（电力电子与电力传动专业论文）用于取水计量的三相数字远传电能表设计.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ec o n s t a n t p r o g r e s s o fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g ya n dt h ec o n s t a n t i m p r o v e m e n to fa u t o m a t i o na n dt h el o n g - d i s t a n c em o n i t o r i n gt e e h n o l o g y t h ew a t e r c o n s e r v a n c yd e p a r t m e n tp r o p o s e de l e c l r i e i t ym e t e r i n gm o d ei nt h e 嘲a n d m a n a g e m e n to fg r o u n d w a t e r w h i l et h em o d ek l s e $ t h eu n d e r g r o u n dw a t e l f o r i r r i g a t i o na n do t h e ri l s e $ i tt a k e st h ep u m pe l e c t r i c i t y 船t h eb a s i sa n ds t a n d a r do f w a t e rc o n s u m p t i o n t h e r e f o 蛾i ti sv e r yu r g e n ta n dn e c e s s a r yt od e v e l o pt h es t e a d y a n dh i g i ia c c u r a c yw a t e rm e t e r i n gw i t hr e m o t ed a t af u n c t i o n b a s e d0 1 3 t i l ea n a l y s i so ft h et h r e e - p h a s ew a t e rt l l c t 扰 i n gd i g i t a lr e m o t ep o w e r m e t e r ss t a t u si nt h eu s ea n dt h em a n a g e m e n ts v s t e mo fg r o u n d w a t e r , t h ep a p e rp u t s f o r w a r do v e r a l lt e c h n i c a lp r o g r a m n 圮t r a d i t i o n a lm e t h o di sb a s e do i lm e e h a r t i e a l e l 训ce l l c i g ym e t e r , a d o p t st h er e c o g n i t i o nt e c h n o l o g yo ft h ep i e t u r et oc a r r yo i l r e a d i n g , t h e nr e a d st h ed a t at h r o u i g l ir e l e v a n ti n t e r t i l e e t h i sk i n do fm e t h o di sn o t m e r e l yl o wi np r e c i s i o nb u ta l s oi th a sn o tt h ef u n c t i o no fr e m o t ed a t a i nt h i sp a p e r , t h ea u t h o ra p p l i e st h ei n t e g r a t e da u t o m a t e dc o n t r o la n ds i g n a la c q u i s i t i o n , d i g i t a l s i g n a lp r o c e s s i n g a i 洲a n dr e m o t ed a t at e c h n o l o g yt od e s i g nt h et h r e e - p h a s ew a t e r m e t e r i n gd i g i 协l r e m o t ep o w e rm e t e rs y s t e mw i l h d i 画t a l ，h i g h - p r e e i s i o n m e l t s u r e n l e n t ，i n t e r f e r e n c ea n dr e m o t ed a t a t h es y s t e mi ss u i t a b l ef o rt h e 峨o f g r o u n d w a t e rm a n a g e m e n ts y s t e m i nh a r d w a r ed e s i g n , i tr e g a r d st h ee m b e d d e dp r o c e s s o rl p c 2 1 3 xa r mm c u s e r i e s 鹪t h ec o l et oa c h i e v ea r mh a r d w a r ee o n t r o ls y s t e m i tr e g a r d sa 兀7 0 2 2 b 鹊 t h en l e , a s l t l l r l ec h i pt 0a c h i e v eh i g h - s p e e dd i g i t a lc o m p u t i n ga n dg i v e sp r o t e c t i o nf o rt h e m e a s u r e m e n to fw a t e rt h r e e - p h a s ew a t t - h o u rn a e t 盯d i g i t a lr e m o t et oa c h i e v eh i g h a c c u r a c y i tr e g a r d st h eb e n o ，sm 2 2 鹞r e m o t em o d u l e st og u a r a n t e et h a tt h ed a t ai s s t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yi nt h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s a c c o r d i n gt ot h en e c , d so f f u n c t i o n , i tw i l lf i n i s hh a r d w a r ep l a t f o r m , s i g n a lg a t h e rc i r c u i t , d i s p l a yc i r c u i t s , r e m o t em o n i t o r i n gm o d u l eh a r d w a r ed e s i g na n ds oo n a c c o r d i n gt ot h es p e c i f i cb a c k g r o u n do ft h r e e - p h a s ed i g i t a le l e c t r i ce n e r g ym e t e r i ns o f t w a r ed e s i g n , i tp r o p o q e st h eo v e r a l ld e s i g no f t h r e e - p h a s ed i g i t a le l e c t r i ce n e r g y m e t e r i tc o m b i n e st h em i l l t i - t a s ko p e r a t i n gs y s t e mw i t hm u l t i t h r e a d h a g ，m e s s a g e q u e u ea n ds e m a p h o r ei d e a st od e s i g ne m b e d d e ds y s t e r n si n c l u d i n gd a t aa c q u i s i t i o n , d a t ac o m m u n i c a t i o n s , d a t as t o r a g e ，d a t a , s t a t eh a n d l i n ga l ls o f t w a r em o d u l e s i no r d e rt oi m p r o v et h er e l i a b i l i t yo fw a t e rm e f l s l u m e n to ft h l r e e - p h a s ed i g i t a i r e m o t em e t e r , i tm a k e sd e t a i l e da n a l y s i st od i g i t a lh a r d w a r ed e p e n d a b i l i t y , s o f t w a r e d e p e n d a b i l i t ya n dr e m o t ed a t as e e u r i t y o nt h es o f t w a r es i d e ，i ts h o u l db ei n c r e a s e d s o t t w a r ew a t c h d o gt e c h n o l o g i e st oi m p r o v es o f t w a r er e l i a b i l i t y ；r e m o t ed a t ai nt h e u s eo fe n e r y p t i o nt e c h n o l o g ya n dg p r sn e t w o r ks e e u r i t yt e c h n o l o g yt oe i l s l 1 r ct h a t d a t ai nr c m o t es e c u r i t y o nt h er e m o t ed a t as i d e ，i ts h o u l db eu s e dt h ee n c r y p t i o n t e c h n o l o g ya n dg p r sn e t w o r ks e c u r i t yt e c h n 0 1 0 9 yt oe n s u r et h es e c u r i 修o fr e m o t e d a t a k e yw o r d s ：w a t e rm e t e r i n g ，t h r e e p h a s ed i g i t a lr e m o t ep o w e tm e t c r , e m b e d d e 正 a i 洲g p r s r e m o t ed a t a l i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教 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。 签名；日期： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定即学校有权 保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 导师签舅露兰啦日期： i i 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 课题研究的提出 第1 章绪论 为了提高浙江省取水许可的监督管理能力，进一步促进了计划用水、节约 用水工作，浙江省水利部门于2 0 0 6 年提出建设取水实时监控系统，该系统是 强化水资源管理、实施取水许可制度、实现水资源宏观调控、优化水资源配置、 提高水资源管理水平的坚强后盾，也是严格取水计量、按量征收水资源费，实 行计划取水、节约用水的科学依据。 取水实时监控系统主要由省中心站、管理终端( 市县分中心) 、用水户终 端、采集终端及传输网络构成。该系统结构图卜1 如下 。 图1 - 1 取水实时监控系统结构图 该系统工作模式是通过采集终端将用户取水量进行采集，然后通过无线传 输网络上报到省中心站，省中心站就数据收集整理后，通过因特网供管理终端 ( 市县分中心) 、用水户终端查询和使用。 其中采集终端设在取水口，根据取水口计量设备的不同，实时采集的数据 可以是水量、电量、时问、采集终端的供电状态、泵机工作状态、开箱状态、 武汉理工大学硕士学位论文 计量设备运行状态等( 统称实测数据) 。采集终端由计量设备和无线通讯模块 构成。 计量设备主要是精确计量用户使用的水量，然后将结果数字化，以便通过 网络传输出去。根据用水户的取水量大小选择计量设备的类型。 ( 1 ) 电磁流量计、超声波流量计或水表：年取水量在5 0 万立方米以上的 取水户。 ( 2 ) 电能表：年取水量在5 0 万立方米以下1 0 万立方米以上的取水户和发 电用户。 ( 3 ) 计时器：年取水量在1 0 万立方米以下的取水户。 系统对于网络选用要求传输网络采用g 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 ，通用无线分组业务) ，要求g p r s 模块应满足以下要求： ( 1 ) 接口类型：e i 卜r s 一2 3 2 c e i a - l l s 一4 8 5 ； ( 2 ) 工作频段：g s m 9 0 0 d c s l 8 0 0 p c s l 9 0 0 ； ( 3 ) 发射功率：c l a s s 4 ( 2 w ) e g s m 9 0 0 、c l a s s l ( 1 w ) d c s l 8 0 0 、c l a s s l ( 1 w ) p c s l 9 0 0 ； ( 4 ) 频率误差： = 2 f m ，其中f m 是信号x ( t ) 的最 高频率，则由理想采样信号x ( t ) 就能不失真的恢复连续时间信号x ( t ) 。但如 果信号的最高频率超过了s 2 ( 或f m 超过了f s 2 ) ，那么理想采样信号的频谱 中，各次调制频谱就会互相交叠起来，这就是频谱混叠现象。而用基带滤波器 就不能不失真地滤出基带频谱，恢复出来的信号相对于经x ( t ) 也就失真了，故 在对信号采样时为避免高于折叠频率的杂散频谱进入采样器造成频谱混淆，采 样器前常常加一个保护性的前置低通滤波，阻止高频率分量进入。 2 3 2 远程无线通信的实现方案 目前在监控领域采用的较远距离的无线通信方案主要有专用网络和现有公 众网络( g p r s c d m a ) 二种o 】【8 】。 专用网络可以做到专网专用，对数据传输过程中的安全性、带宽有很高的 保证，但需要根据实际需要自行建设，需要专人维护，建设和运维的成本较高， 一般只应用于覆盖面积比较小的网络。 公众网络也就是我们通常指的g s m 和c d m a 网络，是分别由中国移动通信和 中国联通运营的商用无线网络。现有公众网络( g p r s c d 姒) 是覆盖全国的通信网 络；它们属于蜂窝网络结构，城市的高大建筑对网络信号的影响只局限在小块 区域，而且，移动运营商有专门的网络优化部门，可以调整网络信号：用户只 需要缴纳网络使用的费用即可，网络由专门的运营公司来维护，使用成本低。 由此看来，显然现有公众网络更适合于供电系统的监控系统。在g s m 和c d m a 两者之间的网络特性以及运营成本方面并无明显差异，由于课题组的对g s m 网 络中的g p r s 网络更为熟悉，因此，选择g p r s 作为本系统远程无线通信方案。 以g s m 、c d m a 为主的数字蜂窝移动通信和以i n t e r n e t 为主的分组数据通信 是目前信息领域增长最为迅猛的两大产业，正呈现出相互融合的趋势。g p r s 可 以看作是移动通信和分组数据通信融合的第一步。 g p r s 通过在原g s m 网络基础上增加一系列的功能实体来完成分组数据功能， 武汉理工大学硕士学位论文 新增功能实体组成g p r s 网络，作为独立的网络实体对g s m 数据进行旁路，完成 g p r s 业务，原有g s m 网络则完成话音功能，尽量减少了对g s m 网络的改动。g p r s 网络与g s m 原网络通过一系列的接口协议共同完成对移动台的移动管理功能。 g p r s 包含丰富的数据业务，如：p t p 点对点数据业务、广播业务。 g p r s 主要的应用领域可以是：电子函件、w 聊浏览、w a p 业务、电子商务、 信息查询、远程监控等等。 g p r s 新增了如下功能实体：服务g p r s 支持节点s g s n ，网关g p r s 支持节 点g g s n ，点对多点数据服务中心等。同时增强了原有功能实体的软件功能。g p r s 大规模地借鉴及使用了数据通信技术及产品，包括帧中继、t c p i p 、路由器、 接入网服务器、防火墙等。 如图2 - 2 所示为g p r s 核心网组网方式示意图： m g 】、q rh 吲 | 汨r 嗣蚺泊m s c 图2 2g p r s 核心网组网方式 对移动用户而言，g p r s 为他们在移动系统和i n t e r n e t 之间架起了一座桥梁， 使得用户可以更方便地利用移动终端进行数据业务。g p r s 对移动用户的好处主 要体现在以下方面。 ( 1 ) 快速地接入i n t e r n e t g p r s 系统使得移动用户可以快速地接入i n t e r n e t ，就象使用局域网一样。 由于采用的是分组方式，用户不必在每次传送数据之前进行同网络的连接过程， 而是可以整天处于连接状态，也就是所谓的永远在线的方式。目前最常用的 武汉理工大学硕士学位论文 m o d e m 拨号上网在上网之前都有一个拨号建立连接的过程，所需时间较长。 ( 2 ) 更高的传输速率 g p r s 系统可以为用户提供更高的传输速率。用户使用g s m 电路型数据业务时， 只能达到9 6 k b i t s 的传输速率，这一速率远低于固定网中采用m o d e m 上网的传 输速率，因而大大限制了移动用户对数据业务的使用。而g p r s 中用户可以同时 采用8 个信道进行数据传送，当前采用c s - 2 编码方式最高速度可达11 5 k b i t s ， 将来对基站硬件进行升级支持c s - 3 、c s - 4 之后理论速率还可以达至u 1 7 1 k b i t s 左右。这一速度已经超过了常用的m o d e m 拨号上网的方式，因此g p r s 网络开始 运行之后，移动用户就可以用手机进行高速上网业务了。 ( 3 ) 经济合理的收费 g p r s 系统可以根据用户实际传送的数据流量进行计费，这样用户在进行w w w 浏览时，阅读期间就可以不需要计费。g p r s 根据用户对网络的实际使用来计费， 是一种更为合理的计费方式。 2 4 本章小结 本章分析了用于取水计量的三相数字远传电能表在地下水使用管理系统中 的远程监控系统的地位，提出了数字电能表的设计需求；根据设计需求，通过 对现有的各种采样技术、无线网络进行分析和比较，确定了使用采样方案和g p r s 技术远传数据等总体设计方案。 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章三相数字远程电能表的硬件设计 3 1 硬件整体结构图 用于取水计量的三相数字远传电能表系统的硬件整体结构框图3 1 所示： 图3 - 1 三相数字远传电能表系统的硬件整体结构框图 通过信号采集电路用电压互感器将电压信号变成可用于电子测量的小信 号，用电流互感器将电流信号变成可用于电子测量的小信号，利用专用的计量 芯片将变换好的电压、电流信号进行a d 转换，并通过乘法和加法运算计算出 有功功率p 和无功功率q 以及系统所需的各项参数，对电能进行累计，并将这 些参数存放在特定的寄存器内，供m c u 读取。m c u 将读取回来的各项数据进 行处理，然后做出相关控制，比如数据存储、显示、数据远传。电源管理模块 是为整个系统提供稳定可靠的运行电源。 3 2 主控制器的选择 为了适应供电监控系统对数字电能表要求，需要用于取水计量的三相数字 远传电能表具有各种各样的数字化功能，如数码显示、数据存储、数据远程传 输、复费率等；为了适应以后发展，使三相数字远传电能表能方便的进行功能 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 扩展，平滑的升级，因此需要该系统具有很强的扩展性。满足以上需求的关键 是选择一款合适的主控制芯片。 主控制器是整个系统的核心，直接关系到系统的性能。在选择主控制器时， 需要考虑其指令的长度，指令执行的速度，内部集成及可扩展的r o m 和r a m 的 大小，提供的通讯接口和经济性等许多因素。现在市场上的m c u 有很多种，如 m c s 一5 1 系列，m s p 4 3 0 系列，基于a r m 技术的l p c 系列等等，每种芯片都有各 自的特点。 m c s 一5 1 系列的m c u 采用的是冯诺伊曼提出的经典计算机体系结构框架， 即一台计算机是由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备共五个基本 部分组成叫。 i c s - 5 1 系列的m c u 在一块芯片上集成了c p u 、r a m 、r o m 、定时器 计数器和多功能i 0 口等基本模块。他们都是通过片内单一总线连接而成，其 基本结构依然是采用c p u 加上外围芯片的传统结构模式。m c s - 5 1 系列的m c u 指 令长度为8 位，因为该1 4 c u 对外采用的是总线方式，所以在外部扩展功能上有 比较大的限制。因此1 4 c s 一5 1 系列的m c u 适合入门学习和在控制功能单一的系 统中应用。 l i s p 4 3 0 系列的m c u 是由美国t i 公司推出的3 2 位m c u 。它主要特点是低功 耗，具有五种省电运行模式，使整个系统能够根据实际需要在五种省电运行模 式下运行，达到低功耗的目的。而且该系列很多i i c u 内部集成了液晶显示模块， 能直接驱动液晶显示器，无须外加驱动芯片。但其外部接口很少，对于外部功 能扩展有很大的限制。 基于a 跚技术的l p c 系列m c u 是p h i l i p s 半导体公司推出的基于一个支持 实时仿真和嵌入式跟踪的1 6 3 2 位a r m 7 t d m i - s 的m c u “州“m ”。它具有1 6 k b 的 片内静态r a m 和6 4 k b 的片内f l a s h 程序存储器，为复杂的程序设计提供了空 间的保证。1 2 8 位宽度接口，加速器可实现高达6 0m h zt 作频率使整个系统 能高速运行。由l p c 系列m c u 结构框图3 - 3 ，我们可以看出，该m c u 不仅具有 最基本的c p u 、r a m 、f l a s h 、定时器计数器和多功能i 0 口等基本模块外，还 具有包括4 7 个通用i o 口、2 个1 6 c 5 5 0 工业标准u a r t 、2 个高速1 2 c 接i e ( 4 0 0 k b i t s ) 、s p i t m 和具有缓冲作用和数据长度可变功能的s s p ，在三相数字远传 电能表能方便的进行功能扩展，平滑的升级方面提供了很大的支持。 根据三相数字远传电能表的实际功能需求和市面上几种常用的m c u 功能上 的比较，基于a r m 技术的l p c 系列m c u 是最为合适的。不仅具有大的内存空间， 武汉理工大学硕士学位论文 为复杂的程序设计提供了空间的保证，而且还具有丰富的外部接口，使用于取 水计量的三相数字远传电能表能具有很强的扩展性。 3 3 外围电路的设计 3 3 1 计量芯片 电能计量芯片是取水计量三相数字远传电能表的核心部件，它主要完成对 电压和电流的采集、a d 转换、数字信号处理、计算各种所需的参数。芯片的 性能直接决定了三相数字远传电能表的各项性能指标，同时，由于三相数字远 传电能表涉及到用户的切身利益，因此，对于电能计量芯片的选择要求十分苛 刻。三相数字远传电能表系统中对于电能计量芯片的要求除了具有电压和电流 的采集、a d 转换、数字信号处理、计算各种所需的参数外，还需要所测得的 参数的精确度能达到比较高的标准；现在的三相交流电有三相四线、三相三线 这两种类型，因此需要电能计量芯片能兼容这两种模式。 市场上有很多电能计量芯片，有代表性的如珠海炬力集成电路设计有限公 司的a t t 7 0 2 2 b 、a t t 7 0 2 6 等，a t m e l 公司的电能计量专用芯片组a t 7 3 c 5 0 0 和 a t 7 3 c 5 0 1 、美国a d i 公司的a d e 7 7 5 8 等等。这些专用芯片的共同特点是：集成 度高、精度高、接口简单，为设计高性能的电子式电能表提供了很好的解决方 案。采用这些专用芯片来开发电子式电能表，不仅能够测量功率、电能，还能 够测量电压、电流、功率因数、频率等多种电参数，为电能管理的现代化提供 了可能。 综合各种电能计量芯片的特性和功能，认为珠海炬力集成电路设计有限公 司的a t t 7 0 2 2 b 比较适合该系统对于电能计量芯片的要求。a t t 7 0 2 2 b 能够测量 各相以及合相的有功功率、无功功率、视在功率、有功能量以及无功能量，同 时还能测量各相电流、电压有效值、功率因数、相角、频率等参数，并且对有 功功率测量达到国家标准0 5 s ，0 2 s 级、对无功功率测量精度均能达到国家2 级、3 级标准。 a t t 7 0 2 2 b 是一颗高精度三相电能专用计量芯片，它集成了7 路1 6 位a d c 、 参考电压电路以及所有功率、能量、有效值、功率因数以及频率测量的数字信 号处理等电路“”。图3 2 是a t t 7 0 2 2 b 的内部结构框图。首先进行电压和电流 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 采样，并通过乘法和加法运算计算出有功功率p 和无功功率q 。由p 、q 值很 容易得到视在功率s 和功率因数p f ，各相的电压、电流有效值是对采样值进 行平方、开方和数字滤波等一系列运算得到的。它自动选择a b c 三相中任意 1 相电压为电压频率测量标准。可测得电压线频率范围在l o 5 0 0 h z 之间。这 些计算出的电参数被放在1 2 8 个寄存器中，寄存器的位长为2 4 位，通过s p i 总线发送到胍u 。 图3 2a t t 7 0 2 2 b 结构框图 a t t 7 0 2 2 b p q 部集成了一个s p i 串行通讯接口，方便与外部m c u 之间进行计量 参数以及校表参数的传递。所有计量参数参数都可以通过s p i 接口读出。它的s p i 接口采用从属方式工作，使用2 条控制线和2 条数据线：c s ( 片选) 、s c l k ( 串行 时钟输入) 、d i n ( 串行数据输入) 和d o u t ( 串行数据输出) 。考虑s p i 传输信号 1 7 m雠珊搿器掰憎螂珊懈聊唧 武汉理工大学硕士学位论文 线有可能受到干扰或者出现抖动，可以在s p i 信号线上串联一个小电阻。这个电 阻与i c 输入端的寄生电容c 结合起来可构成一个低通滤波器，可以消除s p i 接口 信号上的任何振荡。图3 3 是a t t 7 0 2 2 b 的接线图。 x ；。￥ 一* 斟一 一 一 一h 一目 d o u t 毒。0 0 0 s o 靠 一擀= #浩娥 n i o s i 写巾 iii灌葛d i n 滟 l ；l | l | 一 一f 卡q 黼v nl l l ； 试誉s c l k ； 一 l j 母 乓0 l # 槲 s c k 葛 器 ：# # # 车 品 c s l t 竹1 l 请娃1 专 s s e l l ；| i”了 l l ；li ，i ，ijlll； ；l |； l 。 ；ilil ； 3 3 2 信号采集电路设计 图3 - 3a t t 7 0 2 2 b 的接线图 信号采集分为2 部分：变压和滤波。 变压的目的是把2 2 0 vt 频交流电转换成适合 d 转换的交流信号。一般采 用2 种方式，一种利用电路的传递函数把输入的2 2 0 v 工频交流电进行分压，然 后再传给计量芯片的a d 接口；另一种是利用专用变压器件互感器直接进行变 压，得到需的交流信号后，直接输出给计量芯片的a d 接口。这2 种方式各有 优缺点，第一种方式成本很低，但因为是直接接到2 2 0 v 工频交流电，无法对交 流电干扰进行隔离，而且电路中所选元件均为大功率元件，因为利用电路的传 递函数进行分压，并且所选元件的精度一定很高；第二种方式，利用互感器不 仅可以对交流电进行隔离，而且输出稳定，电路设计比第一种方式要简单，但 成本略高于第一种方式。基于实际情况考虑，本次设计选用的是第二种方式。 根据n y q u i s t 采样定理可知在对信号采样时为避免高于折叠频率的杂散频 谱进入采样器造成频谱混淆，采样器前常常加一个保护性的前置低通滤波，阻 止高频率分量进入。在这里采用的是r c 低通滤波电路。 根据设计方案，选用的是利用专用变压器件互感器直接进行变压，得到需 的交流信号后，经过滤波电路采集，直接输出给计量芯片的a d 接口进行采样。 而a t t 7 0 2 2 b 这款芯片的a d 输入方式为差分输入，其输入电压为0 到3 v ，故我 武汉理工大学硕士学位论文 们必须把原有交流信号加上直流偏置电压，将其调制到第一象限区域。图3 _ 4 为采集电路。 。卜0 h i ：；i * ol l 趋 墨甄 = 奎隧 r n 飞r 下一 | 土二；。 ； ： 。 专七一母一 羞t r 加口船一 + | s ； l 毒市 ；： ； 番+ r - - = + + + 箨i ：! t 髝 图3 4 采集电 p t 为专用变压器件互感器，将2 2 0 v 工频交流电转换成相对应的0 5 v 的 流信号；r 2 ，c l 组成低通滤波电路，起滤波作用；u r 为增加的3 v 直流偏量 3 3 3 存储器接口电路设 三相数字远传电能表在运行期间时刻都在记录数据，功能设计比较多， 存的数据量大，擦写次数比较多，数据保存安全期长，这要求有一个高性能 存储器才能满足要求 传统半导体记忆体有两大体系：易失性记忆体( v o l a t i lm e m o r y ) 和非 失性记忆体( n o n - - v o l a t i lm e m o r y ) 。易失性记忆体( 如s r a m 和d r a m ) 在 有电源的情况下都不能保存数据，但具有高性能、易使用等优点。非易失性 忆体如e p r o m 、e e p r o m 、f l a s h 和f r a i d 等，它们在断电后仍能保存数据 e p r o m 是可擦除可编程只读存储器，它不能逐字擦除，不可直接被电改写 可以用紫外线或是x 放射线将存储内容一次性全部擦除，然后再写入新的内容 利用该类型存储器不可直接被电改写的特性，通常在系统中用作程序存储器 防止在系统运行时程序被意外的更改 e e p r o m 是电可擦除可编程只读存储器。在平常情况下，e e p r o m 与e p r o m 样是只读的，需要写入时，在指定的引脚加上一个高电压即可写入或擦除， 且其擦除的速度快，它可以电改写，也可以逐字节改写。利用该类型存储器 1 武汉理工大学硕士学位论文 读可写的特性，通常在系统中用作数据存储器，存放系统运行时的状态变量， 临时变量等等。 f l a s h 可以算作e e p r o m 的一种。但f l a s h 有一个特点：擦除的单位是数据 块，而e e p r o m 大多数读写是具体到每个单元。f l a s h 在电擦除和写入时，操作 比较复杂，f l a s h 现在流行的有n a n d 和n o r 型的。这2 种的操作方式都不太一 样，且擦除时只能成块操作，因此用f l a s h 做程序存储器是非常合适的，但使 用于做数据存储器就不太合适。 f r a m 是最近几年由r a m t r o n 公司研制的新型存储器，其核心技术是采用铁 电晶体材料。该器件拥有随即存取记忆体和非易失性存贮产品的特性。f m 2 4 c 2 5 6 是一个2 5 6 k b i t 的f r a m ，其总线频率可高达l 姗z ，具有1 0 亿次以上的读写次 数且功耗很低。与典型的e e p r o m 存储器a t 2 4 c 2 5 6 相比，f m 2 4 c 2 5 6 可跟随总 线速度写入而无须等待时间，而a t 2 4 c 2 5 6 则必须等待几毫秒( m s ) 才能进行下 一步写操作。f m 2 4 c 2 5 6 可读写1 0 亿次以上( 几乎无限次读写) ，但a t 2 4 c 2 5 6 只能进行1 0 万到一百万次的读写。另外，a t 2 4 c 2 5 6 的读写能量高出f i l 2 4 c 2 5 6 大约2 5 0 0 倍，由此可见，f m 2 4 c 2 5 6 既包含了r a m 的技术优点，同时又拥有r o m 技术的非易失性特点。 基于f r a m 技术的f m 2 4 c 2 5 6 是非常适合用于取水计量的三相数字远传电能 表设计要求的存储器。它的性能指标完全达到设计要求，解决了三相数字远传 电能表在存储方面的设计忧虑。更重要的是。它的存储时间短，能够在极短的 时间内保存大量数据，解决了三相数字远传电能表在突然断电时，数据及时、 安全的存储。 f m 2 4 c 2 5 6 采用i z c 串行总线接口与主控制器进行通讯。l c 总线是飞利浦公 司推出的芯片间串行数据传输总线，只采用2 根线( s d a 和s c l ) 即可以实现完善 的全双工同步数据传输，能够十分方便地构成多机系统和外围器件扩展系统。 简单的两线串行1 2 c 总线将互联减到最小，因此i c 的管脚更少，而且p c b 的线 路也减少。l c 器件的应用减少了电路间的连线和电路板尺寸，提高了系统的可 靠性。图3 5 是f m 2 4 c 2 5 6 与l p c 2 1 3 2 的接口电路。 武汉理工大学硕士学位论文 v e t 图3 5f m 2 4 c 2 5 6 与l p c 2 1 3 2 接口电路 1 2 c 总线上的器件分为主器件和从器件二种：主器件是初始化总线的数据传 输并产生允许传输的时钟信号的器件；从器件为被主器件寻址的器件“。 在本系统中，f 1 1 2 4 c 2 5 6 为从器件，l p c 2 1 3 2 为主器件。在通过1 2 c 总线通 信时，首先由主器件产生一个起始条件，然后开始地址或数据字节的传送，被 寻址到的从器件在每收到一个字节的数据后，都要产生一个应答信号以继续后 面数据的传送。l p c 2 1 3 2 首先初始化总线，然后在对f m 2 4 c 2 5 6 发送第一个字节 的寻址信息后，被寻址的f m 2 4 c 2 5 6 产生一个应答信号，然后l p c 2 1 3 2 在发送2 个字节对f 1 1 2 4 c 2 5 6 内部进行寻址的地址信息，f m 2 4 c 2 5 6 在每收到一个字节后都 要产生一个应答。在三个字节的地址信息发送完成并得到相应的响应后， l p c 2 1 3 2 和f m 2 4 c 2 5 6 的才进行开始数据传输。 3 3 4 液晶显示电路设计 完善的控制系统除了有良好的内部系统外，还应该有良好的人机对话界面。 液晶显示屏是将内部一些与客户相关的参数显示出来，使客户能时刻了解系统 运行的状态。由于l p 2 1 3 2 本身是不能驱动液晶显示屏，所以要在外部扩展一个 液晶显示驱动芯片来驱动液晶显示屏。 p c f 8 5 7 6 d 是一款由p h i l i p s 公司开发的具有“二线”双向的1 2 c 总线的液晶 显示驱动芯片外围器件“”，用于任意微处理器微控制器和各种l c d 之间的连接， 可与任意低复用率的液晶显示器( l c d ) 相连。它为任何静态或多路l c d 提供驱 动信号。 p c f 8 5 7 6 d 内部具有4 0 4 位的r a m 显示数据存储器，显示存储器可进行静态 和双向驱动模式的切换，器件子地址显示数据的自动增量，外部具有4 路背电极 2 1 武汉理工大学硕士学位论文 输出和4 0 路段输出，可驱动高达2 0 个8 段的数字字符、1 0 个1 5 段字母数字字符或 任何高达1 6 0 段的图形，也可通过级联可驱动大规模的l c d ( 高达2 5 6 0 段) 应用 显示。p c f 8 5 7 6 d 驱动的l c d 显示方式由有效的背电极输出路数决定，如表3 - 1 所 示。 表3 1p c f 8 5 7 6 显示方式 数目7 段数字字符1 4 段字母数字字符 点阵 背电极段 数字 显示字符字符显示字符 41 6 02 02 01 02 01 6 0 点( 4 4 0 ) 31 2 01 51 5881 2 0 点( 3 4 0 ) 28 01 01 051 08 0 点( 2 4 0 ) l4 055 2 1 24 0 点( 1 x 4 0 ) p c f 8 5 7 6 1 ) 符合绝大多数微处理器微控制器的要求，通过“二线”双向的 i 总线与它们通信。将p c f 8 5 7 6 d 的o s c 脚与v s s 相连来使能内部振荡器。器 件内部可产生多路复用l c d 所需的合适偏压。最后，将各种电源信号( 、r d d ，v s s 和v l c d ) 以及所选的l c d 电路连接好就可完成该系统应用的连线。p c f 8 5 7 6 1 ) 自 动增量的显示存储器寻址方式、多种闪烁方式、硬件子地址和显示存储器切换 等特性大大减少了通信开销。 p c f 8 5 7 6 d 于l p c 2 1 3 2 的显示驱动方式的系统连接如图3 6 所示： 图3 6 液晶显示电路系统图 在1 2 c 总线中，p c f 8 5 7 6 d 用作从接收器。它不能起动i 总线的数据传输 或将数据发送到1 2 c 总线的主接收器。p c f 8 5 7 6 d 只能向所选器件发送应答信号。 武汉理工大学硕士学位论文 通过i c 总线的从机地址、传输的命令和硬件子地址对器件进行选择。在单个 器件的应用中，硬件子地址输入a 0 、a 1 和a 2 通常连接到v s s 来将硬件子地址 定义为0 。 3 3 5 电源模块设计 整个系统的稳定运行，需要良好、稳定的电源模块提供保障。整个系统的 电源模块包括a c d c 电路、电源切换电路和监控电路。外界提供给系统的电源 是工频2 2 0 v 交流电源，而系统内部运行需要的是5 v 直流电源，所以就需要a c - d c 电路，将工频2 2 0 v 交流电源转换5 v 直流电源；有时外部会出现一些异常情况， 如断电等，为了保证系统的正常运行，需要后备直流电源，如电池，这就涉及 到一个电源切换电路；为了实时监控整个系统外部电源供给情况，需要电源的 监控电路。 a c - d c 电路旧n 明，它是将外界提供给系统的工频2 2 0 v 交流电源转换5 v 直流 电源。一般包括变压、整流、稳压。采用变压器将2 2 0 v 交流电源9 v 交流电源， 然后采用电桥对交流电源进行整流，在稳压这一块采用的是7 8 0 5 芯片。7 8 0 5 集 成稳压器是常用的固定正输出电压的集成稳压器，输出电压为5 v ，最大输出电 流为i 5 a 。它的内部含有限流保护、过熟保护和过压保护电路，采用了噪声低、 温度漂移小的基准电压源，工作稳定可靠。通过一系列的变压、整流、稳压， 就得到了5 v 直流电源。a c d c 电路如图3 7 所示： 图3 7a c d c 电路 电源切换电路，它是在外部电源异常的情况下，为系统提供内部直流电源， 这是为了保证系统能在异常情况下稳定运行一段时间，以便能将有关重要数据 保证下来，不至于因为突发的异常情况而丢失数据，造成供电系统和客户之间 不必要的麻烦。该电路采用干电池或纽扣电池为系统提供内部直流电源，外部 武汉理工大学硕士学位论文 电源正常时，二极管处于断开状态，内部直流电源不起作用，当出现异常情况 时，二极管处于导通状态，内部直流电源将马上作用于系统，为系统提供运行 电源，使系统能稳定运行一段时间，以便能将有关重要数据保证下来。电源切 换电路如图3 - 8 所示： 0 炭毒越s 雪妥i 越_ ! 5 ； ；，；l ； 盹 专 一 卜。专疆 螂r 。 ：墨：】二： o 郴1 一 l 匪 一，毒口车 嚣诮 车 # 釜一i a 吐m 絮 扣 “。p 一 ：订一飞”哥什 图3 _ 8 电源切换电路 监控电路，它是实时监控整个系统的外部电源供给情况，采用的是m a x 8 0 9 芯片。三管脚的微处理器复位芯片砌t x 8 0 9 是一种单一功能的微处理器复位芯 片，用于监控微控制器和其他逻辑系统的电源电压，它可以在上电掉电和节电 情况下向微控制器提供复位信号。当电源电压低于预设的门槛电压时，器件会 发出复位信号直到在一段时间内电源电压又恢复到高于门槛电