智能抄表硬件设计方案

智能电网课程设计报告智能抄表系统的硬件设计方案1智能拷贝技术概述随着自动化程度的提高和电力需求的增加，电费查询支出占生产成本的比例逐渐增加。 对供电单位电力精细化的要求也越来越高。 传统的人力抄表和电话抄表工作量大，效率低，人为失误严重，有抄漏，可能发生抄表现象，必须用可靠可行的方法解决。 并且迅速、准确、经济、实时取得消耗电力的各种数据，是费用自动结算、使用量分析、仪表运行状况监测、负荷处理等应用管理工作的基础。 因此，应用计算机、无线通信和嵌入式技术设计分布式电能计远程智能抄表系统，提出三级管理手段，准确及时地将用户电信息送回数据中心，使电力企业计量、统计和收费等日益激增的工作更加容易，大大提高了管理水平和自动化水平智能抄表系统是强大的智能电网的基础，通过智能抄表系统实现电力公司与电力系统用户之间的有效可靠的交互。 能够实现主层、接入层、上行通信层以及终端层的有效协调和控制。 主层主要用于实现信息数据的收集和管理。 上行通信层主要是为了实现各站点的相互高效的链接。 构建智能抄表系统对于完善智能电网，实现电力资源合理配置具有重要意义。在欧美智能抄表系统的研究处于领先水平，以美国为例，美国的智能电网建设重视客户，主要对用户的具体功耗要求和变化实施智能管理，其实现方式主要包括智能电能表、智能抄表和家庭单位的计划功耗管理ADI公司直接参与部分州智能电网的建设，在智能仪表和无线网络的建设中取得了不俗的成绩。智能抄表系统的主要结构由集电极、集电极、通信系统三部分构成。1 )数据收集根据不同业务的数据收集要求，创建包括任务名称、任务在内的自动收集任务类型、收集组、收集数据项、任务执行开始时间、收集周期、执行优先级、正补充常时采集次数等信息，管理各种采集任务的执行，检查任务的执行情况。2 )数据管理采用统一的数据存储管理技术，对收集到的各种原始数据和应用数据进行分类存储管理，为“SG186”一体化平台提供数据汇总存储共享分析利用。 根据访问者的可靠性、数据频率和数据交换量，对外提供统一的实时或准实时数据服务接口，并向其他系统提供授权数据共享服务。 数据管理功能提供了全面的系统级和应用程序级数据备份和恢复机制。3 )控制功能屯信息收集系统中，在终端设定负荷值、功率值、电费值以及控制还可以提供相关参数的配置和控制命令，实现系统功率值控制、功率值控制和电价值控制功能，系统直接向终端提供远程直接开关控制命令，实现远程控制功能。系统有两种基本方法：点控制和点控制。双智能抄表集线器的硬件设计方案集中器在整个远程无线电抄表上运作。 整个通信系统的桥梁。 决定系统整体的性能。 集中器以单片机MCU控制单元为核心。 主要由电源供给电路、蓝牙通信电路、有线或者无线通信电路、键盘显示电路、数据存储电路、RS232计算机接口电路、能量控制电路等部分构成。 其结构图示于图2-1图2-1集中器系统的结构图单片机采用ATMEL公司的ATmega162，具有16K FLASH、1K RAM、35个I/O端口、2个UART、1个SPI和3个外部中断源，可以很好地满足系统要求。1 )蓝牙通信电路设计这里采用的是nRF903芯片。 该芯片提供由9个I/O组成的接口和微控制器的连接，并负责nRF903的部署。工作模式的选择。 针脚TXEN、STBY和PWR_DWN分别负责在nRF903接收模式、发送模式、停电模式和标准模式之间进行切换。 包括引脚CS、CFG_CLK和CFG_DATA的串行接口实现频率、信道、输出功率和输出时钟频率的配置，它们都是SPI接口。 可以直接连接到ATmega162上的SPI端口。 由于nRF903的发送和接口共享一个引脚，并且不能同时发送和接收数据，因此只能进行半双工通信，需要在10K下实现阻抗匹配和隔离。 在通信时，如果C_SENSE的输出电压为“0”，并且如果C_SENSE指示通信对方没有发送数据，则通信对方可能发送数据，并且需要由单片机处理。 单片机可以从CLK_OUT知道nRF903是否正常工作。2)RS232接口电路仿制作业人员随时前往现场进行集中器的数据读取和参数设定，但由于手持终端设备一般为PC，因此需要在集中器中设计RS232接口电路。 本系统使用MAX3111E串行异步收发器实现。 其接口电路如图2-2所示图2-2接口电路图ATmega162的MOSI与DIN连接来发送数据线，MOSI与DOUT连接来接收数据线。 MAX3111E的TX连接到T1IN，RX连接到R1OUT，并使用片上转换器实现从UART到RS232电平的转换。 MAX311E的中断信号(IRQ )与ATmega162的外部中断IN1连接，因此在向系统传输数据时，直接向MCU提供中断信号，执行适当的程序。3)Modem/NMC35i接口电路在与上位机进行通话连接和数据交换时，PSIN电话网，其次是GSM/GPRS无线通信网。 通常的嵌入式工业调制解调器通过串行RS-232接口与MCU相连接，双路接收、四路传输、MC35i也通过RS-232接口与独特的无线应用系统相连接，并包括三路接收和五路传输。 因此，可以选择一个接口电路以实现单片机和它们的连接问题，在此可以选择MAX3238来实现该功能。 电路如图2-3所示图2-3Modem/NMC35i接口电路电路中的RXD、TXD可以直接连接至ATmega162的RXD0TXD0，独立地进行串行通信，而不干扰其它通信链路。 RING连接到ATmega162的外部中断INT0，通知MCU在通信模块有振铃信号时执行适当的中断程序。3采集器硬件设计1 )电压信道收集电路电源板上的交变模块主要分为三部分：电压采集电路、电流采集电路和电能采集电路。3个多功能功率测量芯片ADE7758的电压通道输入以单端子电压输入，标准运行时的最大信号功率为土0.5 v (相对于VN端子)，在此以将5个200K电阻和1个1K电阻串联分压的形式制作样本27，输入额定电压为220V的情况下，分压采样图3-1电压通道收集电路2 )电流路径收集电路ADE7758的电流路径采用总差分电压输入，并且最大差分输入信号是0.5V。 电流通道模拟采集电路的设计采用反相器比300:1的变流器和电阻值为7.5的采样电阻，输入最大电流为300mA时，采样电压约为300mV，电流通道模拟采集电路。图3-2电流路径收集电路3 )电能收集量为了设计的方便，这里采用了三个多功能功率测量芯片ADE7758作为电能的测量芯片。 ADE7758是高精度的三相功率测量芯片，具备双向脉冲输出功能和串行接口。 ADE7758集成了执行二阶-d模拟/数字转换器、数字积分器、参考电路、温度传感器、有效、无效、视在功率测量和有效值测量所需的信号处理元件。 ADE7758适合于测量在各种三相配置条件下的有效性、无效性和功率(例如WYE或DELTA系统)，包括三线和四线。4通信系统方案设计方案1远程智能抄表系统的通信系统方案包括集中器和采集器的基础通信方案和管理中心和集中器的上层通信方案。基本数据采集一般采用总线型通信方式。 该方式通过1根串行总线连接各分散集电极，实现各节点的相互连接。 按照这种方式，信道上的节点多，传输速率不那么高，并且传输距离短。 一般的模式有红外线通信、RS-485总线、仪表总线、低压电力载波通信等。上级通信系统以设置在管理中心的系统工作站为中心，分别通过通信信道与分散在各区域的集中器发散地连接，形成1对n的连接形式。 在这种方法中，每个信道的通信数据量大并且要求恒定的传输速率和带宽。 可通过信道媒体而分为电话线路、光纤、无线、大都会网络等各种模式。如下所示，集中器与管理中心之间的通信采用蜂窝移动无线电网络(GSM/GPRS )，并且集中器与集电器之间的通信采用低压功率载波通信。图4-1通信系统的框图管理中心和集中器之间通过GSM/GPRS网络进行，需要向数据收集模块和管理中心添加GSM模块。 由于该模块(实际上没有键盘和显示器的移动电话)结构简单，易于控制，因此利用RS-232标准接口与单片机简单连接，构建AT贺指令，驱动数据采集模块。 在通信方式中，以主从方式，每次从管理中心开始通信，集中器在接收到通信命令后，进行相应的响应处理。集电极和集电极之间利用低压电力线进行通信。 因为电力网络相当于共享媒体，所以一个集中器和它负责的所有收集器构成了相当于以太网的网络。 集线器和所有的收集器相当于网络上的节点，各节点具有固有的网络地址。 每个节点只响应目标地址和自身节点地址相同的数据。 通信形式也是主从方式，每次的通信由集中器开始，收集器在接收到通信命令后，进行相应的响应处理。4.1电力载波模块设计电力载波模块是基于SSC P300设计的。 英特尔lon公司的SSC P300符合EIA-600 CEBus通信协议，该扩频信号复盖100KHz400KHz的带宽，如果一部分频率的信号未受到干扰而到达接收机，则其馀的信号仍然可以到达，采用适当的纠错码，这是正确的整个设计方案如下图所示。图4-2电力载波模块总体设计单片机AT89c51单元MCU和芯片上的Intellon P300构成网络接口控制中心，处理由输入滤波器电路处理过的功率载波信号，并通过输出电路向电力线发送载波数据。 控制命令线CON和串行通信线TXD、RXD，与上级的应用单元进行通信。MCU作为控制的核心，完成分组的收发、从发送字节到符号的变换、从接收符号到字节的变换、循环检查码的生成和检查等。 将要发送的数据首先从MCU被转换为遵循EIA-600CEBus的符号，重构分组被转发至P300，进一步处理并重传。 由P300处理的包被转发到MCU，转换为原始数据，判别是什么样的命令，指示用户使用表进行适当的操作(开、关等)。P300和主处理器的接口通过5线串行外围接口(SPI )和复位信号RST进行，所述5线串行外围接口(SPI )在SPI的数据输入(SDI )线和数据输出(SDO )线从P300接收数据或者向P300转送数据时取定时P300还提供用于为数据传输提供定时信号的SPI数据时钟(SCLK )。 P300的服务请求通过l电平的有效中断信号(INT )进行。 P300低电平有效的芯片选择信号(CS )可以启用或禁用SPI接口。 待传送的分组首先被转发给P300的数据链路层(DLL )微处理器，后者被转发给数字信号处理模块。 数字信号处理模块使用300个片内ROM查找表来产生扩频载波(SSC )的高层状态和低层状态，所述300个片内ROM查找表驱动片内的8位DAC以产生线性扫描的模拟波形。 当第三状态信号TS为高时，该波形被缓冲并从SO管脚输出。 在解调过程的相反过程中，在缓冲放大器中首先从SI管脚放大模拟通信信号，在1比特模拟/数字转换器(A/D )中将放大的信号转换为数字信号以进行数字信号处理(DSP )，并且在输入信号的数字信号处理(DSP )中执行以下处理然后将载波监视信息和媒体状态信息从DSP部分传输给DLL微处理器，对分组进行解码，将协议功能和最终的分组传输给主处理器。P300和电力线接口包括输出滤波器、放大电路和输入滤波器、放大电路和电力线耦合电路。 模拟信号通过信号输入(SI )和信号输出(SO )管脚在P300与AC电力线之间传输。在发送模式中，从P300的SO管脚向输出滤波器传输扩频载波“chirps”，并且将扩频载波“chirps”输入到输出放大器中，该输出放大器确定其是否以P300的三态信号(TS )操作。 一旦放大信号，就通过介质耦合电路发送输出信号到介质。 在接收模式中，将模拟通信信号经由外部介质耦合电路传送给输入滤波器，在该输入滤波器中，以频率从100KHz到400KHz的信号进行放大，并且将放大后的模拟通信信号传送给P300的SI管脚。4.1.1电力线耦合电路该电路主要通过电力线输入信号。 功率传输操作的频率低于50Hz，因此在输入信号之前执行高通滤波处理，并且然后在线圈12:12中耦合该信号。 为了防止瞬间过载对设备造成损害，在线圈的电力线侧追加高压防止元件，在设备侧追加稳定电路。图4-3电力线耦合电路变压器T1对100KHz400KHz扩频载波信号提供线性的传输功能的电容器C1，为了防止变压器铁心的饱和而限制变压器电流的电阻R1在设备和电力线被切断之后能够使C1放电， 能够减轻积蓄在C1中的高压引起的设备的破损或破坏的稳定二次管W1和W2，能够用于钳住施加在SSC P300的模拟支持电路的电压的金属氧化变阻器M1能够在电力线的瞬间高压下得到保护。4.1.2输入滤波器电路输入滤波器电路是前置带通滤波器，主要从自耦合电路输入的宽信号中，提取载波信号，并发送给下一级的电路。图4-4输入滤波器电路4.1.3输入缓冲器和瞬时高压保护电路过滤后的输入信号请经由下图Q1、R4R7构成的晶体管放大器进行缓冲。 该放大器的信