展，技术 已经比较成熟，完全能够满足自动抄表系统的需要。国内一些厂商开发出了利 用g s m 网络进行数据传输的方法，即在传统的单片机系统中利用支持语音、 短消息、数据通信、传真等业务的g s m 引擎模块，结合已有的单片机系统通 过r s 2 3 2 接口，实现数据的无线传输，实现起来比较容易”1 。 目前，国内虽然出现了一些自动抄表系统，但是安装量并不大，而且技术并 不成熟，成功率低，所以自动抄表系统的研究还是有较大的发展空间。本课题就 是在这种情况下，将现场总线技术、低压电力线载波通讯技术和g p r s 无线通讯 技术结合起来，以实现远程集中式抄表系统的自动化和智能化。 课题中低压电力线载波通信芯片选择北京智源利和微电子技术有限公司 的扩频载波芯片s c l l 2 8 ，尽管国外已经有了一些低压电力线载波通信的成熟 产品，但是它们在我国的使用并没有取得成功，例如1 9 9 6 年以色列的产品在 我国试装，由于抄表率很低而被迫退出中国市场。经过十几年来的研究，我国 的自主研发的低压电力线载波通讯技术的不断成熟，像北京智源利和微电子技 术有限公司的扩频载波芯片s c l l 2 8 ，它在5 0 0 米的通信距离中数据通讯成功 概率几乎是百分之百。g p r s 模块选择厦门桑荣科技发展有限公司的s a r o 1 0 1 0 p 和无线m o d e m 模块，这种g p r s 模块具有透明数据传输与协议转换， 支持虚拟数据专用网，带有r s 2 3 2 通信接口，适合电磁环境恶劣的应用需求 此外它还具有性能稳定，精度高等特点。 1 3 本文的主要工作 本课题是在总结前人的自动抄表系统的基础上，结合我国的实际情况，设计 的一种经济实用的自动抄表系统该系统底层通讯方式采用低压电力线载波通信 的方式，载波芯片使用北京智源利和微电子技术有限公司的s c l l 2 8 扩频载波芯 片：上层通讯采用中国移动的g s m g p r s 网络，无线的m o d e m 和无线数传模块 均使用厦门桑荣科技发展有限公司的g s m g p r s 工业m o d e m 和g p r s c d m a 的 s a r o l 0 1 0 pd t u 。 本课题的主要内容由以下几个部分构成： 1 计费终端的设计； 2 数据采集器的设计； 3 数据集中器的设计； 4 数据中心软件设计。 1 4 课题的可行性分析 本课题所设计的自动抄表系统主要的难点是解决低压电力线载波通讯技术 和g p r s 无线通讯技术，随着扩频载波技术被应用到在低压电力线载波通讯中， 在规定的通信距离中，其抄表的成功率高达1 0 0 ，在我国已经开发研制成功； 而g s m g p r s 技术经过多年的发展，已经被实践所检验，基本上不存在任何问 题。因此，本自动抄表系统在技术层面来讲是可行的。在经济实用性方面，本课 题设计的自动抄表系统有着绝对的优势，本系统在设计中所采用的通讯媒介是低 压电力线网络和中国移动的g s m g p r s 网络，不需要另外再铺设通讯设施，因 此在经济实用性方面也是完全可行的。综合以上两个方面，可见本课题所设计的 自动抄表系统是完全切实可行的。 第2 章自动抄表系统的总体设计 2 1 自动抄表系统的组成 自动抄表系统主要由计费终端( 水、电和燃气表) 、数据采集器、数据集中 器和数据中心组成 1 ；其中计费终端和数据采集器之间通过r s 一4 8 5 总线进行数 0 据通信；数据采集器和数据集中器之间采用2 2 0 v 3 8 0 v 的低压电力线载波通信 方式，数据集中器通过中国移动通信的g s m g p r s 网络与远方的数据中心进行 数据传输。设计内容见自动抄表系统的结构框架示意图如图1 1 。 2 2 计费终端 计费终端的设计就是要设计水、电和燃气的计量表计，计费终端要能够实时 记录它们各自的数据，并存储于e 2 p r o m 里面当数据中心发出抄表命令时，计 费终端将各自存储的数据从e 2 p r o m 里面提取出来，通过r s 4 8 5 发送给数据采 集器。计费终端要完成用户数据的计算、存储和与上层通讯，是整个自动抄表 系统的基础。 2 3 数据采集器 小区住宅户 图1 1 白动抄表系统结构框架示意图 数据采集器实际上是计费终端和数据集中器中间的一个桥梁，它的主要功能 是把计费终端的数据调制成载波信号( 实际设计中载波频率为2 8 k h z ) 传送给 4 数据集中器；并且当接收到上层的命令时，数据采集器能够向计费终端发出抄表 或者断电的命令。 2 4 数据集中器 集中器是安装在小区的配电站区的，它的功能是向采集器发出命令，抄收计 费终端的数据，然后再通过g s m g p r s 网络传送给远方的数据中心：数据集中 器能够接收的数据中心的命令，并把相关命令再转发给辖区内的指定的数据采集 器。此外，数据集中器还可以定时抄收计费终端的数据，并把抄收到的数据存储 到e 2 p r o m 里面。 2 5 数据中心 数据中心的设计包括建立数据中心g p r s 网络和设计管理中心软件，其中管 理中心软件设计较为复杂，管理中心软件的功能是对所采集到的计费终端的数据 进行分析、存储以及数据维护，它的功能设计主要包括系统管理、数据中心控制、 远程抄表、数据查询、报表管理和帮助等几个部分，数据中心就像是人的大脑一 样，所有的系统命令都是由它发出的。 2 6 计费终端与数据采集器的通信 计费终端与数据采集器的距离不远，基本上是每户就有1 个数据采集器，所 以计费终端与数据采集器直接的通信方式选择r s 一4 8 5 总线的方式。采用r s 4 8 5 通信方式具有比其他的现场总线( c a n 、l o nw o r k s 等) 的通讯设备简单、控制容 易、使用成本低，并且技术基本已经成熟等优势。 2 7 数据采集器与数据集中器之间的通信 低压电力线载波数据不能够跨越变压器，所以数据集中器基本上是被设置在 住宅小区配电站以内，数据采集器与集中器之间的通讯采用低压电力线载波通信 方式。载波模块使用北京智源利和微电子技术有限公司的扩频载波芯片s c l l2 8 ， 由于s c l l 2 8 在保证通信准确率的前提下，它实际载波传送距离只有5 0 0 米左右， 如果数据采集器的位置离数据集中器过远，载波信号的传输会受到影响，精度就 会大大降低，目前基本上都是通过增加硬件中继的方法来解决这个问题，而本文 中提出了一种“虚拟中继”的解决方法，大大简化了实际的设计的复杂性，并且 降低了成本。 2 8 集中器与数据中心之间的通信 数据集中器与数据中- i i , 之间的通讯采用中国移动通讯的g s m g p r s 网络作为 通讯媒介，自动抄表系统的数据中一t 5 与数据集中器之间的通讯主要是g p r s 无线 数传模块和数据中心的无线m o d e m 模块之间的通讯，在本课题的设计中采用的是 中心对多点的通讯方式，因此数据中一1 1 , 需要有一个固定的i p 地址。在设计中d t u 和无线m o d e m 均使用厦门桑荣科技发展有限公司的产品g p r s c d m ad t u s a r 0 1 0 1 0 p 和g s m g p r s 工业m o d e m 。 6 3 1 电能表的设计 第3 章计费终端的设计 在我国目前使用的电能表中，按照工作原理分主要有三种型式：机械式、机 电式和电子式电能表这三种型式。机械式和机电式电能表其工作原理主要是通过 电磁感应作用产生电磁力距，推动电能表或码盘旋转，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，造成供电成本的增大。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。而电子式 电度表不仅能直接输出规范的电能脉冲，便于校验和实施远方自动抄、读表，也 有利于电力市场发展中对电度表计扩展功能的实现。 在本课题中，电能表的设计是与整个自动抄表系统的一部分，它不仅要完成 普通电子电能表所要完成的计量工作，还要能够与数据采集器进行通信，课题中 设计的单相电能表的系统设计的方案是以p i c l 6 f 8 7 3 单片微机为控制核心，包括 了外围的电压和电流的采样电路、a d e 7 7 5 5 的电能采样模块和电能表与数据采 集器的通信接口组成了单相电能表。其中a d e 7 7 5 5 计量的电量脉冲经过单片机 p i c l 6 f 8 7 3 处理运算后，将相关的电量数据存入p i c l 6 f 8 7 3 自带的e 2 p r o m 里面， 并且将相关的电量数据显示出来，在设计中采用l c d 的显示方式。单相电能表的 原理框图如图3 1 。 p i c l 6 f 8 7 3 图3 1 单相电能表原理框图 3 1 1 电能表计量的基本原理 对于大多数的电子式电能表而言，它们测量电能的原理基本相同，主要包括 对电压和电流实时采样，将采样得到的电压和电流相乘，计算出有效值、有功功 率、无功功率等。采样分直流和交流采样两种。在设计中，采用交流采样，因为 交流采样具有计算灵活，精度高，响应速度快等优点。电能是功率的积分，功率 的表达式是：p ( t ) = u ( t ) i ( t ) ，所以测量电能的基本方法是将电压电流相乘，然 后在时间上再累加( 即积分) 起来。 电能的基本表达式如式( 1 ) 所示： w ( t ) = i p ( t ) d t _ u ( t ) i ( t ) d t 式( 1 ) 00 在式1 中u ( t ) ，i ( t ) ，p ( t ) ，分别是瞬时电压、电流、功率值。在实际的电 能表的设计中，为了便于单片机对电能量进行计量，都是将功率转换成脉冲频率 输出。在额定电压、电流输入一定时，即输人功率一定时，脉冲频率f 也是一个 固定值；输入变化时脉冲频率f 也跟着变化，f 正比于输入功率。这是目前大多 数电子式电能表的最基本工作原理。由此可知，对于电子式电能表来说，测功率 就是测频率；而测频率就是在单位时间内对脉冲进行计数。若要测量电能，可以 根据电子式电能表的基本原理求出每个脉冲所代表的电能值，即脉冲当量，如式 ( 2 ) 所示： r ， 2 半式( 2 ) 这样，如果在一定时问内对脉冲进行计数，即可测得电能值。在本课题的 设计中a d e 7 7 5 5 的频率输出端( c f ) 连接在p i c l 6 f 8 7 3 的t m r o 定时计数器，单片机 对a d e 7 7 5 5 输出的脉冲进行计数，平均功率正比与平均频率，如下式所示： 平均功率= k 平均频率= k x 脉冲个数，积分时间 在一个积分周期内消耗的电能为： 电能= k 平均功率积分时间 = k 脉冲个数积分时间积分时间( k 是比例常数) = k 脉冲个数 3 1 2 电源电路的设计 电源设计是电能表设计的一个重要部分；一个稳定可靠、干扰小的电源，将 会是设计稳定、准确工作的电能表的前提。在单相电子式电能表的电源设计中， 基本上都是从2 2 0 v 的电力线上取得，经过降压、整流、虑波和稳压等处理后， 变成系统设计中所需要的电源。并且要求这些电源要具有稳定和干扰小等特点， 因为电源品质的好坏将直接关系到系统工作的稳定性。 在本课题的电能表电源的设计中，系统要求+ 5 v 电源和+ 1 2 v 电源两个部分。 其中出于抗干扰等因素考虑，+ 5 v 电源又要分为两个部分；一个是提供给 a d e 7 7 5 5 等组成的电能采集电路的+ 5 v 电源，因为电能采集电路具有共模拟地 的特性；一个是给单片机和其他器件工作的+ 5 v 电源。+ 1 2 v 是提供给继电器电 路的，总的来说设计的电源电路是比较简单的，电源电路的原理图如图3 2 。 在电源电路原理图中，2 2 0 v 的交流电刚进入电源电路端，接了一个阻值为 2 0 k ，能够耐压5 6 0 v 压敏电阻v r l 。添加压敏电阻目的是保护系统的安全性，电 路中的压敏电阻能够在电路因雷击或其他一些因素引起的电压突增的情况下，使 得它自身的阻值突变接近为零，这时压敏电阻就把2 2 0 v 交流电给短接，这样高 压电就不会通过变压器进入电源电路的低压 图3 2 电源电路图 部分，达到了保护整个电能表电路的安全。提供给a d e 7 7 5 5 部分的电源是首先 通过变压器变压得到1 0 v 的交流电，然后经过半波整流和稳压电路处理后，得 到1 2 v 左右的电源，再经过r l c 虑波后，1 2 v 电源再通过7 8 0 5 的电压变换， 得到+ 5 v 电源提供给a d e 7 7 5 5 。 提供给单片机等部分的电源：也是首先要通过变压器降压，得到1 2 v 交流 电压，在经过电感滤波电路虑波后，再通过b r l 0 2 全桥整流电路整流，得到+ 】2 v 左右的直流。由于经过整流的直流电源的杂波还比较多，所以还需要对它进行滤 波处理，虑波处理后就得到杂波比较小的电源，这部分可以提供给继电器电路： 由于单片机、l c d 等等元件的工作电压都是+ 5 v ，所以+ 1 2 v 的电压再通过7 8 0 5 电压变换，最终就得到+ 5 v 的电源。 3 1 3a d e 7 7 5 5 电能测量电路 目前国内的单相电子式电能表大部分都是采用电能计量模块，然后再在外围 添加一些辅助模块共同组成电能表，各种单相电子式电能表所使用的计量芯片的 工作原理基本上是相似的。美国a n a l o gd e v i c e s 公司生产的单相电能表计量芯片 a d 7 7 5 5 在我国的电子式电能表行业中有着广泛的应用，使用a d 7 7 5 5 设计的电 能表性能优越，但是随着自动抄表技术的发展以及电能表技术的发展，它在这些 方面的应用还存在一定的缺陷。为此，美国a n a l o gd e v i c e s 公司又推出了 a d e 7 7 5 5 计量芯片。 a d e 7 7 5 5 是一种高准确度电能测量集成电路，其技术指标超过i e c l 0 3 6 规 定的准确度要求。a d e 7 7 5 的原理框图如图3 3 。a d e 7 7 5 5 只在a d c 和基准源 中使用模拟电路，所有其它信号处( 如相乘和滤波) 都使用数字电路，这使 a d e 7 7 5 5 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峭j 。 a d e 7 7 5 5 内部包含一个对a v d d 电源引脚的 9 图3 3a d e 7 7 5 5 功能框图 监控电路。在a v d d 上升到4 v 之前，a d e 7 7 5 5 一直保持在复位状态。当a v d d 降到4 v 以下，a d e 7 7 5 5 也被复位，并且f 1 ，f 2 和c f 都没有输出。内部相 位匹配电路 使电压和电流通道的相位始终是匹配的，无论通道1 内的高通滤波器( h p l ) 是 接通的还是断开的。内部的空载阈值特性保证a d e 7 7 5 5 在空载时没有潜动。 a d e 7 7 5 5 采用+ 5 y 单电源供电。加电初始化后开始工作。电流通道和电压 通道的信号经放大器放大后，通过内部的模数转换器转换为两路数字信号。在进 行功率测量时，电流通路信号还需要通过高通滤波器来去除通道中的直流偏置， 此时便会引起两通道的相位不一致，所以要经过相位调整电路来将相角变化量补 偿掉，然后将两路信号同时加到数字乘法器，经低通滤波器，最后进入数字一频 率转换器得到与瞬时功率成比例的高频脉冲及与平均功率成比例的低频脉冲，并 分别在c f 和f 1 、f 2 端输出。这种方式还能正确计算非正弦电流和电压波形在 不同功率因数情况下的有功功率。所有信号处理都是由数字电路完成的，因此具 有优良的温度和时间稳定性【9 】。 a d e 7 7 5 5 的低频输出( f 1 f 2 ) 是通过对上述有功功率信息的累积产生，即 在两个输出脉冲之问经过长时间的累加，因此输出频率正比与平均有功功率。当 这个平均有功功率信息进一步被累加，就能得到电路所消耗的电能量值。而c f 输出的功率较高，累加时间较短，因此c f 输出功率正比与瞬时有功功率，这可 用于在稳定负载条件下对系统进行校验。 电能表的计量单元的电路图如图3 4 所示。a d e 7 7 5 5 的工作原理是：由锰一 铜分流器和若干电阻、l 1 、l 1 两个电感及电容c 3 组成的电流采样电路，采样得 到采样电流信号再由a d e 7 7 5 5 的v 1 p 、v 1 n 两引脚输入；电压取样信号是通过r 1 l 到r 2 4 组成的电阻网络降压后获得的，采样电压信号由a d e 7 7 5 5 的v 2 n 和v 2 p 引脚输入。在对采样信号进行处理后，a d e 7 7 5 在它的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。输出的脉冲需要经过光耦p $ 2 5 0 1 芯片隔离再 1 0 提供给主控制器p i c l 6 f 8 7 3 。 图3 4 电能表计量电路图 3 1 4 电能表主控电路的设计 1 p i c 单片机的结构特点 p i c 系列单片机在架构上采用了与众不同的设计方法，它不仅采用了哈佛体 系结构，而且还采用了哈佛总线结构。在p i c 系列单片机中采用的这种“哈佛总 线结构”，就是在芯片的内部将数据总线和地址总线分离，并且采用不同的宽度。 这样做的好处是，便于实现指令提取的流水作业，也就是在执行一条指令的同时 对下一条指令进行取指操作；便于实现全部指令的单字节化、单周期化，从而有 利于提高c p u 的执行指令的速度，在p i c 单片机中所有的寄存器，包括i o 口、 定时器和程序存储器等都采用r a m 结构形式，而且都只需要一个周期就可以完成 访问操作。在一般单片机中，指令总线和数据总线是共用的( 即分时复用) 。并 且p i c 系列单片机的指令系统都采用了类一精简指令集计算机( r i s c l i k e ) 结 构，在p i c l 6 系列里面只有三十几条指令，这给指令的程序的编写、阅读、调试 等等都带来了极大的方便。此外，p i c 类型单片机还具有寻址方式简单、运行速 度快、功耗低、驱动能力强等优点【旧】。 2 p i c l 6 f 8 7 3 的特点 p i c l 6 f 8 7 3 单片机是p i c l 6 系列的一种，功能非常强大，它一共只有3 5 条 1 4 位的指令，8 位字长的数据，8 级硬件堆栈。p i c l 6 f 8 7 3 单片机带有2 2 个通用 i o 口；3 个定时计数器，其中t m r 0 为8 位宽，有一个可选的预分频器，用于 通用目的；t m r l 为1 6 位宽，附带一个可编程的预分频器，还附带一个可选的 低频时基振荡器：t m r 2 是8 位宽，同时带有一个可编程的预分频器和一个可编 程的后分频器，还附带一个周期寄存器和比较器。此外，它还有5 路1 0 位的a d 转换，自带“看门狗”：并且内部有1 2 8 个单元的e e p r o m 和4 k 的f l a s h ；它还 具有主同步串行端口m s s p 模块、通用同步，异步收发器u s a r t 模块和并行从动 端口p s p 模块等等j 。在电能表的设计中，可以发挥p i c l 6 f 8 7 3 的很多优势， 由于它是单字节、单周期指令的处理器，可以减少取指令的次数，指令执行的速 度快，减少了单片机在运行过程中的干扰，提高了电能表的可靠性和稳定性。 3 电表的主控部分电路设计 电能表设计是以p i c l 6 f 8 7 3 为核心，包括驱动l c d 显示电路、复位电路、 驱动继电器电路和r s 4 8 5 通信接口电路，并且连接有电源电路和a d e 7 7 5 5 电量 计量电路等。在电能表电路中没有添加掉电保护电路是因为电量计量单位是 0 1 k w h ，所以即使掉电的话，没有保存的电能量也就是0 1k w h ，而且基本上 掉电的概率也不大。电能表的主控原理图如图3 5 所示。 图3 5 电能表的主控原理图 r s 4 8 5 的通信接口电路如图3 6 所示。在r s 4 8 5 的通信接口电路中，主控制 器p i c l 6 f 8 7 3 的串行通信口r x d 、t x d 通过光电隔离电路连接s p 4 8 5 芯片的 r o 和d i 引脚，控制芯片r d 同样经光电隔离电路去控制s p 4 8 5 r 芯片的d e 和 r e 引脚。主控制器的r b 0 通过光电隔离器件控制s p r 4 8 5 芯片的发送器，接收 器使能：r b 0 信号为0 ，则s p r 4 8 5 芯片的d e 和r e 引脚为“0 ”，接收器有 效，接送器禁止，此时主控制器可以接受来自r s 一4 8 5 总线发送数据字节：r b 0 为“1 ”则相反。 连接s p r 4 8 5 芯片a 端引脚的上拉电阻r 2 0 7 和连接b 端引脚的下拉电阻 r 2 0 9 ，是用于保证未连接网络时的s p 4 8 5 r 芯片处于空闲状态，以提高这一个 r s - 4 8 5 节点的工作可靠性。电路中的光耦器件的速率将会影响r s 一4 8 5 电路的通 讯速率。在设计中选用了n e c 公司的光耦器件p s 2 5 0 l 芯片，可以使该r s - 4 8 5 电路的通讯速率达到1 9 2 0 0 b p s i j l “。 图3 6r s 4 8 5 通讯接口电路原理图 3 1 5 电能表的l c d 显示 在电能表的的设计中，显示方式使用了6 位的l c d 液晶显示的方式。在目前 大多数的电能表的设计中，显示方式基本上还是l e d 方式或机械字轮式，l e d 显示具有功耗大等缺点，所以设计中选用l c d 液晶显示方式。l c d 具有功耗低、 高分辨率和稳定性高等特点，微控制器与字符型l c d 模块接口的数据线采用串 行接口方式，而控制信号可直接由单片机几个i o 口控制，节省了大量的单片机 资源。 在电能表的设计中l c d 的驱动器采用h t l 6 2 1 ，h t l 6 2 1 是一个1 2 8 ( 3 2 4 ) 点的l c d 驱动器，它可由软件配置成1 2 或1 3 的l c d 驱动器偏压和2 、 3 或4 个公共端口，这一特性使h t l 6 2 l 适用于多种l c d 应用场合，包括l c d 模块和显 示子系统，而用于连接主控制器和h t l 6 2 1 的管脚只有4 或5 条，h t l 6 2 1 还有一 个节电命令用于降低系统功耗【13 1 。h t l 6 2 1 的管脚情况如表1 。 在表2 中，粗体1 0 0 即“1 0 0 ”，表示命令模式类型。如果执行连续的命令， 除了第一个命令，其它命令的模式类型码将被忽略。l c do f f 命令使l c d 偏压发生 器失效，从而关闭l c d 显示；l c do n 命令使l c d 偏压发生器有效，从而打开l c d 显示。b i a s & c o m