（检测技术与自动化装置专业论文）基于msp430的数字电能表的设计技术研究.pdf

基于k s p 4 3 0 的数字电能表设计技术的研究 摘要 电能是现代社会中国民经济和人民生活的重要保障，随着社会的快速发展 往往导致电能的供应与使用之间产：生矛盾。为了解决这一矛盾，电能计量的分 时计费方式可以通过调节人们的用电行为，对提高电能利用的合理性和缓解电 力供需矛盾具有重要价值。但是传统的机电式电能表无法执行分时计量和分时 计费的功能，因此基于单片机技术设计的新型数字电表是实现新型电能管理方 式的前提。 笔者在论文工作中试图探索分时计费数字电能表的设计技术，主要工作内 容有： 基于m s p 4 3 0 c 3 2 3 进行了电能表的完整设计，其电压电流采集电路 具有特色和成本优势： 在对t i 的电能计算的简化扫描原理( r s p ) 深入研究的基础上，将 其移植到基于平均功率的电能计算方法中； 探索了利用m s p 4 3 0 c 3 2 3 的有限硬件资源与软件的有机结合，实现 实时时钟、1 2 c 和串行通信等接v j 的设计方法； 以电能表为对象，重点探讨了基于低功耗单片机的低功耗仪表的基 本原理和设计技术，对其它低功耗仪表的设计具有参考价值。 关键词：电能表， m s p 4 3 0 单片机，分时计费系统，简化扫描原理，低 功率设计，硬软件合成 s t u d y o nt h e d e s i g nt e c h n i q u e o f m s p 4 3 0b a s e d d i g i t a le l e c t r i c i t ym e t e r a b s t r a c t t h ee l e c t r i ce n e r g yi sag u a r a n t e et on a t i o n a le c o n o m ya n d d a i l yl i f ei nm o d e r n s o c i e t yw i t h t h ef a s td e v e l o p m e n to ft h es o c i e t y , c o n t r a d i c t i o nb e t w e e nt h ed e m a n d a n d p r o d u c t i o n o fe l e c t r i c a l e n e r g yo c c u r s t i m e s c h e d u l e dt a r i f fs y s t e m ，t h a t c h a n g e su s e r sb e h a v i o ri ne n e r g yc o n s u m i n ga n dr a t i o n a l i z e st h ee l e c t r i c a le n e r g y u t i l i z a t i o n ，i s a ne f f e c t i v ea n dv a l u a b l em e a s u r et os o l v et h i s p r o b l e m f o rt h e e n e r g ym e a s u r e m e n t t h et r a d i t i o n a lm e c h a n i c a le l e c t r i c i t ym e t e rn ol o n g e rc a nm e e t t h er e q u i r e m e n t so f t h i sn e wt a r i f fs y s t e m ，a n dm i c r o c o n t r o l l e r - b a s e dd i g i t a le m e t e r b e c o m e st h ep r e r e q u i s i t ea n db a c k b o n eo ft h i st a r i f fs y s t e m t h ea u t h o ro ft h i sd i s s e r t a t i o nc a r r i e do u tt h es t u d yo nt h ed e s i g nt e c b m i q u eo f d i g i t a le - m e t e r s t h a ts u p p o r tt i m e - s c h e d u l e dt a r i f fs y s t e m ，m a i n j o bi n c l u d e s ： a no v e r a l ld e s i g no fa nm s p 4 3 0m i c r o c o n t r o l l e r - b a s e de m e t e rw i t h c o s t e f f e c t i v e n e s sm a d u n i q u ev o l t a g ea n d c u r r e n ti n p u tc h a n n e l s ； as t u d yo nt h et i sr e d u c e ds c a np r i n c i p l e ，a n dt r a n s p l a n t e dt h i s a l g o r i t h mi n t o aa v e r a g ep o w e rb a s e da p p r o a c hf o re l e c t r i ce n e r g y m e a s u r e m e n t ； d e s i g nm e t h o d st h a ti n t e g r a t e s t h em s p 4 3 0 c 3 2 3 sl i m i t e dh a r d w a r e a n ds o f t w a r er e s o u r c e st o i m p l e m e n tr e a l t i m ec l o c k ，1 2 c a n ds e r i a l c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e s ； w i t he m e t e r a sa p l a t f o r m ，as t u d y o nt h ef u n d a n a e n t a l sa n d t e c h n i q u e so fl o w - p o w e rd e s i g nt h a tm i g h tb e o fr e f e r e n c ev a l u et o o t h e rl o w p o w e rp r o c e s sm e a s u r i n gd e v i c e s k e y w o r d s ：e l e c t r i ce n e r g ym e t e r , m s p 4 3 0 s e r i e sm i c r o c o n t r o l l e r ，t i m e 。s c h e d u l e d t a r i f fs y s t e m r e d u c e ds c a np r i n c i p l e ，l o w p o w e rd e s i g n ，i n t e g r a t i o no fh a r d w a r e a n ds o f l w a r e 合肥工业大学 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大学 硕士学位论文质量要求。 答辩委员会签名：( 工作单位、职称) 主席：史孺勿赫季衷旋 委员： 捌，c ( 坼眦翟 己彦孰 “ 。 恢芬纠春也 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的训f 究成果。据 我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中1 i 包含其他人已经发袭或撰写过的 研究成果，也不包含为获得金墅王些盔堂或其他教育机构的学何或i i f ! 书而使用过的材 料。与我一同作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作，明确的说明并表示嘞 意。 学位论文作 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒妲王些盎堂有关保留、使h j 学位论文的划定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印仲硐i 磁盘允计一论文被查阅或借阅。奉人授权盘 肥”n i p 大一可吼将学位论文的全部或部分论文内容编人有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、扩编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 乞：瓣翎张氏奄鬼 签字目划：扣“砗专月j 口 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 棼字啉姻酽弓门岁 电话： 邮编： 致谢 感谢我的导师张祟巍老师在我读研究生期间给了，我的指导、关心和帮助， 在张老帅的悉心指导f ，我顺利地完成了研究生课题研究干u 论文的撰写。张老 师对科学的认真态度、海人不倦的师比风范、虚怀若稃的学者风度是我学习的 榜样。张老师不但指导我领会科研的方法还教导我如何做人，让我受益匪浅。 感谢在完成课题研究的过程巾给予我很大帮助的杜少武老师、张必老师、 陈荣保老师、孔慧芳老师、储h d 碧老师和朱敏老师。感谢他们在繁忙的工作中， 抽出时间给，我指导。 感谢吴杰同学、薛大为同学和胡存刚同学，他们在学习和生活上给了我很 多的帮助。 感谢我的父母、姐姐、哥哥和女朋友对我的关心和支持，使我能够顺利地 完成论文的准各和撰写。 最后，向审例本论文的专家、教授致咀深深的感谢 作者：汪国林 第一章绪论 1 1 课题背景 电能是社会生产、人民生活必需的重要能源之一，随着国民经济的不断发 展，电力需求急骤上升，电力供应与电力需求出现了刁i 平衡。目前，全国一些 省份存在电力供应不足，这不但阻碍了经济的发展，也妨碍了人民的生活。在 世界常规能源日趋匮乏的今天，电能的节约与电能的有效利用具有重要意义。 电能表是当前电量计量和经济结算的主要工具，随着现代检测技术、电气与电 子技术的不断发展，使人们能够开发出功能更多、准确度更高的电能计量装置。 本课题研制了基于m s p 4 3 0 的单相多功能电能表，它具有分时计费功能， 即对每天的用电量进行分段计量，实行分时计价，通过利用经济杠杆调节人们 的用电行为，促进对电能的节约和有效的使用。 1 2 数字仪表的发展历程 仪表技术的发展过程和一般事物发展的趋势一样，经历了一个从低级到高 级的过程。它随着其他学科如微电子技术、计算机技术和网络技术的发展而发 展。二十世纪五十年代，仪表技术发展取得突破，数字技术的出现使得各种数 字仪表得以问世，将模拟仪表的精度、分辨力和测量速度提高了好几个数量级， 为实现测试自动化打下坚实的基础。六十年代中期，随着计算机技术的引入， 测试技术又获得重大进展，开始了仪表数字化、数显化的历程，但是仪表还不 具备记忆、数据处理、可控及人机对话等高级功能。进入七十年代，计算机技 术进一步渗入，使仪表在传统的时域与频域之外，出现了数据域测试，被测系 统的信息载体为二进制数据流，仪表前面板向键盘化方向发展。 二十世纪七十年代后期，出现了完全突破传统仪表的、全新的一代仪表。 它内含微处理器，以微处理器为核心，具有信息处理、数据处理、显示记录、 传输与测量过程自动控制等一系列功能，甚至还具有辅助专家推断分析与决 策，人们习惯上把这种仪表称为智能仪表。 智能仪表的出现，极大地扩充了仪表的应用范围。智能仪表凭借其体积小、 功能强、功耗低等优势，迅速地在科研领域和运用领域得到广泛的运用。 1 2 1 智能仪表的概念 智能仪表是以微处理器或微控制器芯片( 如单片机) 为核心的可以存储大 量测量信息，并具有对测量结果进行实时分析、综合和作出判断能力的仪表。 智能仪表一般具有自动测量的功能和强大的数据处理能力，具有进行自动调零 和单位换算的功能。能进行简单的故障指示，具有操作面板和显示器，有简单 的报警功能。 从结构i 卜看，智能仪表是个专用的微控制系统。它主要由硬件和软件组 成，图1 1 是其典型的硬件组成图。 图l l 智能仪表的系统框图 硬件部分包括输入通道、微控制器及其外围模块、标准通信接口和输出通 道。一般的： 作过程是：传感器拾取被测参量的信号转换成电信号，经滤波去 除干扰后送入多路模拟开关：由微控制器选通模拟开关将各输入信号逐一送入 放大器，放大器的信号经a d 处理后变换成相应的数据送入微控制器中；微控 制器根据仪表所设定的初值进行相应的运算和处理；运算结果送入显示和打 印；微控制器把运算结果与存储于片内的f l a s hr o m 或e 2 p r o m 内设定的 参数进行比较后，根据运算结构和控制要求，输出相应的控制信号：与计算机 相联，使仪表可以接受计算机的程控命令，由计算机进行全局管理。 智能仪表的软件部分主要包括测控程序和接口管理程序两部分。测控程序 通过控制数据采集，对数据进行预定的设置：对数据存储器所记录的数据和状 态进行各种处理：以数据、字符、图形等形式显示各种状态信息以及测量数据 的处理结果：通过键盘操作输入，并存储所设置的功能、操作方式与工作参数。 接口管理程序主要面向通信接口，其内容是接受并分析来自通信接口的各种有 关功能操作方式与工作参数的程序操作码，并通过通信接口输出仪表的实时工 作状态及测量数据的处理结果，响应计算机的远程控制命令。 1 2 2 智能仪表的特点 与传统仪表相比，智能仪表主要具有以下特点： 操作自动化。仪表的整个测量过程如键盘扫描、量程选择、开关启动 闭合、数据的采集、传输与处理以及显示和打印都用单片机来控制操 作，实现测量过程的自动化。 具有自动调整功能。包括自动调零、自动故障与状态检测、自动校准、 自动诊断及量程自动转换等。 具有数据处理功能。这是智能仪表的主要优点之一。由于采用单片机 或微处理器，使得原来许多硬件逻辑难以解决或根本无法解决的问题 可以通过软件灵活地解决。 测量精度高。可以利用单片机或微处理器执行指令的快速性和a d 转 换时间短等特点对被测量进行多次测量求其平均值，排除一些偶然的 误差和干扰，还可以进行数字滤波，剔除粗大误差和随机误差。 具有友好的人机界面，智能仪表通过使用键盘代替传统仪表中的切换 开关，操作人员只需通过键盘输入命令，实现预定功能。显示屏可将 仪表的运行状态、工作状态和对数据的处理结果及时反映出来，使仪 表的操作更方便和直观。 具有可程控操作的能力，智能仪表一般配有g p i b 、r s 2 3 2 、r s 4 8 5 以及 现场总线等标准的通信接口，可以很方便地和计算机或其他仪表组成 用户需要的多种功能的测量系统，来完成复杂的测试任务。 1 。2 3电子技术、计算机技术和网络技术的进步对智能仪表发展的推动 1 微电子技术的发展对仪表智能化的影响 微电子技术是微电子学中各种工艺技术的总称，它包括系统和电路的设 计、工艺技术、材料设备、自动测试等一系列技术。 自从二十世纪五十年代末第一块集成电路问世以来，集成电路从在一个芯 片上只有几个晶体管发展到今天有几十亿个晶体管的规模。微电子技术的发展 基本遵循摩尔定律( 每隔1 8 个月集成度增长一倍) 高速发展，七十年代芯片 的线宽为5 u m ，八十年代为1u m ，目前处于0 3 5u m 到o 2 5u m 之间，甚至已 经达到0 1 3u m 。过去一块p c b 板、一个机箱、一个机柜的仪表，今天可以集 中在单个芯片上，系统设计已经从传统的p c b 设计进展到专用v l s i 芯片的设 计，这对仪表技术的智能化有着重大影响。 对仪表来说，把一些性能要求很高的单元线路设计成专用的集成电路具有 重大意义。专用集成电路a s i c 的出现，为这一要求的实现奠定了基础a 现在 可以把a d c 、d a c 、运算放大器、比较器等模拟电路、微处理器、d s p 等功 能部件以及闪速存储器、s r a m 等大规模存储器集成在一块芯片中，从而减少 了仪表开发中微处理器外围电路的扩展要求，减少了由于电路分散引起的外部 干扰，提高了仪表的可靠性。 d s p 技术的出现为仪表智能化发展开辟了广阔的天地，从1 9 7 8 年美国a m i 公司推出第一款d s p 芯片以来，随着大规模及超大规模电路技术的发展，d s p 技术也获得了飞速的发展。d s p 芯片采用哈佛总线结构，片中集成了硬件乘法 器，具有快速的指令周期。在系统开发方面，硬件与软件不断完善。某些d s p 芯片具有相应的集成开发环境，它支持断点的设置和程序存储器、数据存储器 和d m a 的访问及程序的单步运行和跟踪等，并可以采用高级语言编程，有些 厂家和一些软件开发商为d s p 应用软件的开发准备了通用的函数库及各种算 法子程序和接口程序，这使得应用软件开发更加方便，开发时间大大缩短，因 此提高了产品开发的效率。 近年来，美国t i 公司提出一种新的概念“d s p s ”( d s p 解决方案) 受到广 泛的重视。所谓d s p s 即d s pj 吝片制造商可随d s p 芯片提供整个系统的解、决 方案。以d s p 为核心，配合先进的混合信号电路、a s i c 电路、软件及丌发工 具等集成为一套完整的方案，能广泛应用于各个领域。d s p 技术的兴起，d s p s 概念的提出，必将进一步促进仪表智能化的进程。 2 计算机技术的发展对仪表智能化的影响 自从迅猛发展的计算机技术及微电子技术渗透到仪表技术领域，便使该领 域的面貌不断更新。 通过计算机，人机交互的信息传送可以分为三个阶段：单纯文字、字符、 数据交互；多媒体信息交互；虚拟现实的信息交互。数据信息也称为数字信息 或数值信息，文字字符信息又统称为非数字信息。这是传统的计算机信息交互 方式。 二十世纪9 0 年代是多媒体交互时代，它将文字、音频、视频、图形、图 像与动画等信息集成在计算机中。仪表与计算机相结合，取代了许多笨重的硬 l q 二，内部结构和人机交换界面大为改观，节省许多开关和调节旋钮。计算机通 过键盘或遥控接口接受命令和信号，并用来控制仪表的运行，执行常规测量， 对数据进行智能分析和处理，数字显示或传送，而传统的模拟方法是很难做到 的。 虚拟现实是信息交换的第三个阶段，在虚拟现实系统中，数据分析和显示 完全用计算机的软件来完成。因此，只要额外提供一定的数据采集硬4 t 二，就可 以与计算机组成测量仪表。这种基于计算机的测量仪表称为虚拟仪表。在虚拟 仪表中，使用同一个硬件系统，只要应用不同的软件编程，就可得到功能完全 不同的测量仪表。虚拟现实技术的发展和运用，将极大地改变智能仪表的现状。 3 网络技术的发展对仪表智能化的影响 进入二十一i 丛纪，以i n t e r n e t 为代表的汁算机网络的迅速发展及相关技术 的日益完善，突破了传统通信方式的时空限制和地域障碍，使更大范围内的通 信变得十分容易，i n t e r n e t 拥有的硬件和软件资源正在越来越多的领域中得到 应用，与此同时，高性能、高可靠性、低成本的网关、路由器、中继器及网络接 i - 1 ：占片等刚络互联设备的不断进步，又方便了i n t e r n e t 、不同类型测控网络、 企业网络间的互联。利用现有i n t e r n e t 资源而不需建立专门的拓扑网络，使组 建测控网络、企业内部网络以及它们与i n t e r n e t 的互联都十分方便。伴随着网 络技术的飞速发展，i n t e r n e t 技术j e 在逐渐向智能仪表设计领域渗透，实现智 能仪表基于i n t e r n e t 的通讯能力以及对设计好的智能仪表进行远程升级、功能 重置和系统维护。 把t c p i p 协议作为一种嵌入式的应用，嵌入现场智能仪表( 主要是传感 器) 的r o m 中，使信号的收、发都以t c p i p 方式进行，如此，智能仪表在 数据采集、信息发布、系统集成等方面都以企业内部网络( i n t r a n e t ) 为依托， 将智能仪表的测控网和企业内部网及i n t e m e t 互联，便于实现测控网和信息网 的统一。在这样构成的测控网络中，智能仪表充当着网络中独立节点的角色， 信息可跨越i 叫络传输至所及的任何领域。智能仪表的测控环节能节约大量现场 布线、扩大测控环节所能涉及的地域范围，使智能仪表扩充和维护都极大为方 便。 基于w e b 的信息网络i n t r a n e t ，是目前企业内部信息网的主流。应用i n t e r n e t 的具有开放性的互联通信标准，使i n t r a n e t 成为基丁t c p i p 协议的丌放系统， 能方便地与外界连接，尤其是与i n t e r n e t 连接。借助i n t e m e t 的相关技术，i n t r a n e t 已被广泛应用于各个行业。i n t e r n e t 也已开始对智能仪表产生越来越大的影响。 目前，智能仪表的测控系统的设计思想明显受到计算机网络技术的影响，基于 网络化、模块化、开放性等原则，智能仪表的测控网络由传统的集中模式转变 为分布模式，成为具有开放性、可互操作性、分散性、网络化，智能化的测控 系统。 1 9 9 9 年2 月，j i n i 软件技术问世。j i n i 软件技术旨在使各种智能仪表和采 用j a 、，a 芯片的各种装置能连接上网，j i n i 软件连同以j a v a 语言编写的简单程 序，可使联网的任何仪表设备实现其自身功能的同时，还能为其他仪表设备加 以利用。 智能仪表的联网，高档测量仪表设备以及测量信息的地区性、全国性乃至 全球性资源共享，实现了各等级计量标准跨地域实施、远程数据采集与测控、 远程设备故障诊断、自动抄表等等，提高了仪表的智能化水平。 1 2 4 虚拟仪表是智能仪表发展的新阶段 虚拟仪表是基于计算机的软硬件测试平台，利用现有的计算机，加上特殊 设计的仪表硬件和专用软件，形成既有普通仪表的基本功能，又有一般仪表所 没有的特殊功能的高档、低价的新型仪表。虚拟仪表由计算机硬件、应用软件 和仪表硬件三部分构成，通过软件将计算机硬件资源与仪表硬件有机融合为一 体，把计算机强大的数据处理能力和仪表硬件的测量、控制能力结合在一起， 通过软件实现对数据的显示、存储以及分析处理。 虚拟仪表的系统结构构成和传统的仪表一样，也由三部分构成：数据输入， 进行信号调理并将输入的被测模拟信号转换成数字信号便于处理；数据处理， 按测试要求对输入信号进行各种分析与处理；数据输出，将量化的数据转换成 模拟信号并进行必要的调理。 虚拟仪表的主要特征是： 1 灵活性。虚拟仪表把仪表功能交付给用户去实施。随着测量需要的变 化，用户可以方便地增加硬件或软件组成部分，或者重新配置现有的硬件与软 件组成部分。特别是当用户转移到下一个研究开发项目时，不必抛弃其硬件和 软件，只需制作一种新的虚拟仪表； 2 功能强大。虚拟仪表既有仪表硬件的功能，又有计算机硬件的功能， 更有计算机软件的功能，现有硬件发展迅速，软件技术也在不断发展，所以虚 拟仪表比传统仪表功能大为增强； 3 使用方便，易于维护。虚拟仪表具有很友好的用户界面，窗口接口， 这为使用和维护提供了有利条件； 4 高性能价格比。虚拟仪表由需要部分专用硬件和软件，目前比较贵， 但是由于虚拟仪表主要采用量大面广的普通计算机硬件和强大而成熟的软件 环境，可实现灵活的仪表功能而具有重用性，所以具有优异的性能价格比和良 好的应用前景。 虚拟仪表的出现是仪表发展史上的一次革命，代表仪表发展的最新方向和 潮流，将对仪表技术的发展产生不可估量的影响。 1 3 国内外电能表技术发展的现状 1 电能表概述 1 8 8 0 年，汤姆斯爱迪生根据电解原理发明了电能表，但它只适用于对直 流电能的测量。1 8 8 8 年，随着交流电的应用，人们开始研究交流电表a 1 8 8 9 6 年，人们根据意大利的费拉里斯教授提出的感应式电能表原理成功地制造出了 交流电能表即感应式电能表。当有交流电流通过时，其电压与电流线圈将交变 的电压与电流转变成交变的磁通，驱动转动部分( 圆盘) 旋转，记录转动部分 所转过的圈数，将其转换成相应的电能。到十九世纪末，经过诸多科学家的努 力，研究出较完整的感应式电能表制造理论。 随着电力事业的发展和人们对能源的有效利用使得感应式电能表在使用 过程中暴露出它固有的缺点：功能单一、准确度低、频率适应范围窄等。二十 【堕纪六十年代，为了扩充电能表的使用功能，出现了感应式脉冲电能表。它依 然采用感应式电能表的测量机构，只是利用光电传感器将电能转换成电脉冲信 号，通过电子电路对脉冲信号进行处理和计算，完成电能的计量工作。但并没 根本上改变感应式电能表的缺点。 二卜世纪七十年代，研制成功电子式电能表，也称为静止式电能表。电子 式电能表利用电子线路把单相或三相交流功率转换成脉冲或其它数字量。根据 转换方式不同，全电子式电能表主要有热电变换型、时分割乘法器型和模拟 数字变换( a d c ) 型。 热电变换型利用电能的热效应产生热量，再利用热电元件把热能转换成一 个正比于电功率的电信号，热电变换型电能检测方式成本较高，适用于制造高 精度仪表，不适合大规模生产。 时分割乘法器型的核心是时分割乘法器，它实质是一个脉宽、幅度调制器， 输入时分割器的两路输入信号分别被进行脉宽和幅度调制，调制后得到的脉动 信号的直流分量即为两路输入信号的乘积。时分割乘法器型电能表因其成本 低，精度好而得到广泛运用，但般适用于生产普通电能表，它的主要障碍在 于功能扩展比较困难。 模拟数字变换型电能表将电压、电流瞬时值转换成数字量，由微处理器对 它们进行分析处理，a d c 检测到的是反映电量的最基本的量，微处理器肘它 进行各种数字处理，计算出瞬时功率、无功功率、视在功率、电能累计值、功 率因素，电压电流的大小等。模拟数字型电能表在精度、功能扩展、启动电流、 频率的响应等方面都适于研制开发多功能电能表，因此获得广泛运用。电予式 电能表与感应式电能表相比，有了质的飞跃，它具有测量精度高、功能扩展容 易、可测频带宽等优点。 2 我国电能表技术发展的现状 按3 7 人一户计，我国居民生活用电能表有3 5 亿只左右，其他电能表按1 亿只计算，总计应有4 5 亿只左右，其中感应式电能表在全国市场中占有7 0 左右的份额。但它却在一些突出的问题：一是合格率低，超差严重，国家对感 应式电能表抽查合格率低于7 5 ，机械磨损是感应式电能表无法克服的缺陷； 二是抄表方式落后，虽然感应式电能表经过局部改装，可以实现自动抄表，但 其原理决定了感应电能表主要靠手工抄表。随着电能表数量越来越多，抄表与 核算的工作量越来越大，人工抄表准确度难以提高。三是偷窃电现象严重，感 应式电能表由于电流、电压接线端子外露，很容易采用改接线或倒表手段进行 窃电。 我国2 0 世纪7 0 年代开始用电子式电能表，先是依靠进口，到8 0 9 0 年 代国内已经能够生产0 0 5 级电子式电能表。经过十多年的发展，现在我国的 电能表技术水平在大部分领域已经达到国外同类产品的先进水平。在市场经济 下，人们对电能的计量的准确度越来越高，对用电的管理要实现智能化和自动 化，这些都是感应式电能表无能为力的。近年来，高准确度、多功能、氏寿命 且能实现远程抄表的多功能全电子式电能表的出现，为电子式电能表取代感应 式电能表创造了条件。 3 国外电能表技术发展的现状 国外电能表技术的发展主要集中在电子式电能表的计量芯片上，而计量芯 片的核心是乘法算法的实现方式。目前，乘法器与相关算法的实现主要有三种 方式：1 ) 采用硬件搭建构成内部运算乘法器；2 ) 通过外部m c u 软件编程实 现乘法运算处理：3 1 采用d s p 或专用计量芯片实现乘法处理，如采用 a d c + d s p + m c u + 计量软件或专用计量部件+ m c u 的解决方案，前者如由 a t m e l 公司的a t 7 3 c 5 0 0 和a t 7 3 c 5 0 l 制成的电能表，后者如由t i 公司 m s p 4 3 0 f 4 2 x 制成的电能表。电能表未来的发展趋势是计量部分模块化，并能 直接给出所有高精度的测量参数，以及控制部分功能扩展。在电能表的制造技 术上，越来越多的新技术得到使用，如e d a ( 电子设计自动化) 、c a m ( 计算 机辅助制造) 、c a t ( 计算机辅助测试) 、s m t ( 表面贴装技术) 等。 1 4 选题概述 本选题所要研制的单相多功能电能表拟解决以往此类电表普遍存在的精 度差、功能有限、结构复杂、成本偏高等问题，本课题选择美国德州仪表公司 ( t i ) 的m s p 4 3 0 单片机作为电能表的微处理器，m s p 4 3 0 是超低功耗的1 6 位单片机，采用精简指令集。它具有丰富的片内外设，功能强大，并且具有很 低的电能消耗，特别适合在电池供电的设备中运用，图l 一2 是本选题开发的电 能表的结构原理图。 本单相多功能电表由输入转换部分、单片机部分、通信部分和输出部分组 成。其中，电压电流经输入转换变成单片机可以处理的信号，单片机采用 m s p 4 3 0 x 3 x x ，通信采用红 外通信方式，输出部分则是 有关数据送l c d 显示和脉 冲输出。在研制过程中，精 度、可靠性、功耗是侧重点， 并充分考虑产品化的需要， 采取了一些有利于推广的 措施。 参照电能表的有关标 准，本电能表实现以f 功 能： 1 电能计量：对市电的 电压、电流采样处理，得到 电压有效值，电流有效值， 有功功率和无功功率等电 能参数； 图1 2 多功能电能表结构图 2 费率管理：每天有3 种费率可供选择； 3 时间管理：具有日历、计量和闰年自动切换功能： 4 通信：利用红外通信方式，与电能表手持抄录器交换数据 5 显示：可显示上月、本月总电量及各费率时段的电量。 该电能表的主要技术指标如下： 1 电能计量精度达到1 ：时钟记时误差 o 5 s d ； 2 电气性能： 电子模块功耗 3 v a 工作电压范围o 8 1 2 额定电压 电池寿命8 年 3 环境条件： 工作温度 一2 0 。c + 5 5 。c 运输温度 一2 5 + 7 0 4 c 4 红外通信距离 4 m 第二章电能测量与多费率电能表 21 测量的概念及方法 人们借助于专门的设备，通过实验方法对客观事物取得数量信息的过程称 为测量。它与计量的区别在于：计量是以确定值为目的的一一组操作。般认为， 以国家法定计量单位为计值单位进行的测量属计量的范畴。 按被测量值的获取方法，测量可以分为三类：直接测量、间接测量和组合 测量法。 直接测量法是一i 需对被测量有函数关系的其它量进行测量而获得被测量 值的一种方法。 间接测量法是通过对被测量有函数关系的二个或三个以上的相关量的测 量而得到被测量值的测量方法。 组合测量法是当各未知量能以某些可测量的组合形式表示( 或改变测量条 件未获得这种不同的组合) 时，根据直接测量和间接测量所得的数据，通过一 组联立方程而求出各未知量的数据。 2 2 电能参数的测量 2 2 1 电压、电流测量 周期性电压、电流的瞬时值是随时变化的，所以一般用有效值表征它们的 作功能力并度量其“大小”，如电流有效值的定义是一个周期性电流的作功能 力和直流电流的作功能力相比，则有：在相同时间t 内周期电流i 流过电阻r 所做的功与直流电流i 流过电阻所做功相等，就称此直流电流的量值为此周期 电流的有效值。 直流电流i 流过电阻r 在时间t 内所做的功为： 彤= 12 r t 周期性电流i 流过电阻r ，在时间t 内，电流f 所作的功为： = j ：i z r d t 根据以上定义= 彬，即 f i 2 r d t ：i2 r t m 于是，周期电流i 的有效值为： ，= 辱r 恸 0 ( 2 1 ) j 几j 埋，电比伺坝1 且v 力： 矿= 朋蝴 上面两式( 2 1 ) 和( 2 2 ) 式，即是对电流、 根据周期性连续函数有效值的定义，将电压、 矿= 居1 善n 州一) ，= 持1 善n f 2 ( ”) ( 2 2 ) 电压求均方根值的运算。 电流函数离散化，得 式中“例和，f 彬分别表示被测电压、电流信号离散采样值。 ( 2 3 ) ( 2 - 4 ) 2 2 2 功率测量 电路由有源元件和无源元件组成，有源元件包括电源和反电动势，而无源 元件可以分成两类：一类是耗能元件电阻r ，另一类是储能元件电感l 和电容 c ，工作中的电路中时时刻刻都在进行着电能和其它形式能量的相互转换。在 含有储能元件电感l 或电容c 的正弦交流电路里，电阻元件( 以及反电动势负 载) 的端电压与端电流方向总是相同的，其瞬时功率都为正，它把电能转化成 其它形式的能量。而电感和电容上电压与电流的瞬时值在一个周期罩有半个周 期二者的方向相同，电能转化为磁场能或电场能储存在电感或电容内：另外半 个周期中电压与电流的实际方向是相反的，磁场能或电场能转化为电能回馈电 路。所以，储能元件能量的转换是双向的、可逆的，在一个周期内的平均功率 等于0 。 有功功率定义为一周期内瞬时功率的平均值，由于储能元件一周期内瞬时 功率的平均值为0 ，所以实际元件的有功功率也就是电路中电阻上耗能的规模。 无功功率反映了储能元件l 或c 在一周期内能量交换的规模，即电能与磁 场能或电场能交换的规模，其规模大小用能量交换的最大速率来表示。 一般周期信号电路的有功功率为： 1， p = 【u ( t ) i ( t ) d t ( 2 5 ) ” 其中t 为周期信号的周期。 式( 2 - 5 ) 经离散化可得 1n p = 吉”( 胛) 抑) ( 2 6 ) jv o = 1 注意( 2 - - 6 ) 式对正弦电路是完全适用的。 由于储能器件的存在，单相正弦电路中的有功功率的定义为： p = v i c o s ( 2 - 7 ) 其中矿、，分别为电压、电流有效值，c o s 咖为功率因数，它反映了有功功率与 视在功率s = v 1 的比值，而在物理上曲体现为正弦的电压波形与电流波形之间 的相位差。 单相正弦电路的无功功率的定义式为： q = v s i n ( 2 - 8 ) 在这里会面临以下两个有待解决的问题： 1 ) 如何得到式( 2 8 ) 的离散化表达式： 2 ) 因为非正弦电路的无功功率不能简单地体现为电压波形与电流波形之 问的相位差，因此不能以v l s i n 曲表示，在这种情况下如何求得非正弦 电路的无功功率。 下面就是解决上述问题的两个方法： 1 数字移相法 ( 2 8 ) 式可以变换为： q = v l c o s ( 一9 0 。) ( 2 - 9 ) 由式( 2 9 ) 可以看出，用电压采样值乘以滞后电压9 0 。的电流采样值然 后累加可以求得无功功率，即无功功率的离散化计算公式为： 9 = 专粪砌) f ( n + 争 ( 2 - 1 0 ) 9 。专善“( 删o + 等) ( 2 。1 0 ) 这种计算称为无功功率的简单数字移相法，它要求被测号为，“格的正弦波 情况，换句活浣，它不能对含有谐波的电路进行准确的无功功率测量。 2 视在功率法 实际运用中，电网还存在一些谐波成分，用式( 2 - 1 0 ) 计算无功功率将，“ 生较大误差，因此应该用下述方法进行无功功率的计算。 用( 2 - - 3 ) 和( 2 - - 4 ) 分别求出有效值v 、i ，然后求出视在功率s = v i ， 则有： q = 朽= 可 ( 2 - 1 1 ) 这种方法只要满足采样定理，在原理上可以实现对含有谐波的电路的有功 和无功功率的测量，并进而可推演出其它的一些被测量。 2 3 多费率电能表的原理 多费率电能表又称为分时计费电能表或复费率电能表，它可按预定的峰、 谷、平利段的划分，分别计量高峰、低谷、平段的用电量，从而对不同时段的 用电量采用不同的电价。 多费率电能表由电能测量单元和具有分时计量功能的电路组成，对电子式 电能表而苦，测量为了实现分时计量，电表设计的关键是漫有计时准确、时段 误差和日误差小、接通切换准确的时钟和时控电路，多费率电能表原理如图 2 1 。 图2 1 多费率电能表结构图 多功能电能表的费率结构按照电能表的技术要求，主要规定了不同的费率 结构，采用不同的费用结算方式，对电能表来说，需要存储费率结构的各种数 据表格，包括同费率表、周费率表、季节费率表和节假日费率表等，这些表格 不是孤立存在，丽是一个有机的整体，通过软件判断，选择合适的费率，实现 分时计费的功能。 最常用的费率结构有日费率、周费率、月费率和季节费率等，主要是日费 率和季节费率两种。日费率是指一天中按照时段顺序执行若干个不同的费率， 由于分时计费电能表一般都会有硬件日历时钟，可以将一天按计划分成若干个 时段，不同时段按不同的费率计费，同时只有激活的费率计度器，才会记录并 存储当前电量。每个费率时段包括两项数据，开始时间和激活的费率类型，丌 始时间的设置格式为h h ：s s ，例如7 点3 0 分应表示为0 7 ：3 0 ，激活的费率可以 选择电表内的任意一种费率类型，如t a r i f f ( 费率) 一1 ，t a r i f f - 2 ，t a r i f f - n 等。按照实际情况，一般选择三种类型费率，即峰、平、谷。在每日费率类型 中，费率开始时间必须是零点零分，即0 0 ：0 0 ，且相邻两个费率时间段的费率 类型不能相同，表2 一l 列举了一个常用的日费率表。 季费率表用来定义不同季节的 费率，它包括二类数据：季节费率 编号，季节开始日期，表2 - 2 给出 了种季费费表。 2 4 多费率电能表开发过程 本选题以美国德州仪表( t e x a s i n s t r u m e n t s ) 公司生产的以超低功 耗1 6 位单片机m s p 4 3 0 x 3 2 x 系列 为核心开发多费率电能表，其开发 过程遵循以下步骤： 1 根据任务需求及单片机所能 提供的资源( 外围i o 接口、定时 器、中断和计算时间等) 在m s p 4 3 0 系列中选择最适当的型号； 2 对硬件电路进行完整的设 计，并按工作条件选择单片机外部 器件； 3 根据设计任务对单片机的 r a m 单元进行分配和定义； 4 设计完整软件的流程图； 5 软件模块化汇编语言编程， 汇编1 孑纠错： 6 仿真调试与修改完善； 7 现场试验和测试。 表2 - 1 日费率表 开始时间结束时间费率类型 0 0 ：0 00 7 ：3 0谷 0 7 ：3 01 1 ：0 0崆 1 l ：0 01 9 ：0 0 平 1 9 ：0 02 3 ：0 0蝗 2 3 ：0 02 4 ：0 0 谷 表2 - 2 季费率表 季节开始时结束时费率类 间间 型 0 0 ：0 00 6 ：0 0谷 夏季0 6 ：0 00 7 ：3 0 4 月1 日0 7 ：3 01 l ：0 0 峰 至1 1 ：0 01 9 ：0 0平 1 0 月3 1 1 9 ：0 02 3 ：0 0蝗 日2 3 ：0 0 2 4 ：0 0平 0 0 ：0 00 6 ：0 0谷 冬季0 6 ：0 0 0 8 ：0 0平 1 1 月1 日 0 8 ：0 01 1 ：0 0 峰 至1 1 ：0 01 9 ：0 0平 3 月3 1 1 9 ：0 02 2 ：0 0 瞧 日2 2 ：0 0 2 4 ：0 0平 4 第三章电能表的硬件设计 3 1 硬件总体方案 图3 1 给出了电能表的硬件框图。 图3 一l 单相电子电能表的结构模块 图3 1 中的硬件按功能可分为测量、单片机、显示器、串行e 2 p r o m 存 储、通信和电源等单元。 1 ) 测量：其功能是把市电中的电压、电流高电平信号转换成单片机内a d 转换器能处理的低电平信号，市电经过电压互感器和电流互感器转换成交流低 电平信号后输入单片机。 2 ) 单片机：数据处理、计算、显示和通信的控制中心； 3 ) 显示：采用l c d 显示累计电能或其它数据： 4 ) 串行e 2 p r o m ：单片机内部r a m 掉电时将丢失随机存取的数据。故外 接一片e 2 p r o m 。主要用来存储各个时段的用电量、电能表常数、时间参数。 5 ) 通信：利用红外通信实现电能表与或手持抄录器之间的数据传输。 6 ) 电源：电源的提供可采取两种方案，一是市电经过整流、滤波、稳压， 得到稳定的直流低电压，向表内供电。这种方案的缺点是需要复杂的电源电路， 导致造价、功耗和停电数据保护和电气隔离等一系列问题。另一种方案是采用 电池供电，这在电表采用低功耗设计时是可行的，并且带来诸多好处。对于电 表来说，这两种供电方式都是可行的。但是对于某些过程仪表( 如远程压力、 温度流量仪表等) ，采用电池供电的低功耗设计就具有更大的优势。 本选题也探索了电池供电方案，并采用下列措施降低电表的功耗： 采用低功耗m s p 4 3 0 系列单片机： 使用低功耗外围器件( 如运放等) ； 数据的采集和功率的计算按一定周期( 如每秒种一次) 唤醒，电表大 部分时间处于休眠状态。 3 2 m s p 4 3 0 0 3 x x 系列单片机 单片机是电能表的数据处理部分的核心器件，系统要求在短时间内处理大 量的数据，凼此要求单片机有较高的运算速度。 图3 - - 2m s p 4 3 0 x 3 2 x 系列的内部结构 本选题在对多种单片机进行了解后，决定采用m s p 4 3 0 系列单片机 m s p 4 3 0 x 3 2 x 作为电能表的核心。m s p 4 3 0 系列单片机是美国德州仪表( t e x a s i n s t r u m e n t s ) 公司生产的以超低功耗为主要特色的1 6 位单片机，其中 m s p 4 3 0 x 3 2 x 系列属于外围较为丰 富且支持l c d 的中档产品，其内部 结构如图3 2 所示，主要特点如下： 2 5 5 5 v 工作电压： 消耗电