系统整体硬件设计

目录一、版本说明.2二、目标功能.22.1、参考的国家标准.22.2、系统目标功能.22.3、主要技术指标.2三、硬件电路模块介绍.33.1、系统总体硬件设计.33.2、电源模块.43.3、电能参数采集模块.53.4、存储模块.83.5、GPRS无线通讯接口.83.6、RS485通讯接口.93.7、红外通讯接口.93.8、段码液晶显示模块.103.9、实时时钟模块.103.10、控制模块.11智能电能表V2.0整体硬件设计一、版本说明2012年4月设计的V1.0版（未设计GPRS模块），在经过7个月的硬件调试和程序设计，发现几处错误，在V2.0版都进行了较合理的改进。2012年11月改进的V2.0版，经过初步调试，也发现几处小错误，稍作修改即可。二、目标功能2.1、参考的国家标准QGDW354-2009智能电能表功能规范及编制说明；QGDW356-2009三相智能电能表型式规范及编制说明；QGDW359-20090.5S级三相费控智能电能表（无线）技术规范及编制说明；DLT614-2007多功能电能表；DLT645-2007多功能电能表通信规约。2.2、系统目标功能（1）用电计测功能。电能计量，包含正向、反向有功电能量和四象限无功电能量；需量测量，测量最大需量、分时段最大需量及其出现的日期和时间；参数测量，可测量总及各分相有功功率、无功功率、功率因数、分相电压、分相电流、频率等运行参数。（2）存储功能。存储总电能和各费率电能数据；存储最大需量、各费率最大需量及其出现的日期和时间数据。（3）事件记录功能。应记录各相过压、失压、欠压、断相、过流、失流、断流以及全失压、逆相序、掉电、开表盖、开端钮盖、需量清零、电能表清零、远程控制拉闸和合闸事件等异常事件；应支持失压、断相、开表盖、开端钮盖、内部程序错误等重要事件记录主动上报。该功能主要用于监测系统电路是否出现故障，使用条件是否正常等。（4）通讯功能。通过无线GPRS通信接口、本地RS485通信接口和红外通信接口，电能计量系统与外界进行数据交换，实现自动快速传输抄表数据，预置系统参数和校对时钟等7。（5）数据显示功能。应具备自动循环和按键两种显示方式。显示内容分为数值、代码和符号三种。一般情况下都选用定制的段码LCD显示。（6）精准时钟功能。应采用具有温度补偿功能的内置硬件时钟电路；在丝25+60的温度范围内：时钟准确度应1s/d；在参比温度（23）下，时钟准确度0.5s/d。（7）信号输出功能。应具备与所计量的电能量（有功/无功）成正比的光脉冲输出和电脉冲输出；提供多功能信号输出；可输出电脉冲或电平开关信号，控制外部报警装置或负荷开关。（8）负荷记录功能。负荷记录内容包括“电压、电流、频率”、“有、无功功率”、“功率因数”、“有、无功总电能”、“四象限无功总电能”、“当前需量”六类数据项。2.3、主要技术指标依据相关国家标准，本系统还必须参照以下技术指标。（1）参比电压Un：3100V；（2）参比电流In：35A；（3）参比频率：50Hz。（4）辅助电源：100240V，交、直流自适应；（5）电压线路功耗：在线路供电下，每一电压线路的有功功率和视在功率消耗1.5W、6VA。在远方通信状态下，电压线路附加的功率消耗不应超过8W。（6）电流线路功耗：每一电流线路的视在功率消耗不应超过0.2VA。（7）电压测量范围：80V120V（交流有效值）；（8）电流测量范围：05A；（9）功率因数测量范围：0.5（滞后）1.00.5（超前）。（10）各相电压、电流测量准确度为0.5级；（11）有功电能计量精确度为0.5级；（12）无功电能计量精确度为2级。（13）工作温度范围：-2560；三、硬件电路模块介绍3.1、系统总体硬件设计为保证整个系统的稳定工作，电源模块必须在其输入端采取完备的保护措施，在其输出端进行正确隔离，分别为电能计量模块、通信模块、MCU等模块提供稳定电源输出。电压、电流信号通过预处理变为小信号后接到ADE7878的AD输入接口，在经过内部一系列运算之后将数据存入内部寄存器中，LPC2468通过串口（本设计采用SPI接口）读取指定数据，ADE7878与LPC2468之间的信号交换必须进行隔离，防止数字电路对模拟电路产生影响。存储模块采用铁电存储器FRAM和FLASH存储器配合完成数据的存储，FRAM以其读写速度快、擦写次数多、超低功耗的特点存储一些更新速度较快的少量的数据，而FLASH以其存储容量大的特点存储一些诸如月冻结的大量的数据。相关规约规定“电能表至少应具有1个红外通信接口、1个RS485通信接口及1个GPRS无线通信接口”。本设计红外通信模块为调制型红外光口，由红外发射管TSAL6200和红外接收管TSOP1838组成，载波频率为38kHz，载波由PWM0.4产生，串口使用UART3口。RS485通信模块与LPC2468之间使用光耦隔离，串口使用UART2口，备用通道使用UART3口。GPRS通信模块以深圳有方科技M590模块为核心，串口使用UART1口。另外还有232通信接口，使用UART0口。电能计量系统需要有一个精准的时钟，用以保证准时记录相应电能数据，LPC2468内部RTC模块的精度较低，所以采取外接DS3231实时时钟芯片的设计，-40+85范围内时钟精度为3.5ppm。模块使用环保型的锂电池作为时钟备用电源，设置AD0.6口监测其电压情况。此外，系统还需要一些指示灯指示系统工作情况，LCD显示相关电能数据，按键进行人机操作。输出信号均采取光耦隔离，包括控制输出、电能脉冲输出以及报警输出。在电源部分断电状态下，停电抄表电池可维持CPU以及部分模块继续工作，外部操作人员能够通过按键或非接触方式唤醒电能表抄读数据，设置AD0.7口监测该电池电压。LPC2468铁电存储器FM24CL64FLASH存储器M25P64GPRS通信485通信红外通信电能计量ADE7878被测电流预处理电路被测电压预处理电路SPII2C2模拟SPIUART2UART1UART3EINT1EINT2实时时钟LCD显示按键指示灯I2C1AD0.6P0.21,IO中断INT电池跳闸控制GPIOGPIOP1.0P1.2P1.8P1.10P4.17P4.18停电抄表电池AD0.7电能脉冲输出P4.3PWM0.4电源计量模块电源电路通信模块电源电路MCU等模块电源电路报警输出P4.16UART3232通信UART0IRQ1IRQ0P1.6,P1.5P1.11PM1,PM0RSTCF1，CF2DS18B20P1.12CF3P1.13隔离P2.3，P2.4控制信号指示灯P2.6，P2.8P4.4电源控制隔离多功能输出隔离图3-1智能电表系统总体结构设计框图3.2、电源模块按照电能表相应规范要求，电源输入部分必须兼容线路和辅助电源两种供电方式并能实现无间断自动转换。供电电压范围为100V240V，交、直流自适应。同时，表内测量与数据处理单元、通信单元使用的电源互相隔离。（1）电源输入为兼容线路与辅助电源两种供电方式，只需将两种供电方式分别进行整流之后再并联起来即可，这样通过整流回路将两种供电方式隔离开来，达到互不影响的效果。为符合供电电压的要求，需要采用比100V240V更宽输入范围的电源稳压模块，同时能够实现交、直流自适应。另外，还必须在电源输入端实施相应的保护，接入压敏电阻保护电源免受浪涌干扰。线路电源输入保护辅助电源输入保护整流回路整流回路电容滤波稳压模块电容滤波直流24V图3-2电源输入结构图（2）电源输出规范要求测量与数据处理单元、通信单元使用的电源互相隔离。同时数字部分与模拟部分的电源也必须互相隔离。因此，需要通过DC-DC模块电源来实现电源的相互隔离。直流24VDC-DC模块电源24V-5VDC-DC模块电源24V-12V电源变换24V-5VMCU、LCD、RTC等电源变换5V-3.3V电源变换12V-5VADE7878通讯模块图3-3电源输出结构图3.3、电能参数采集模块作为电能参数采集模块的核心，ADE7878能够高效的采集电压、电流信号，同时进行快速运算，最终将结果存取相应寄存器中，CPU可通过串口很方便的读取这些电能参数数据。ADE7878内部对输入信号的计算步骤如下：首先，输入的电压、电流信号分别由ADC转换为24位数字信号。然后，数字信号经过相位校正、增益校准和直流失调滤波后，逐步实现方均根值的计算，以及各种功率和电能的计算，在计算的过程中同样也进行了增益校准和偏移校准。下面简单介绍下ADE7878芯片的主要特点以及其内部采用的计量算法，在此基础上完成其外围电路设计。（1）ADE7878的特点ADE7878是一款高精度、三相电能测量IC，电压、电流通道均为24位-型ADC，提供SPI、I2C两种串行接口和三路可配置的脉冲输出，能够计算各种电能数据，包括基波有功/无功功率，总（基波+谐波）有功/无功功率，视在电能，基波有功/无功电能，等等。ADE7878适合测量各种三线、四线的三相配置下的有功、无功和视在电能，支持微分式电流互感器（CT），支持所有通道的波形数据输出。ADE7878芯片也可实现线路的功率质量测量，如短时欠电压或过电压检测、中性线电流失配检测。此外，三种特殊设计的低功耗电源模式能保证当发生窃电状态时电能累积的连续性。ADE7878还支持灵活的校表方式，通过调节电压电流的增益或功率的增益都能使误差达到要求。（2）ADE7878的计量算法设计对于含有谐波的交流系统，其瞬时电压、电流的数学表达式分别为：(3-1)1)sin(2)(kktVtv(3-2)1)i()(kktIti式中，当k1时，为各次谐波的电压、电流有效值；为各次谐波的相kIV、k、移。因此，瞬时有功功率的表达式为：(3-3)(cos()()(1tFIVtivtpkk式中，F(t)为不含常数项的关于t的函数，即p(t)的交流分量；而式中第一项为p(t)的直流分量。1coskkIV而整数个线周期nT内的平均功率由下式求得，式中P为总有功功率：(3-4)10)cos()(1kknTIVdtpP对比式(3-3)与式(3-4)会发现，实际上，总有功功率P等于瞬时有功功率p(t)中的直流成分，因此，在ADE7878计算出p(t)之后引入一个低通滤波器（LPF）即可将式(3-3)中的交流分滤除，从而得到总有功功率P。虽然LPF不可能达到完全理想的特性，但是由此产生的纹波实质上是正弦波，是会随着整数个周期的运算而被消去的，所以在周期累加模式下并不影响电能计算精度。当式(3-4)中的k=1时，就可以得到平均基波有功功率，即：(3-5)cos(11IVF无功功率为电流、电压信号之一相移90度后再相乘所得到的，因此，总无功功率、基波无功功率的表达式如公式(3-6)、(3-7)所示：(3-6)1)(sinkkIQ(3-7)i1VFADE7878会每隔125s(8kHz速率)向相应的24位带符号寄存器中存入一次电流和电压波形采样数据，即电流、电压、有功/无功/视在功率的瞬时值，MCU可以在数据存储完毕之后通过串口来访问这些寄存器的内容。能量e为瞬时功率在时间上的积分。ADE7878实现功率信号的积分分为两个阶段。第一个阶段在DSP中执行：瞬时功率按周期125s(8kHz速率)进行累加，结果存入累加器中，当其值达到所设置的THR阀值时，在处理器端口就会产生一个脉冲，同时将阀值从累加器中减去。第二个阶段在DSP外执行，处理器将生成的脉冲累加到一个32位的累加寄存器中。当电能寄存器被访问时，该累加寄存器的内容才被传送到电能寄存器中。因为能量计算中的纹波均为正弦波形，所以可将ADE7878设置为线周期累加模式，在该模式下，瞬时功率在整数倍的线路半周期时间上积分，正弦分量将降为0，在线周期结束时读取相应电能寄存器即可得到较为精确的电能量。因此，使用线周期累加模式下的总电能累积公式为（以有功功率为例）：(3-8)nTttkksIVdtpe1)(co)(式中：nT是累加时间。（3）模拟信号输入预处理电路本系统测量的额定电压有效值为100V，电流有效值为5A。而ADE7878内部ADC的最大模拟输入信号电平峰值为0.5V，即有效值0.35V。因此，必须设计信号预处理电路部分，使得电压信号由额定幅值100V降压为0.35V以下，电流信号由5A的电流须转换为0.35V以下的电压小信号。预处理电路的设计既要充分利用ADE7878的ADC转换位数，以提高精度，还要防止过量程时不至于测量溢出。电压信号取样可采用传统的小电压互感器，或电阻分压网络。电压互感器具有非常良好的隔离性能，能够有效的保护系统内部电路，但是由此带来的相位误差较大，影响测量精度，而且体积大、成本高。9因此，本设计采用无相位误差且成本较低的电阻分压的方法，相应的保护措施已经在电源部分有所涉及。为留有一定裕量并提高安全性，取样电阻选择1K，分压电阻采用5个110K和1个51K的电阻，这样额定电压100V经过电阻分压网络得到的输入取样信号有效值为0.166V。同时，为了保证精度，电路中的电阻全部采用误差仅为25ppm的高稳定度的精密电阻。KR632nFCVAPU04GND图3-4电压信号预处理电路电流信号取样可采用传统的小电流互感器，或低阻锰铜分流器。锰铜分流器成本很低，线性特性也很好，但是其大电流检测能力非常差，功耗也很高，还会引入直流失调问题等。而小电流互感器不会引入直流失调问题，功耗低，大电流检测能力很好，成本较低。本设计采用电流互感器的方法。电流互感器选用规格为1.5A/5mA的微型精密电流互感器，采样电阻也采用误差仅为25ppm的高精密电阻，阻值选用10，这样得到的采样电压额定值为0.166V，留有一定余量。具体电路见图3-5。T./mI978图3-5电流信号预处理电路另外，ADE7878在其内部ADC输入之前还设有PGA放大器，通过配置GAIN寄存器选择其增益倍数，用以检测变小的输入信号，提高计算精度。（4）ADE7878的外围硬件设计ADE7878的稳定工作对于保证其计量精度尤为重要，除了需要稳定的电源，还需要稳定的参考电压支持，以及完善的隔离电路。ADE7878芯片内部分为模拟部分和数字部分，而其片内设有2.5V数字LDO，因此无需外部提供数字电源，只需提供模拟3.3V即可。REF端为ADC的参考电压端，芯片内部可产生1.2V基准电压，但是其精度较差，因此采用外接精准参考电压，由1.2V超低功耗、高PSRR基准电压芯片ADR280提供。图3-6ADE7878外围电源电路为减少数字电路对ADE7878模拟采样的干扰，同时保护LPC2378等数字电路的安全可靠，在设计这两部分的接口电路时，须采取必要的电气隔离措施。本设计中选用ADI公司的采用iCoupler技术的四通道数字隔离器ADUM141x系列芯片。该隔离器将高速CMOS与单芯片空芯变压器技术融为一体，具有优于光耦合器等替代器件的出色性能特征，隔离效果非常好。iCoupler器件不涉及LED和光电二极管，所以其相关电路的设计也较简单，不需要外部驱动器和其它分立器件。简单的iCoupler数字接口和稳定的性能特征，可消除光耦合器通常具有的电流传输比不确定、非线性传递函数以及温度和使用寿命影响等问题。此外，在信号数据速率相当的情况下，iCoupler器件的功耗只有光耦合器的1/10至1/6。3.4、存储模块DL/T645-2007多功能电能表通信协议详细规定了电能表需要存储的各类数据，涵盖了电能量数据、最大需量数据、变量数据、事件记录数据、参变量数据、冻结数据、负荷记录数据，存储这些数据至少需要5M的存储空间，因此必须选用8M字节（即64Mbit）的FLASH芯片。本设计选用意法半导体公司的M25P64芯片，其速度极快，数据传输时钟频率达50MHz，简单的SPI串行接口大大简化了电路设计，深节能模式仅消耗1A电流，有效降低了系统功耗。由于FLASH擦除次数的限制以及其最小按页擦除的特点，因此其只适用于一次存储大量数据的情况，而对于一些短时间内便更新的数据最好采用可单字节操作的FRAM来存储。考虑到容量和适用性的因素，本课题选用FM24CL64，工作电压为2.7V3.6V，工作电流为75A（100kHz），待机电流仅为1A，功耗很低。容量为8192字节，读写次数为无限次，且为NoDelay写操作。I2C接口最高总线频率高达1MHz。3.5、GPRS无线通讯接口本课题采用无线通信模块外置方式，接口按照标准要求设计，主要提供模拟部分电源12V、数字部分电源5V、以及串口UART2。无线模块结构设计框图如图3-7所示。模拟部分电源12V经电源变换芯片得到ME3000工作电压3.9V，数字部分电源5V则用于驱动通信接口的隔离光耦。SIM卡可直接连接至ME3000对应管脚上图3-7GPRS无线通讯模块结构图3.6、RS485通讯接口RS485通信模块的电源以及信号输入、输出均须采取相应的隔离措施。本系统采用RS-485标准串行电气接口。电源采用DC-DC模块电源隔离，信号输入采用光耦隔离，收发器采用低功耗、半双工的MAX483芯片，信号输出采用磁环隔离。详细电路图如图3-7所示，TD1同时控制MAX483的接收和发送使能，接收使能为低电平有效，发送使能为高电平有效，这样就实现了TD1控制数据传输方向。默认情况下，T1_485为高阻态，这时光耦不导通，TD1则为高，TD1则为低，此时接收有效，因此默认情况下，电表为可接收数据模式，符合实际情况。而当系统发送数据时，T1_485为高低电平变化，当T1_485为低电平时，MAX483发送使能，输出为其4脚状态，电路图上4脚连接至GND，所以输出为低电平，与T1_485状态一致；相反，当T1_485为高电平时，MAX483发送禁止，输出为高阻态，但是通过R27R29的作用使得输出A1为高，B1为低，等效于RS485通信的高电平。最后，在输出端再设置相应的保护措施用以保护电表内部电路。_NDV10KC2TUHLABMXE9uF/隔离电源Z丝J公公公图3-7RS485通讯模块电路图3.7、红外通讯接口红外通讯是利用红外线作为传递信息的载体，即通信信道。发送端用脉冲调制（PPM）方式，将二进制数字信号调制成某一频率的脉冲序列，并利用该脉冲序列驱动红外发射管以光脉冲的形式向外发射红外光，而接收端将接收到的光脉冲信号转换成电信号，在经过放大、滤波等处理后送给解调电路进行解调，还原成二进制数字电信号后输出。简而言之，红外通信的实质就是对二进制数字信号进行调制与解调，以便利用红外信道进行传输，而红外通信接口就是针对红外信道的调制解调器。DL/T645-2007多功能电能表通信协议规定红外通信的载波频率为38kHz1kHz，故而采用适合此频段的红外发射管TSAL6200和红外接收管TSOP1838。发送脉冲调制采用三极管耦合，载波由PWM0.4产生，详见图3-8所示。VC720.1uFR4KSOUTGNDP83I_XQ569AL图3-8红外通讯模块电路图3.8、段码液晶显示模块设计选用整体性能较好、视角范围较宽的FSTN型段码LCD，根据需求所定制的LCD共有72个管脚，分为两组，每组各有四位公共端。HT1621芯片内嵌324位显示RAM内存，使用两片HT1621即可驱动上述段码液晶。HT1621内嵌256kHz的RC振荡器，无需外接晶振，此外，还可通过配置节电命令用于降低系统功耗。如图3-9所示，两片HT1621的通信信号采用并联方式，片选信号各自独立控制，这样，当显示上半屏内容时，置CS1有效，置CS2无效，将相应数据写入U1中；下半屏亦然。CS1U1HT1621writereaddataCS2U2HT1621LCDSEG1SEG32COM1COM4COM5COM8SEG33SEG64图3-9段码LCD模块结构框图3.9、实时时钟模块时钟是电能计量系统进行电量结算、事件记录、数据通讯的时间依据。实时时钟模块能为系统提供非常精准的时间依据，本设计采用高性价比、低功耗、低成本、高精度的DS3231芯片