智能多用户电能表的设计

智能多用户电能表的设计 I 摘 要 随着电子技术的发展 电能表的生产规模越来越大 同时 在能源越来越 紧张的环境下 多用户智能电能表具有重要的现实意义和较高的应用价值 多 用户智能电能表十分适合我国国情 其功能也很完善 本文在电能计量理论研究的基础上 是以 ATT7022 为模数转换芯片 用 S3C44BOX 为主要控制芯片 通过 ARM uClinux 嵌入式平台 GPRS 通信技术 CAN 通信技术等 研究设计和开发一套用于智能电网的智能型三相多用户电能 表 电能表采用模块化的设计 主要分为硬件和软件两个方面 这种设计不仅 能够很好地满足电能计量 远程抄表等需求 还有有利于节能和平衡用电 具 有一定的社会应用价值 关键词 关键词 ATT7022ATT7022 S3C44BOXS3C44BOX 多用户电能表 多用户电能表 智能多用户电能表的设计 II Abstract With the development of electronic technology watt hour meter production scale is bigger and bigger At the same time in an increasingly tense energy environment multi user intelligent watt hour meter has important realistic meaning and high application value Multi user intelligent watt hour meter is very suitable for China s national conditions its function is also very perfect Electric energy measurement is presented in this paper on the basis of theoretical research is ATT7022 modulus conversion chip using S3C44BOX as main control chip through the ARM uClinux embedded platform and GPRS communication technology the CAN communication technologies such as research design and development of a set of intelligent multi user three phase watt hour meter used in smart grid Watt hour meter adopts modular design mainly divided into two aspects of hardware and software This design not only can well meet the demand of electricity measurement remote meter reading etc and is good for energy saving and balance of power Has a certain application value in society Key words ATT7022 S3C44BOX Multi user watt hour meter 智能多用户电能表的设计 目 录 摘 要 I Abstract II 第 1 章 绪 论 1 1 1 课题背景 1 1 2 电能表的发展历史 1 1 3 国内外的研究现状 3 1 4 本论文的组织结构 4 第 2 章 系统设计方案 5 2 1 系统设计思路概述 5 2 2 系统的方案选择论证 5 2 3 多用户电能表硬件设计方案 7 2 4 多用户电能表软件功能设计 8 第 3 章 智能电表硬件设计 9 3 1 电能计量理论 9 3 2 智能电能管理系统 10 3 3 主要模块电路设计 12 3 3 1 电源设计 12 3 3 2 信号输入电路设计 13 3 3 3 电量计量电路设计 16 3 4 4 CAN 通信电路设计 20 3 3 5 液晶显示电路设计 23 3 4 本章小结 26 第 4 章 智能电表软件设计 27 4 1 嵌入式系统环境设计 27 4 1 1 S3C44BOX 的资源 27 4 1 2 储存器介绍 28 4 2 uCLinux 操作系统 29 4 2 1 uCLinux 简介 29 智能多用户电能表的设计 4 2 2 uCLinux 嵌入式软件系统移植 32 4 3 uCLinux 操作系统下的设备驱动设计 35 4 3 1 uCIinux 系统下的设备驱动 35 4 3 2 uCIinux 系统下设备驱动程序的使用 37 4 3 3 在 uClinux 系统下的 CAN 驱动程序设计 37 4 4 主程序程序设计 39 结 论 42 参考文献 43 致 谢 45 附录 A 多用户电源电路图 46 附录 B ATT7022 计量电路 47 附录 C 多用户电能表通信电路 48 智能多用户电能表的设计 1 第 1 章 绪 论 电能表由于长期连续工作且用量大 而且它的耗电是不可忽视 根据计量 部门提供的型式检验报告 对各种各样电能表的自身能耗进行了比较 现有单 户电能表功耗多在 1W 以上 虽然满足国家所制定的标准 但是从节能角度考 虑 还应尽量减少电能表的功耗 而多用户智能电能表 其平均每户自身功耗 却不到 0 3W 每户年节电大概 10 度 相比之下效益十分巨大 在能源越来越 紧张的环境下 多用户智能电能表具有重要的现实意义和较高的应用价值 多 用户智能电能表十分适合我国国情 其功能也很完善 因此 国家应支持和鼓 励多用户智能电能表的发展 1 1 课题背景 随着我国电力的发展和人们生活中家用电器的普及 用电量日益增大 并 且用电的高峰和低谷存在较大的差距 电力系统网络结构日益复杂庞大 用传统 的方法已无法实现当代供电和用电管理系统的需要 现代化的供 用电管理方 法要求电能表具有分时计价和自动远程抄表等功能 微电子技术 计算机技术 和通信技术的高速发展为电子式电能表的迅速进步和日益成熟的提供了强大的 技术支撑 近年来我国的城市居民住宅建设发展十分迅速 随之而来楼房所用电能表 的 数量也日益增多 人们常常简单地将市场上现有的商品化电能表集中挂成一面 表墙 当用户较多时 将给使用 维护和管理带来诸多不便 研究表明 从我国目前一个公寓楼房单元通常住有十几户甚至几十户的实际出发 开发和 应用集多表位于一体的 多用户多功能组合式新型智能电能表具有重要意义 1 2 电能表的发展历史 一 电能表的出现 由于电能在最早开始投入生产的时候使用的是直流电 因此 1880 年 或 1881 年 爱迪生利用电解原理发明了第一台直流电能表 安时计 由于年代 智能多用户电能表的设计 2 久远 我们只能猜测爱迪生将电解装置接入电路 通过电解过程中某种化合物 的生成量来计算电能转化 但是这种理论存在一个问题 根据高中所学的电解 知识 在已知电解质种类的情况下 我们可以计算单位时间内的电荷转化量 进而得到电流 二 感应式电表 随着工业进程不断加快 受技术的限制 直流电已经无法满足市场的要 求 交流电登上了历史的舞台 1889 年 匈牙利岗兹公司一位德国人布勒泰 制作成总重量为 36 5kg 的世界上第一块感应式电能表 在感应式电表刚发明 出来的时候还存在很多问题 一方面 导磁材料性能差 增大了电能表体积 和质量 另一方面 转盘材料产生涡流过程中电能消耗太大 因此 之后感 应式电表又得到了逐步改进 1905 年出现了增加非工作磁路改进成九十度的 方法 大大提升了电能表各项参数 随后性能较好的高导磁材料的出现 大 大地减轻了电能表的重量并缩减了其体积 上世纪三十年代开始 电能表釆 用铬钢 铝镍合金代替原来的镍铜 并通过降低电能表转盘的转速来降低其 损耗 同时改善了电能表的负荷特性 感应式电表因结构简单 造价低廉 维修方便 操作安全在电能计量中得到了广泛引用 但是感应式电表也有自 身的缺点 消耗人力 准确度低 功能扩展困难 防窃电能力差 2 1 三 电子式电表 二十世纪六十年代末 日本发明了时分割乘法器并提出了其测功率原理 实现了全电子化测量装置 受到全世界的关注 电子式电能表的出现很好地 解决了感应式电表的一些问题 功能强大 准确度高 防窃电能力强 但是 由于全部由电子元件构成 电子式电表最大的缺点就是使用寿命短 除此之 外 维修复杂 抗干扰能力弱也是限制其发展的因素 4 3 四 机电一体式电表 上个世纪末 针对电能表实现多功能 高精度及便于自动抄表 具有先 进通讯接口等诸多功能扩展需要 出现机电一体式的特种电表 且功能完善 机电式电表采用感应式电能表作基表 同时应用电子电路来实现新的功能 例如机电式长寿命电能表一体化程度高 各零件均采取了特别工艺处理 既 克服了电子式电能表由于电子元件容易老化寿命短的问题 也克服一般机电 智能多用户电能表的设计 3 式电能表工艺的不足 并可在各种恶劣环境条件下的正常运行 但是既然机 电式电表以感应式电表作为基表 就还存在着感应式电表的缺点 五 智能化电表 随着全球性 智能电网 和国家电网公司 电力用户用电信息采集系统 建设的开始 电能表 不再仅作为单一计费仪表而存在 而是正向智能化 系 统化 模块化和多元化的系统终端发展 自动抄表系统与负荷控制系统逐步合 并升级成用电信息采集系统 并向高级测量体系过渡 且已成为最具发展潜力 的电工仪器仪表产品之一 在此影响下 当前感应式电表的市场份额已经下降 到两成不到 而随着智能电网建设的进一步推进 电子式电表将呈现出完全取 代感应式电表的趋势 并逐步向 智能电表 过渡 智能电表是一种新型全电 子式电能表 具有电能计量 信息存储及处理 实时监测 自动控制 信息交 互等功能 支持双向计量 阶梯电价 分时电价 峰谷电价等实际需要 也是 实现分布式电源计量 双向互动服务 智能家居 智能小区的技术基础 它还 能对居民用电负荷情况自动示警 避免超负荷导致的短路及火灾等严重事故 另外 居民可以使用充值卡或网上充值两种方式缴纳电费 方便快捷 因此可 以预见 将来电能表的发展必将是以智能化作为最终目标 成为覆盖全国的智 能化电网的系统终端 5 1 3 国内外的研究现状 近年来 国内外对于研究数据通信理论和电量计量已经接近成熟 现在国 内外的研究热点是智能电网相关技术 什么是智能电网 就是电网的智能化 以高速双向通信网络为基础 通过先进的测量和传感技术 先进的控制方法和 先进的决策 支持整个智能系统的应用 来实现电网总体的经济 安全 可靠 高效 友好和使用安全的目标 在 2005 年 加拿大人马克坎贝尔发明了一种利用 Swarm 群体行为原理的技 术 使大楼里的电器相互协调 减少大楼在用电高峰期的用电量 他通过一种 无线控制器 把整个大楼的电器连接起来 并对之有效控制 在 2006 年 美国著名的 IBM 公司与一些企业 全球电力专业研究机构合作 开发了一套 智能电网 的解决方案 该方案被比喻成电网系统的 中枢神经 智能多用户电能表的设计 4 系统 供电网络公司可以通过使用先进的计量表 先进的传感器 先进的计 量表 先进的数字控件和先进分析工具 自动监控总个电网 优化电网运行性 能 防止电网断电 而且可以更快地恢复供电 普通消费者对电力使用情况的 管理也可细化到每个联网的智能装置 在我国 2007 年 10 月 华东电网智能电网可行性研究项目正式启动 并 计划了从 2008 年至 2030 年的智能电网建设 三步走 战略 第一步 在 2010 年初步建成电网高级调度中心 第二步 2020 年全面建成具有初步智能特性的 数字化电网 第三步 2030 年真正建成具有自愈能力的智能电网 2008 年 美国的科罗拉多州波尔得 Boulder 城市 这个全世界第一个智能 电网城市 智能型电表进入每家每户 人们不仅可以随时地了解当时的电价 从而把一些耗电的事情 比如洗衣服 洗浴等安排在电价低的时候 还可以帮 助居民优先使用太阳能等清洁能源 2009 年 2 月 2 日 我国能源问题专家武建东 在 全面推互动电网革命拉 动经济创新转型 的文章中 明确提出中国电网函须实施 互动电网 革命性 改造 互动电网就是智能电网 第二年 国家电网公司制定了 关于加快推进 坚强智能电网建设的意见 确定了建设坚强智能电网的基本原则和总体目标 6 1 4 本论文的组织结构 第 1 章绪论部分 介绍课题的背景和研究意义 从整体上给出了智能电能 表的研究思路 第 2 章系统方案设计部分 介绍了系统的硬件和软件的设计方案 第 3 章电能表硬件设计部分 分析电能计量理论 介绍计量芯片的内部结 构和 ATT7022 外围电路的硬件设计 而且着重分析和设计了电能表的主要硬件 模块 电源模块 信号输入模块 CAN 通信模块和显示模块 第 4 章电能表软件设计部分 本系统是利用 arm uClinux 进行开发 先介 绍了 S3C44BOX 主控芯片 存储器芯片 u boot 移植和 uClinux 内核移植 再 进行了嵌入式系统下的驱动设计和电能表主程序设计 最后结论部分 对本系统的工作做出总结 智能多用户电能表的设计 5 第 2 章系统设计方案 本课题设计和开发是智能电网终端产品之一一新型智能多用户电能表 电 能表具有同时通断控制 电量存储 计量多个用户 电量显示 远程抄表等功 能 为电力部门进行调配电力创造了条件 2 1 系统设计思路概述 本系统设计采用模块化设计 主要分为硬件和软件两个方面 硬件方面主 要的模块有电源模块 多路选择模块 信号采集模块 时钟模块 通信模块 断 电控制模块和显示模块 电源模块为电能表提供能量 多路选择模块在 CPU 控 制下循环选择其中一路信号进入计量电路中 信号采集模块将需要测量的电压 大电流信号转换为小信号 时钟模块为系统提供时钟 通信模块负责电能表与 用电管理部门 用户之间通信 断电控制模块对欠费用户进行断电 显示模块 显示电量数据 软件方面设计是在 arm uClinux 平台之上进行的 其中包括对 u boot 和 uClinux 内核的移植 uClinux 嵌入式系统下的驱动设计 电能表的主程序设计 2 2 系统的方案选择论证 智能多用户电能表将 24 户的计量单元 供电电源 存储单元 显示单元以 及电表通信单元放在同一结构中 即一个 CPU 外接多个计量芯片 采集每个 用户的数据 把数据以脉冲的形式发给单片机 实现对用户的用电分别计量 与单片机相连的显示单元 显示各用户用电状况 可通过通信模块远程抄表 将 数据上传 达到电力部门用电的统一管理的目的 多用户电能表能计量 24 户用 户的用电 可实现对 24 户的电能分别计量 集中管理 并可以显示当前用电和 远程抄表 原理如图 2 1 所示 智能多用户电能表的设计 6 图 2 1 智能多用户电能表原理框图 仪表的原理框图中 计量单元 将采集的脉冲给单片机 数据处理单元 通 信接口 ZigBee 接口 使数据上传 电源电路 负责给系统供电 液晶显示 显示不同用户用电量信息 用户计量单元采用 RN8209 电能计量专用芯片 该芯片具有设计的低成本 单相 两线制 高精度等优点 可以同时采集两路电流一路电压 进入计量芯 片输入端 通过对 RN8209 内部寄存器的设置 以脉冲的形式输出 将脉冲给 单片机 单片机计量相应的脉冲数量 即为对应的用电量 液晶电路采用 1602 液晶显示模块 每行可以显示 16 个字符 其中第一行 显示用户编号 第二行显示各用户当前的用电量 在通信部分 将小区的每块 电能表的数据通过 ZigBee 网络传输到一起 然后再集体上传 实现小区用电的 1 24 用户计量单元 I O 扩展 I O 脉冲 主 机 P 1 C 1 6 C 6 5 B LCD 显示器 储存器 实用时钟 电压监测 光控按键 485 接口 从机 CPU I O 扩展 1 24 户 继电器 控制 红外接口红外抄表 器 ZiggBee 模块 智能多用户电能表的设计 7 远程集中管理 该表具有 RS485 通信接口与远程投切装置相连接 接收主机命 令 根据用户缴纳电费情况实现相应各用户继电器分合控制 该表同时设计红 外通信接口电路 在不具备组网条件的小区采用红外掌上抄表器实现数据的自 动抄录 2 3 多用户电能表硬件设计方案 多用户电能表硬件设计系统的整体结构框如图 2 2 所示 图 2 2 电能表硬件设计框图 在该方案中 智能电表是通过信号采集电路中的电压互感器将电压信号变 成可以用于芯片测量的电压小信号 电流互感器将电流信号变成可以用于芯片 测量的电流小信号 使得到的小信号通过多路选择电路进入专用计量芯片 断 电控制模块控制着用户通断电情况 如果用户交费 或欠费后 该模块是根据 电量情况 对用户通断电 存储模块存储这着电能表运行程序 记录着用户用 电数据 存储用户用电行为模式参数 时钟芯片以便于电能表进行用户用电行 为模式分析和电能管理部门在复费率情况下 切换电价等 JTAG 接口是本电 能表的调试接口和程序下载接口 GPRS 通信模块会将电能数据发送到用户手 机 电源模块 S3C44B0X JTAG 接口 多路选择 电路 GAN 通信模 块 断电控制模块 计量芯片 GPRS 模 块 信号采集器 时钟芯片 显示模块 储存模块 智能多用户电能表的设计 8 通过专用的计量芯片将变换好的电流 电压信号进行 A D 转换 接着利用 内部数据信号处理 计算出采样的电能有功功率和无功功率等 以及智能系统 所 需的各种各样的电能参数 并对电能进行累计 再将这些数据存放在芯片特定 的寄存器内 供 S3C44B0 芯片读取 电源模块一定要为整个电表系统的运行提供稳定可靠的电源 在此次电源 的设计中 采用的是改进的三相变压正极输出并连和低压差芯片技术 只要三 相中其中的一路有电 电能表就能进行工作 大大增强了电能表的工作稳定 S3C44B0 是通过 CAN 通信模块电能表数据上传至电力管理部门 实现他 们能实时的得知电能数据 同时及时作出反应 如 用户峰时节电谷时用电 变 电站配送电力等 在此次 CAN 通信电路中 采用磁珠等改进技术来增强其 10 9 通信稳定性 2 4 多用户电能表软件功能设计 本次系统的软件是在嵌入式系统环境下设计完成的 用电电量等数据接收 程序分信号采样与处理程序 用户通断电控制程序 GPRS 拨号程序程序 CAN 通信程序 电能表显示程序 数据存储程序 电能表状态检测程序等几部 分组成 系统软件所要实现的功能如下 1 电流电压信号采集 断电控制的功能 2 实现 CAN 模块通信数据的功能 3 实现 GPRS 模块通信拨号上网和收发短信的功能 4 存储电量数据和参数 时钟设置读取等功能 5 实时显示各种参数电量 6 能够检测到电能表的异常信息 上传报警的功能 7 进行用户用电行为分析 调整费率等 上述任务在处理的过程中 应能保证各个任务处理的实时性 并且各个任 务在操作共享资源时应能不造成冲突 智能多用户电能表的设计 9 第 3 章 智能电表硬件设计 硬件部分是功能实现的载体 本系统设计的目的就是设计一种成本低廉 便于管理 安全可靠又便于维护的智能电网管理系统终端 本章开始从电能计 量理论开始分析 然后再简叙电能表的基本功能 研究设计适用于智能电网技 术智能电表的主要硬件模块 3 1 电能计量理论 在自然界中 人类不可以直接利用的电能 人类只能把其他形式能量转换 成电能 比如 水力发电的势能转换 火力发电的热能转换等等 从物理角度来看 电能是从电能源流向负载的能量流 负载消耗电能的快 慢 程度用功率表示 功率为电压与电流的乘积 功率的越大表示负载消耗越快 反 之越慢 功率有两种表示方式 1 瞬时功率 2 平均功率 对于直流电来说 电压 和电流恒定不变 所以平均功率与其瞬时功率的值是相等的 而对于交流电来 说 电压和电流在时刻变化 所以瞬时功率也在时刻变化 因此平均功率与瞬时功 率 并不时刻相等 如果要计算在交流电下工作的用电设备 一段时间内消耗的总 的 电能 必须在这段时间内 对瞬时功率依次进行积分累加 得到要求的总的能 量 智能多用户电能表的设计 10 消耗 现在 假如设电压的表现形式为电流为 tu ti 则可知 瞬时功率 3 1 tp titu 由公式 3 1 可知 瞬时功率也是随着时间变化的函数 如果想要求得平均 功率 即在某个时间段内的平均值 应该等于该函数 3 1 对单位时间积分后 再除以这个时间段 所以平均功率应为 TEP 平均 3 2 Tdttitu t t 2 1 同样可知 如果电压和电流是正弦信号交流电 则公式 3 2 可以等价为 3 3 TdtIU t t TEP cos 2 1 平均 在上式 3 2 中 在物理量中 为交流电流有效值 为交流电压有效值 IU 因为电力网中的复杂性 使得交流电流和交流电压的相位并不一致 所以电流 有 效值和电压有效值之间必定存在相位差 在式 3 3 中 本文把当为功率因数 它的含义是 有功功率与视在功 cos 率的比值 在电力网中 电能实际消耗的平均功率为有功功率 的乘积为IU 视在功率 在现实电网中 交流电压电流一般会受到各种各样的因素影响 信号中常 常包含了 50Hz 频率以外的其他正弦信号 而这些信号是多次谐波频率信号 基 频信号的整数倍 频率包含了 100Hz 150Hz 00Hz 等等 此外 在电力网中 工作着各式各样的电器 例如开关电源 它将会引入 各种的噪声进入电力网络 从而使电压波形发生畸变 但是事实上 从文中可 以发现瞬时功率公式 它本身就是含有直流分量和各次谐波高 tp titu 频分量信号 由数学公式可知 任何不为 0 的频率分量在长期积分结果为一定 值 时间对于该频率的积分来说没有任何用处 因此对于电量的计量 在数学 上来说 就是瞬时功率中的直流分量在时间上的积分和 瞬时功率的各次频率 智能多用户电能表的设计 11 分量对电能 计量没有任何用处 这种理论正是当前许多电能计量芯片 进行有功电能计量 的 基本原理 7 3 2 智能电能管理系统 本智能多用户电能表所处在的电能管理系统中的如下位置 电能管理系统 方 案如图 3 1 所示 方案中 数据转接器 多用户电能表 用电管理部门构成了整个智能电能 管 理系统 这个系统完全具备智能电网的基本特性 1 通过先进的传感和测量技 术 2 先进的控制方法以及先进的决策 3 高速双向 其中每个部分的功能有着不同 在整个系统中都承担着一定的作用 电能 表中因为 GPRS 模块 可以与用户手机之间通过 GPRS 网络联系起来 而电能 表之间与数据转接器通过 CAN 总线连接在一起 数据转接器与用电管理部门 通过各种通信连接在一起 一起形成了功能较为强大的智能电能管理网络 各 个设备功能具体如下 GPRS 网络 数据转 换器 用电管 理部门 智能多用 户电能表 智能多用 户电能表 智能多用 户电能表 GPRS 网络 GPR 通信 CAN 总线 智能多用户电能表的设计 12 图 3 1 智能管理系统网络框图 1 智能多用户电能表是智能管理系统的终端部分 它的功能有 电量显示 和存储 电能采样计量 用户通断电控制 数据传输 费率计算等功能 S3C44B0 芯片就是本次设计的电能表 大脑 CPU 控制着外围全部硬件 模块 使它们工作协调进行 S3C44B0 芯片通过在运行前己经记录于存储模块 芯片其中的程序 来控制外围所有的模块 2 用户通过电能表中的 GPRS 模块来接收电价信息 电量信息 使用户随 时可以了解用电情况 3 数据转接器是连接用电管理部门 电能表终端或者智能电网中心服务器 的连接点设备 是电能表与服务器之间的枢纽 4 用电管理部门综合各用户的电网运行参数进行数据和用电数据分析 处 理 调控用户用电和调整用电政策 用来实现电网的可靠 安全 高效 经济 环境友好和使用安全的目标 8 3 3 主要模块电路设计 此次系统是由多个硬件模块组成 且功能强大 下面介绍主要是 4 个模块 的电路设计 电源模块 信号输入电路 CAN 通电路 LCD 显示电路 3 3 1 电源设计 电源是所有电子智能系统中必不可缺少的模块单元 它是所有电子设备中 供给能量的动力部分 此次设计的电能表产品非常特殊 需要很长时间不间断 工作 并且智能电表在计量上的准确性要求较高 运行时要求非常可靠和具有 抗干扰强的能力 所有严格的要求 必须要以电源部分工作安全稳定为前提 因此 智能电能表的电源设计是十分重要的模块之一 本次系统采用由交流电经变压 整流 滤波 稳压而形成的直流电源 它 的要求实现为通信模块 CPU 和主处理器中的各处理芯片提供电能 该电能表 智能多用户电能表的设计 13 为三相电能表 A B C 三相依次经过三个变压器降压输出后 经过桥式整流 变为直流电来实现并联输出 电路图如附录 A 在现实生活中 也许会出现只 有一相或者两相电源在供电的情况 如果出现这种情况 下面的设计保障可以 提供电表稳定电源 当交流电 A B C 三相任何其中一相有电时 都能供给电 表电能 该电能表需要 15V 9V 5V 3 3V 和 2 5V 等多种不同的电压源 如 S3C44B0 就需要 3 3V I O 供电电源 和 2 5V 内核供电电源 而继电器芯片需要 15V 的 电源等 此次系统采用的 LM2576 15 5 芯片和 LM 1117 5 0 3 3 芯片 附录 A 电路中 交流电整流输出后的直流电波形是半正弦信号 不可以直 接用在各级芯片 因此需要电源芯片 LM2576 整流变成稳定电压的直流电源信 号 DC DC 直流降压开关电源是 LM2576 能稳定的输出数字电压源 它有 3 3V 5V 12V 15V 和 ADJ 等可调输出 可调输出电压的范围 1 23V 37V 输出电 流为 最大 3A 宽电源的输入为 3V 45V 输入电压最高可以达 45V 开关频 率为 52KHz 封装 TO 220 263 过热保护和限流保护等功能 LM2576 芯片的 外围电路如 L1 C7 可以起到稳定电压的目的 C8 电容是高频滤波的作用 DS 二极管起到的是电压保护的作用 DW2 芯片的外围电路与 DW1 外围电路一样 LM1117 是低压差电压调节器系列 它的压差在 1 2V 输出 当负载电流为 800mA 时是 1 2V 其和国家半导体的工业标准器件 LM317 有一样的管脚排列 LM1117 具有可调电压的版本 通过 2 个外部电阻可以实现 1 25 13 8V 输出电 压范围 还有 5 个固定电压输出 1 8V 2 5V 2 85V 3 3V 和 5V 的型号 LM1117 系列具有 LLP TO 263 SOT 223 TO 220 和 TO 252 D PAK 封 装 输出端要用一个至少 l0uF 的钽电容用来改善瞬态响应和稳定性 LM1117 系列 的输出电流超过 1A 最大输入电压为 20V 用 3 3V 为例 电路的设计如附录 A 电路图所示 在以后的硬件功能模块中 还会用到特别的电源 例如数据通信中的需要 智能多用户电能表的设计 14 电源电路隔离 一般会采用 DC DC 隔离电源 电路的设计如附录 A 电路图所 示 3 3 2 信号输入电路设计 信号输入电路可以分为两个部分 信号采集模块和多路选择模块 信号采集模块是全部表计计量器件系统中不可缺少的 计量表计是通过信 号采集模块 来采集所测量的信号 经过一系列的内部处理 得到此次系统所 需要的信息 该电能表的信号采集可以分为两个部分 1 滤波部分 2 变压部 分 10K 10K 1 2K 1 2K 10nF 10nF 1 5 6 A 5mA 互互互互互 10K 10K 1 2K 1 2K 10nF 10nF 1 5 6 A 5mA 互互互互互 20K REFOUT VIP VUP VIN VUN 图 3 2 信号采集器 变压部分目的就是把三相交流电中的高电流和高电压信号转换成适合 A D 转换芯片输入范围的小信号 转换方式分为有两种 一种 先通过电路电的传递 函数方式把输入的 220V 380V 民用交流电来进行分压 再把分压信号传给电能 计量芯片的 A D 输入接口 另一种 通过电流或者电压互感器直接进行降压后 得到所需要的交流信号 可以直接输出给电能计量芯片的 A D 输入接口 两种 方式各有其优缺点 第一种方式的优点是成本较低 但因为要直接接到 220V 380V 民用交流电 智能多用户电能表的设计 15 电路 所以就会无法对交流电中的干扰信号进行有效隔离 以及电路中所选元 件必须是大功率器件 还要利用电路中的传递函数来进行分压 要求选择元件 的精 度必须要很高 另一种方式 就是利用互感器对交流电进行隔离变压 但信号 输出稳定 电路的设计也要比第一种方式简单 但成本一般会高于第一种方式 本文以实际情况考虑 此次设计选用的就是第二种方式 滤波电路的作用是用来滤去整流输出电压中的纹波的电路 其一般实由感 抗和电阻元件来混合组成 比如在负载电阻两端一般并联一个或者几个电容器 C 或着是在与负载串联的电路中增加电感器 L 各式电容和电感来混合组合 可以形成各种各样复合式的滤波电路 由 Nyquist 采样定理得知 对于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 一般会在采样器前面加一个保护性的前置低通滤 波电容 用来阻止高频率分量的进入 本文采用的是 RC 低通滤波电路 根据 设计的方案 本文选用的是通过电流互感器和电压互感器间接进行变压 图 3 2 是互感器的原理图 电流得到所需要的交流信号后 经过滤波电路的采集 可 以直接输出给计量芯片的 A D 接口进行采样 在本次系统的设计中 A 相分离是 8 个电流互感器 B 相分离是 8 个电流 互感器 C 相分离是 8 个电流互感器 分别用来对应 A 相 8 个住户 B 相 8 个 住户 C 相 10 个住户 共有 24 个住户 多路选择电路称做数据选择器 也叫多路选择器或多路开关 在本次设计的电能表当中 共有多达 3 个电压互感器和 24 个电流互感器 就意味着有 27 路数据需要处理 如果一起给每路信号单独的通道 就会需要设 计高达 27 路信号通路 硬件成本就会非常高 不切实际 因此本系统一定采用 其他的方法 根据时分复用的原理就可以得到解决方祛 时分复用的原理 就是把一个 传输通道进行等时间分割 用来传送若干电路的信息 比如 把 N 个电路设备 接到一条公共的通道上 如果它们同时通信的话 每个电路的信息将被其他电 路干扰 而无法通信 如果按照一定的次序 依次的给每个设备分配一段使用通道的时 智能多用户电能表的设计 16 间片 当轮到这个设备时 该设备才与通道接通 执行通信 与此同时 其它 的设备与这个公共通道的联系均被切断 等到一定的使用时间间隔一到 则通 过时分多路转换开关把通道联接到下一个要连接的设备上 让下一个设备可以 进行通信 时分制通信也叫时间分割通信 它是在数字电话多路通信上得到广 泛应用 因而 PCM 通信常叫做时分多路通信 本次系统中 一样可以利用到这个原理 来设计出专门的多路选择电路 可以根据需要将其中任意一路选出来 设计框图如下图 3 3 数据及译码总线 数据总线 第一组 8 户 第二组 8 户 第三组 8 户 图 3 3 多路采集通断控制框图 数据译码总线 选择其中的一个通路 同时 其他通路都在断开状态 这 一 通路能够让电能信号脉冲进入总线控制缓冲器 经由数据总线将数据传送至处 理芯片 等到下一时刻时 选择下一路的信号通路 这样一直循环进行 就将 每一个通道的信号采集到计量电路中 3 3 3 电量计量电路设计 电能计量的芯片是整个计量智能电能表的核心部件 它的工作就是模拟 数 字信号的转换 完成对电压和电流小信号的采集 电量计算所需的各种参数以 及完成数字信号处理 计量芯片的性能将会直接决定了数字电能表的其他相关 总线控 制缓冲 器 电能脉 冲信号 断电控 制信号 数据锁 存器 总线控 制缓冲 器 数据锁 存器 数据锁 存器 总线控 制缓冲 器 电能脉 冲信号 电能脉 冲信号 断电控 制信号 断电控 制信号 智能多用户电能表的设计 17 项性能指标 因此 对电能表的设计 在对计量芯片的选择要求上显得非常的 苛刻 在本次智能电表系统中 对电能计量芯片的功能除了要求要具有电流和电 压的采集以及完成 A D 转换以及完成和计算 还有各种所需的参数外 还要 求需要测得的参数的精确度的标准必须比较高 现在工业常用的三相交流电具 有三相四线 三相三线这两种类型 就需要电能计量芯片能兼容上面得这两种 模式 本文采用的是这些专用电能计量芯片来开发电子式智能电能表 不但 能够测量功率 电能 而且还能够测量电流 电压 频率 功率因数等多种电 能参数 还为电力部门电能管理的现代化提供了条件 此文综合比较各各种电 能计量芯片特性和功能 认为 ATT7022 还是比较适合本系统对于电能计量芯片 的要求 1 芯片 ATT7022 介绍 ATT7022 芯片 是一种高精度的三相电能专用计量芯片 它对三相三线和 三 相四线交流电的测量全适用 在芯片的内部集成了六路二阶 sigma delta ADC 参考电压电路 还有所有功率 有效值 功率因数 能量以及用于频率测量的 数字信号处理等电路 还能够测量 各相以及三合相的有功功率 无功功率 视在功率 无功能量以及有功能量 同时还能测量电压有效值 频率 功率因 数 各相电流 相角等参数 充分满足了三相多功能电能表的需求 ATT7022 支持增益校正 全数字域的相位以及纯软件校表 无功 有功电 能脉冲输出 CF1 CF2 引脚提供瞬时无功 有功功率信息 就可以直接接到 标准表 进行误差的校正 ATT7022 还会提供一个 SPI 接口 通过 SPI 接口 MCU 可以方便与外部之间进行计量参数和校表参数的传递 全部电能计量参数 都可以通过 SPI 接口读出 ATT7022 芯片内部具有的电压监测电路 用来保证加电和断电时正常工作 同时 ATT7022 芯片片内还包含有一个电源监控电路 这个电路可一连续对模 拟电源 AVcc 进行监控 但当该电源的电压低于 4V 士 5 时 芯片就会被复 位 这中监控电路有利于电路通电和掉电时 芯片的正确启动以及正常工作 智能多用户电能表的设计 18 电源监控电路就被安排在延时和滤波的环节当中 这样就在最大程度上 防止 由电源噪声引发的错误 为了保证芯片正常工作应对电源采用了去祸电容方式 使得 AVcc 的波动不得超过 5V 士 5 德 图 3 4 ATT7022 的内部结构框图 ATT7022 芯片的片内集成 6 路 16 位的 ADC 采用了双端差分信号输入方 式 它的最大输入电压是 1 5V 就可知输入最大的正弦信号有效值为 1V 本 ATT7022 框图 数字信号处理 DSP 脉冲生成 器 时钟控制电路 电源管理 参考电压 模拟信号采集 电流 ADC 电压 ADC SPI 通信 接口 有功功率 无功功率 视在功率 电压有效值 电流有效值 功率因数 频率测量 OSC0 OSC1 V1P SELSIGRESET V1N V3P V3N V5P V5N V2P V2N V4P V4N V6P V6N N CF1 SCLK DOUT ADD Revp VCC CF2 DIN CS AVCC REFOUTREFCAPAGND GND 智能多用户电能表的设计 19 文会将电压通道 Un 对应到 ADC 的输入选在 0 5V 上下 而当电流通道为 1b 时 ADC 输入就选在 0 1V 左右 ATT7022 芯片每相能量测量与计算的图如图 3 5 所示 前端的 16 位就是 sigma delta 型模拟 数字转换 ADC 采用了过采样技术 采用这种的方式 就可以充分保证采样的速率 芯片得有功功率计量就可以包 含高达 21 次谐波信息 在芯片中 数字高通滤波器主要是用来除去电流和电压 采样数据的直流分量 芯片无功功率计量的算法 与有功功率计量的算法类似 不同的是输入的电压信号在采用移相 90 度之后得 测量的带帘主要就是受到数 字移相滤波器的带宽限制 因此无功功率的测量也可高达 21 次谐波 ATT7022 通过对电压 电流采样值进行了平方 开方以及数字滤波等一系 列运算才得到 有效值测量误差小于 1 数 数字 字高 高通 通 滤 滤波 波器 器 数 数字 字移 移相 相 滤 滤波 波器 器 无 无功 功功 功率 率测 测 量 量 功 功率 率增 增益 益 补 补偿 偿 视 视在 在功 功率 率 计 计算 算 能 能量 量计 计算 算 测 测量 量频 频率 率 电 电压 压有 有效 效 测 测量 量值 值 电 电压 压增 增益 益 补 补偿 偿 数 数字 字高 高通 通 滤 滤波 波器 器 移 移相 相校 校正 正 有 有功 功功 功率 率测 测量 量 功 功率 率增 增益 益 补 补偿 偿 功 功率 率因 因数 数 相 相位 位计 计算 算 电 电流 流有 有效 效 值 值测 测量 量 电 电流 流增 增益 益 补 补偿 偿 电 电压 压 频 频率 率 有 有功 功能 能量 量 无 无功 功能 能量 量 无 无功 功功 功率 率 视 视在 在功 功率 率 有 有功 功功 功率 率 功 功率 率因 因数 数 相 相角 角 电 电流 流 电 电流 流通 通道 道 ADC采 采样 样 数 数据 据 电 电压 压通 通道 道 ADC采 采样 样 数 数据 据 图 3 5 ATT7022 数字信号处理框图 智能多用户电能表的设计 20 2 基于 ATT7022 的电路设计 一般来说 因 ATT7022 功能强大 所以硬件电路设计比较简单 与处理器 的接口电路只需五根线就可以 其中包括了 SCLK DIN DOUT RESET CS 这 5 个引脚 RESET 是芯片 ATT7022 的复 位引脚 如果在本引脚上 持续加上时间大于 20us 的低电平时 芯片 ATT7022 就会进入复位状态 如果 RESET 引脚出现高电平 芯片 ATT7022 又会从复位 状态变成正常的工作状态 主控制器能够通过的 I 0 口 RESET 引脚来进行控制 其它的四引脚则是用于 SPI 通信 SCLK 是 SPI 通信的同步时钟 引脚 CS 是 SPI 片选信号 DOUT 和 DIN 分别是数据输出线和数据输入线 附录 B 是 ATT7022 与采样信号的电路原理图 附图中的引脚编号对应芯片的真实引脚 3 4 4 CAN 通信电路设计 CAN 全叫做 Controller Area Network 就是控制器局域网 是现在国际 上应用最为广泛的现场几个现场总线之一 在 80 年代末时 CAN 最初出现在汽车工业的时候 德国 Bosch 公司提出 的 当时 消费者对于汽车功能的要求越来越多 但是这些功能的实现大多是 用电子操作的 使得电子装置之间的通讯就越来越复杂 这样就意味着需要重 名的连接信号线 提出 CAN 总线的最目的就是为了解决现代汽车中庞大的电 子控制装置之间的通讯 为了减少不断增加的信号线 因此 他们设计一个单 一的网络总线 全部的外围器件就可以被挂接在该总线上 例如 在在变速箱 控制器 发动机管理系统 在仪表装备和电子主干系统当中 全部嵌入 CAN 控制装置 到 1993 年 CAN 已经成为国际标准 IS011898 高速应用 和 IS011519 低速应用 在由 CAN 构成的单一总线网络中 理论上是可以挂接无数个节点 一个 接点就相当接一个控制器 但是在实际应用中 节点数目是会受到 CAN 网络 的硬件电气特性受到限制 比如 当使用 Philips PC82C250 用作 CAN 的驱动收 发器的时候 在同一个网络中 就只能够允许挂接 110 个以下个节点 CAN 总 线就可提供最高达 1 Mbit s 的数据传输速率 这样高的速度使实时控制变得非 常容易 此外 对 CAN 总线的硬件错误检定特性也大大的增强 同时对 CAN 的抗电磁干扰能力也大大的的增强 智能多用户电能表的设计 21 CAN 总线是一种以多主方式的串行通讯的总线方式 基本设计规范要求有 高抗电磁干扰性 高位速率 并且能够检测出总线数据产生的所有错误 当信 号传输距远达到 10Km 的时候 CAN 总线就可以提供高达 50Kbit s 的数据传输 速率 因为 CAN 总线具有很高的实时性能 所以 CAN 总线已经在汽车工业 航空工业 工业控制 安全防护等领域中得到广泛应用 成为最具广泛的总线 之一 CAN 总线的通讯协议描述的是设备之间的信息传递方式 CAN 总线层的 定义和七层模式 开放系统就互连模型 OSI 一致 模型的每一层与另一设备上 相同的那一层之间进行通讯 但实际上的通讯则是发生在每一个设备上相邻的 两层 而两个设备只有通过模型的物理层的物理介质互连 CAN 总线的规范定义模型 的最下面两层 数据链路层和物理层 在下表 3 1 当中 展示 OSI 开放式互连模 型的各个层 应用层协议可以是由 CAN 总线用户定义成适合特别工业领域的 任何的方案 DeviceNet 标准已在制造业领域和工业控制得到广泛的应用 这个 标准是为了 PLC 和智能传感器设计的 在传统的汽车工业中 许多汽车制造商 都应用的是他们自己的标准 CAN 总线能够使用许多种物理介质相连 比如双绞线 光纤等等 在现实 当中最常用的就是双绞线 CAN 信号用的是差分电压传送 两条总线信号线被 叫做 CAN L 和 CAN H 静态时均是在 2 5V 左右 此状态表示为逻 辑 1 也可以称为 隐性 如果 CAN H 比 CAN L 高 就表示为逻辑 0 叫做 显形 在这时 通常两线的电压值为 CAN H 3 5V 和 CAN L I 5V CAN 有着非常优越的特点 使人们大多数选择它作为总线使用 这些特性 包括 I 成本少 2 比较高的总线利用率 3 远距离的数据传输较能力 长达 10Km 4 速率能够高达 1Mbit s 高速数据传输能力 5 能够根据报文的 ID 决定接收或屏蔽该报文数据 智能多用户电能表的设计 22 6 有可靠的错误处理和检错机制 7 再次发送的信息遭到破坏后 能够自动重发 8 设备节点在错误严重的情况时 能够自动退出总线的功能 9 报文中不包括目标地址或源地址 仅仅用标志符来指示功能信息 优先 级等信息 表 3 1 OSI 开放系统互连模型表 1物理层 规定通讯介质物理特性 比如 信号交换和电气特性的解释 2数据链路层规定了介质上传输的数据位的组织和排列 如 数据校验和 帧结构 3网络层规定了网络连接的建立 维持和拆除的协议 如 路由和寻 址 4传输层 两通讯节点之间数据传输控制 操作 数据重发 数据错 误修复 5会话层 依靠低层的通信功