【自动化】智能ic电表的设计

武汉理工大学毕业设计（论文）智能IC电表的设计学院（系）自动化学院专业班级电气1105班学生姓名肖厦颖指导教师黄亮学位论文原创性声明本人郑重声明所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包括任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保障、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关学位论文管理部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权省级优秀学士论文评选机构将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1、保密囗，在年解密后适用本授权书2、不保密囗。作者签名年月日导师签名年月日摘要智能电网的迅猛发展直接推动了智能电表的快速更新换代。最早使用的电表是机械式电表，通过磁场对转盘产生的力矩转动转盘计费，这种电表弊端极多，磁场很容易受到外界环境的干扰，导致电能计量不精确，灵敏度和稳定性很差。其后兴起的电子式电能表抛弃了早先的机械式计量方式，利用集成电路进行数据处理，很大程度上提高了计量的精度，同时大大减小了电能表的体积。随着近年来电子技术的飞速发展，电路集成化程度更高，出现了单片机、DSP、ARM等微处理器，人们将这些智能化集成芯片应用于电表中，使之具有更强大的功能。本文设计了一款具有功率检测、显示功能，并能读取IC卡信息，能对电量进行管理的智能电表。本设计以DSP微处理器作为核心，将采样得到的电参量进行实时分析，可存储测量结果，并通过网络将结果反馈给上位机，有显示和简单的操作功能，实现了人机交互。本文首先介绍了智能电表发展的背景、国内外发展现状和所涉及到的基本理论概念；然后介绍了系统硬件电路的设计，包括对前置电路、A/D采样电路、DSP数据处理系统，以及输入输出系统和IC卡读写模块的设计，讲述了元器件的选型理由和每个模块的硬件连接电路；其次详细说明了谐波功率测量及仿真验证方法，包括了对于周期信号的傅立叶级数分解公式、DFT的基本原理和FFT算法概念的介绍，分析了谐波存在情况下的功率计算方法，介绍了DSP的浮点库，利用MATLAB对FFT算法进行验证，给出了简单的谐波电能计量例子；最后介绍了系统的软件设计，利用模块化设计结构，分为DSP主程序、AD采样子程序、按键子程序、主循环流程几个部分进行说明。关键词智能电表；FFT；AD转换；DSPABSTRACTTHERAPIDDEVELOPMENTOFSMARTGRIDDIRECTLYPROMOTESTHERAPIDUPGRADINGOFSMARTELECTRICMETERSTHEEARLIESTELECTRICMETERISTHEMECHANICALMETER,WHICHMEASURESELECTRICITYBYROTATINGTHEDIALVIAATORQUEGENERATEDBYTHEMAGNETICFIELDTHEREARESOMANYDISADVANTAGESINTHISWAYFOREXAMPLE,THEMAGNETICFIELDISSOSUSCEPTIBLETOTHEINTERFERENCEFROMEXTERNALENVIRONMENTTHATTHEMEASUREMENTISNOTENOUGHACCURATEANDTHESENSITIVITYANDSTABILITYISPOORTHENTHEELECTRONICELECTRICMETERWASINVENTED,WHICHABANDONEDTHEEARLIERMECHANICALMEASUREMENTMETHODTHEELECTRONICMETERUSESANINTEGRATEDCIRCUITFORDATAPROCESSINGITGREATLYIMPROVEDTHEACCURACYOFMEASUREMENT,ANDGREATLYREDUCEDTHEVOLUMEOFMETERSWITHTHERAPIDDEVELOPMENTOFELECTRONICTECHNOLOGYRECENTLY,THEINTEGRATEDCIRCUITISHIGHERINTERGRADEDTHANBEFORE,ANDTHEMCUMICROCONTROLLER,DSP,ARMANDOTHERMICROPROCESSORSISAPPEAREDTHEYAREAPPLIEDTOTHEMETERASINTELLIGENTINTEGRATEDCHIPANDTHEELECTRICMETERSHAVEMOREFUNCTIONSTHISPAPERDESIGNEDASMARTELECTRICMETER,WHICHCANDETECTPOWER,DISPLAY,READTHEICCARDINFORMATION,ANDBEABLETOMANAGETHEELECTRICPOWERTHISDESIGNUSESDSPASTHECPUOFTHESYSTEMITCANANALYSISELECTRICALPARAMETERSTHATHAVEBEENCOLLECTEDINREALTIMEANDSTORETHEMEASUREMENTRESULTS,ANDTHENFEEDBACKTHESERESULTSTOTHEUPPERCOMPUTERTHROUGHTHENETWORKITCANALSODISPLAYTHERESULTSANDDOSOMESIMPLEOPERATIONTOACHIEVETHEHUMANCOMPUTERINTERACTIONFIRSTLY,THISPAPERINTRODUCESTHEBACKGROUNDOFTHEDEVELOPMENTOFSMARTMETERSECONDLY,THISPAPERINTRODUCESTHEDESIGNOFHARDWARECIRCUIT,INCLUDINGTHEPRECIRCUIT,A/DSAMPLINGCIRCUIT,DSPDATAPROCESSINGSYSTEMS,THEINPUT/OUTPUTSYSTEMANDICCARDREADERMODULEDESIGNITMAINLYTELLSTHESELECTINGREASONSOFHARDWARECOMPONENTSANDDESCRIBESTHESECONNECTIONCIRCUITSOFEACHMODULETHEN,ITINTRODUCESTHETHEORETICALBASISOFTHEHARMONICENERGYMETERINGBASEDONTHEFOURIERTRANSFORM,INCLUDINGDECOMPOSITIONFORMULAOFFOURIERSERIESFORAPERIODICSIGNAL,THEBASICPRINCIPLEOFDFTANDFFTALGORITHM,ANDANALYZESTHEPOWERCALCULATIONMETHODINCASEWHERETHEREISSOMEHARMONICANDTHEFLOATINGPOINTUNITOFDSP,USINGMATLABTOVERIFYFFTALGORITHM,ANDITALSOGIVESASIMPLEEXAMPLEOFTHEMEASUREMENTOFHARMONICENERGYFINALLY,THISPAPERINTRODUCESTHEDESIGNOFTHESOFTWARE,ITCANBEDIVIDEDINTOFOURPARTSTOEXPLAINWITHAMODULARDESIGNSTRUCTURETHEMAINPROGRAM,ADSAMPLINGSUBROUTINE,KEYSUBROUTINE,THEMAINLOOPFLOWKEYWORDSSMARTELECTRICMETERS；FFT；A/DCONVERSION；DSP目录第1章绪论111课题的研究背景112国内外发展现状113本文的计量理论基础214本文的设计目标和主要研究内容3第2章系统硬件设计421硬件系统总体方案设计4211系统设计思路4212总体设计框图522前置电路6221互感器的选取与设计6222放大滤波电路的选取与设计723采样电路11231A/D转换器的选取11232AD7610介绍1224DSP数据处理系统13241DSP在电能计量中的应用13242DSP的选取13243TMS320F28335简介14244TMS320F28335与ADC接口电路设计1425输入输出系统15251显示模块设计15252按键模块设计16253无线通讯模块设计1726IC卡读取模块设计17261SLE4442简介18262SLE4442与DSP接口电路设计1827本章总结19第3章谐波功率测量及仿真验证2031傅立叶变换原理2032离散傅立叶变换（DFT）2133快速傅里叶变换（FFT）2134谐波功率计算2435FFT程序设计2536FFT算法仿真验证26341建立谐波电源26342频谱分析计算2735本章总结29第4章系统软件设计3041DSP主程序设计3042AD采样子程序设计3043按键子程序设计3144主循环流程图设计3245本章总结33第5章总结与展望3451全文小结3452本文不足与工作展望34参考文献35致谢36第1章绪论11课题的研究背景智能电网建立在高速双向通讯网络的基础上，通过先进的传感测量技术，实时将采集到用户用电情况反馈回网络，紧密的供需联系使智能电网能及时应对电网出现的种种问题，使电网更加安全可靠、经济高效地运行。智能电网的卓越性能推动世界各国纷纷开始大刀阔斧地进行电力市场的改革创新。最早使用的电表是机械式电表，通过磁场对转盘产生的力矩转动转盘计费，电流大小改变磁场大小，从而改变力矩及旋转速度，起到计量电费的作用。这种电表弊端极多，磁场很容易受到外界环境的干扰，导致电量计量不精确，灵敏度和稳定性很差。其后兴起的电能表是电子式电表，这种电表得到广泛的使用，它抛弃了早先的机械式计量方式，而是采取利用集成电路进行数据处理的方式，对电能进行计量，大大减小了电能表的体积，很大程度上提高了计量的精度。随着电子技术的发展，电路集成化程度更高，单片机、DSP、ARM等微处理器也在快速发展，人们将这些智能化芯片应用于电表中，实现了更多的拓展化功能，随之涌现出了许多功能更强的智能电表，例如分时计费电表、异地抄表电表、智能IC卡电表等。作为智能电网的用户终端，智能电表也随之迅猛发展。世界各国都在积极发展智能电网的建设，网络化管理的兴起，直接导致了智能电表普及率激增，据调查研究统计，智能电表的全球使用量将在2020年突破5亿只。我国也紧跟世界形势，积极推进智能电网的建设。随着不断地改进，电表也从传统的机械式电表、人工抄表模式，逐渐变化到如今常见的电子式电表。然而这依然不能满足国际上对智能电表的要求，除了能像传统电表能计量电量之外，智能电表还应具有支持用户控制的功能，不仅要保证计量精确，还要能实现对电量进行管理等智能化功能。12国内外发展现状2009年中旬，国家电网对智能电网的发展做出了详细规划20092011年作为试点阶段，此阶段用来完整规划坚强智能电网，主要进行关键技术研究，构建基础构架；20122015年初步完成集互动、通讯、服务于一体的智能电网体系；20162020年为整体加强阶段，将“坚强智能电网”的各项要求全面落实。基于智能电网全面建设的大背景，国内智能电表市场也产生了极大需求量。由仪器仪表行业协会统计，2012年国内各类电表的总产量已经高达11亿只，其中过半份额被智能电表占据。随着“十二五”计划的推进，电表市场将在这一时期大力改革，智能电表将取代传统电表成为主流。从2015年开始，我国开始对10KV以上的工业用户启动智能电表试点，占比约30，使用用户将超过6000万。从2009年初步计划时仅5000万只以内的需求量，到2012年底184亿只的累计安装量，再到2013年41亿只的招标量可以看出，智能电表的逐步普及势不可挡，它必将在不久的将来达到全面覆盖。在世界形势上，欧美市场仍旧是智能电表的主场，欧洲各国预计在2020年将智能电表的普及率提升到80以上，与2008年的普及率占比相比，复合增长率高达48，这与欧美智能电网构建较早，现已趋于成熟有关，智能电表的发展与智能电网的建设息息相关，与信息交互网络依存。目前为止，美国也已累计安装了5000多万只智能电表，其中南加州爱迪生电力公司（SOUTHERNCALIFORNIAEDISON，以下简称SCE）仅统计其服务区的智能电表总量就达到了500万只，这些智能电表采集到大量的用户信息，数据信息时代这些信息是非常宝贵的资源，统计者可以利用这些数据分析挖掘出更多有价值的信息，用于其他用途以促进发展优化。目前SCE已经全面配置了账单收费功能，除此之外，SCE也在积极分析智能电表数据，研发相位识别功能，希望通过这些数据分析结果能确保负荷的三相平衡，如果此项研究成功，将是智能电网体系的又一大进步。13本文的计量理论基础精确计量用户所用的电量是电表的主要功能，在智能电表的设计过程中要尽量提高电表的精度。然而电网谐波的存在使传统的计量方法不能精确地反映用户实际的用电量。谐波是叠加在基波上的正弦分量，其频率是基波频率的整数倍。要想准确计量电量，就要在设计中考虑到谐波对测量结果的影响，对电网采样的数据进行谐波分析，使结果更加准确。法国工程师FOURIER在1822年提出一项重要理论即任意一个连续的周期函数XT都可以分解为无穷多个不同频率正弦函数的和。这就是本文谐波分析的理论基础。把连续的时域信号转换为频域信号的方式称作连续傅立叶变换，它是电力系统信号处理领域中一种重要分析方法。在实际的信号分析计算中，处理器难于对连续信号直接处理，通常需要对连续信号进行采样，对所得离散信号进行分析，离散傅里叶变换（DFT）就可用来分析经采样离散化的模拟信号。由于离散傅立叶变换的计算量非常大，即使对长度较短的信号做离散傅立叶变换也需要完成相当多的复数乘加运算，这大大限制的离散傅立叶变换的实时运用。快速傅立叶变换的原理与离散傅里叶变换一样，不同的是快速傅里叶变换大大减少了计算离散傅里叶变换所需的乘法和加法次数，使N点的DFT的运算量从降为，从而极大地提高了运算速度。通过使用快速傅立叶变换，2N2LOGN以往要事后进行的数据处理和系统模拟研究等工作变得可以实时完成，打开了数字信号处理应用上的新局面。本文利用快速傅立叶算法（FFT）分解电能信号，DSP接收到AD采集到的数据后，通过快速傅立叶变换，可以得到基波和各次谐波的电量参数，然后再计算功率和电能。14本文的设计目标和主要研究内容本文在基本的电子式电能表的基础上，设计一款具有功率检测、显示功能，并能读取IC卡信息的电能表，以05精度级精准地进行计量，并且可以管理用户使用的电量。主要分为以下三部分进行介绍（1）系统硬件电路的设计按照系统的整体设计框图，对前置电路、A/D采样电路、DSP数据处理系统，以及输入输出系统和IC卡读写模块进行设计，分析各个元器件的选型理由和每个模块的硬件连接电路。其中前置电路包括了互感器和放大器、滤波电路；采样电路由A/D转换器构成；DSP作为系统CPU，既完成数据处理的工作，同时还控制协同系统其他部分，使整个系统工作有条不紊地运行；输入输出系统包含了显示模块、按键模块以及与上位机做信息交互的无线通讯模块；最后是IC卡读取模块，用来与IC卡信息进行交互。（2）谐波功率计算方法及仿真验证介绍了基于傅里叶变换的谐波电能计量的理论基础，包括了对于连续周期信号的傅立叶级数分解公式、离散傅立叶变换的概念、快速傅立叶算法的基本原理、按时间抽取快速傅立叶算法的实现以及考虑谐波存在情况下的功率计算方法；给出FFT程序设计依据，即利用DSP浮点计算库，直接调用FFT算法，简单方便地实现了RFFT（快速FFT变换）；利用MATLAB构造简单的谐波电能计量例子进行仿真分析，以验证FFT算法。（3）系统软件设计利用模块化设计结构，分为DSP主程序、AD采样子程序、按键子程序、主循环流程来详细说明，并给出了各个模块的流程图。第2章系统硬件设计21硬件系统总体方案设计211系统设计思路目前国内市场通用的电表多使用单微处理器结构，利用单片机或者DSP就可以完成数据处理、显示通讯等功能。还有小部分电表采用双CPU结构，即DSP加MCU的结构，DSP具有高速运算的能力从而被用来进行高速的数据处理，而MCU将数据处理的结果再处理，即负责系统调控、显示，连接上位机等功能。但这种构造的测量仪器结构复杂且成本很高。本设计的系统中数据处理核心为FFT算法，可以选用MSP430系列单片机或者DSP芯片来完成。依照电能信号处理的习惯和工程经验，我们选择对每周波进行64次采样。普通单片机的计算能力较差，尤其是对谐波分析时，需要进行大量的乘法和加法计算，然而普通单片机运算速度较慢，达不到本设计数据处理对实时性的较高要求；对于MSP430系列单片机，虽然能完成FFT算法，但由表21可知，MSP430做一次64点FFT浮点数运算的时间在108MS，而本设计要求一个周期（即20MS）内完成对电压、电流信号的两次64点FFT运算，所以使用MSP430单片机依旧达不到本设计对计算速率的要求。表21单周波打点数与时间对应表算法MSP430扩展C16位整型标准ANSIC32位浮点型N6409MS108MSN12821MS257MSN25647MS597MSN51289MS1354MSN1024229MS3042MSDSP芯片具有高速信号处理的能力，能有效实现复杂的算法，尤其是DSP具有轻松实现FFT算法的优点，目前多种DSP对乘加运算均有专门的硬件电路实现，可以在一个指令周期内完成一次加法运算和一次乘法运算。通常可见的各种型号的DSP都提供了专门的快速傅立叶算法函数，这些函数充分利用硬件电路资源和快速傅立叶算法的特征，使得快速傅立叶算法在DSP上实现快速而准确，开发方便。相比于MSP430系列单片机，本文对于智能电表的设计明显更适合采用DSP进行数字信号处理，完成对采集到的数据进行计算分析工作，同时也保证了系统的高速运算速度。随着DSP的快速发展，其运行速度和引脚数量越来越多，内部存储空间和集成的外部设备也越来越丰富，它可以代替MCU完成本设计中输入和输出有关的外部设备拓展功能。综上所述，本设计采用单CPU结构，即仅利用DSP作为系统的处理器。DSP同时可以完成系统控制功能，将计算得到的数据二次处理，实现指令的键入，数据的储存、显示与发送。212总体设计框图本次设计要求智能电表要能够实时准确计量单相用户消耗的电能，能够显示当前时刻的电压和电流大小。其次，电表所测得的功率和消耗的电能数据能够通过无线通信传到上位机。最后，电表具有预付费功能，能够通过读写IC卡实现计费功能。系统的总体设计框图如图21所示，配电网电压电流信号属于强电信号，数字电路不能直接对其处理，且信号中含有丰富的谐波成分，在对信号采样前需要进行信号调理。前置电路包括电压互感器PT、电流互感器CT和放大、滤波电路。强电压、电流信号通过电压互感器和电流互感器即变为弱电信号，互感器实现了一次侧强电和二次侧弱电信号的隔离，确保二次计量电路的安全。互感器输出5V以内的弱电压信号，这一信号中还含有丰富的谐波成分，依据采样定理，为了避免发生频谱混叠，要求采样频率高于信号中最高频率的两倍。若直接用AD对互感器输出信号进行采样则采样频率会相当高，给后续信号处理带来麻烦。所以互感器输出信号还需通过低通滤波和放大电路，滤除原信号中的高频谐波和噪声，调整信号幅值大小，便于AD采样。调理后的信号通过16位高速AD（模数转换器）转换为数字信号，实现高速采样，并将数据传输到DSP中，DSP最后对采样得到的数据进行计算处理，这样就得以精确实时地测量功率等重要电参量。DSP同时负责整个系统的控制管理，通过连接按键获得用户指令，通过LED数码管显示电参量，通过IC卡存储电量消耗数据和计费信息，通过GPRS网络发送功率和电量计量数据。PTCT放大器A/D转换器DSP显示滤波电路按键图21系统总体框图系统硬件设计分为前置电路、A/D采样电路、DSP数据处理系统、输入输出系统（按键模块、显示模块和通讯模块）及IC卡读取模块这五大部分，如图22所示。下面将分别对各部分进行器件的选取及设计说明。MAX72198个8位共阴极LEDDIG07AG,DPDSPTMS320F28335UI前置电路KUKI按键模块A/D转换器SLE4442IC卡读写模块显示模块SIM300C图22系统总体设计图22前置电路前置电路指输入A/D转换器之前的信号处理电路，包括了电压互感器（PT），电流互感器（CT）和放大滤波电路。由于幅值较大，从电网采集的电压和电流信号并不能直接输入到模数转换器中，所以本设计先通过前置电路将其从大电压、大电流转换为适合A/D转换器输入的小电压、小电流信号,为后续输入模/数转换模块进行处理做好准备。221互感器的选取与设计如果采用传统的电磁式电流互感器进行电流转换，则需要在互感器二次侧接入小电阻将电流信号转换为电压信号输出，这会影响一次侧电压，而且二次侧消耗功率，造成发热问题，影响测量精度，所以本设计中的电流转换功能通过霍尔电流传感器来实现，霍尔电流传感器可将输入电流信号直接转换为电压信号输出，实现电流的非接触测量。由于本设计的输入电流取自电网，若家庭电功率为7KW，电压有效值为220V，那么电流有效值大概为30A，选用南京托肯电子生产的型号为TBC50SY的电表用霍尔电流传感器，其参数见表22。本设计选用山东力创公司型号为LCTV3JCF的电表用电压互感器，因其精度满足要求，机械性能好，电压隔离能力强，安全可靠，且性价比高。其参数见表23。表22霍尔电流传感器TBC50SY相关参数额定输入电流额定输出电压误差线性度精度3050A45V01FS01表23电压互感器LCTV3JCF相关参数额定输入电压额定输出电压误差线性度精度220VAC05VAC01L0122放大滤波电路的选取与设计在信号没有受到干扰的理想情况下，常采用通用运算放大器对微弱的信号进行放大，然而实际的传感器工作环境往往引起其两条输出线上产生较大的干扰信号，有时是共模干扰5。而在智能检测系统中，往往对精确度要求较高，需要将传感器输出的电信号按所设倍数精确放大，而这些信号通常是差值信号，只有放大电路具有高的输入阻抗，有较大的共模抑制比，才能满足实际要求6。本设计选用AD8132作为放大器。AD8132不同于常规的运算放大器，它多一个输入端和一个输出端，并且有两个反馈回路（常规运放只有一个反馈回路）。这种结构特点使更多新型电路的设计成为可能，同时仍然可以利用运算放大器的基本原理（“虚短”和“虚断”）来分析其放大倍数等工作参数7。AD8132基本电路结构如图23所示。AD813XININRG1RG2DINDINVOCMOUTOUTRF2RL,DMVOUT,DMRF1图23AD8132基本电路结构图AD8132共有7个有用引脚，另一个引脚NC为无用引脚。其中，IN、IN分别是正输入、负输入；OUT、OUT分别是正输出和负输出，这里要注意，OUT和DIN反相；V和V分别为正电源电压和负电源电压；VOCM引脚的电压以11的比例设定共模输出电压，例如此引脚电压为1V，那么OUT和OUT的直流偏置电平就是1V。假设两个反馈回路的反馈系数分别为1、2，那么根据运算放大器的典型假设可以得到（21）1122/GFR由此又可得打适用于任何1和2值的单端转差分增益方程（22）1/当设定的时候，增益方程可以化简为。12/FGFGRR/FGR常用的滤波电路有巴特沃兹（BUTTERWORTH）滤波器、切比雪夫滤波器、贝塞尔（BESSEL）滤波器等几种8。巴特沃兹滤波电路很好地平衡了幅值和相位响应，通带、阻带都不存在纹波，但是其通、阻带间的过渡较宽，瞬态特性一般。相同阶数下，切比雪夫滤波器能迅速衰减，而允许通带中有一定纹波。贝塞尔滤波器瞬态响应更好，但是它的频率响应比较差。23节介绍了本设计信号的采样频率为基波频率的64倍，而根据采样定理，信号中不能有高于基波频率32倍的信号成分，所以要将33次及以上的高次谐波完全滤去，要求滤波电路必须有优越的瞬态相应，可以忽略一部分纹波带来的影响，所以，切比雪夫滤波电路相比之下最适合用于本设计。ACVIN4992492K100PF953215K33PFVOUT2K100PF953215K33PF549549200PF200PF图24放大滤波电路如图24是放大滤波电路的设计。由AD8132放大器和切比雪夫滤波原理结合而成，构成一个有源滤波器。该图参考了ADI公司提供的该款滤波器应用设计资料。由前文介绍的该类放大器原理可知9，这个有源滤波器结构在信号的输入部分有两个极点，在信号的输出部分有一个极点，可以实现差分输出，可在驱动差分输入的A/D转换器的时候起到抗混叠的作用。由前文的讨论，利用图24所示结构可实现一个三阶切比雪夫滤波器，设计其截至频率为16KHZ，由MATLAB滤波器设计工具求得该滤波器的三个极点分别为33512，167568706285I。由此求得滤波器的传递函数为（23）235135179684KHSSS放大器的输入端是一个多路反馈结构，可较为方便的实现二阶环节，其等效电路图如图25所示。图25二阶环节电路图而需要实现的传递函数为（24）013252434251IHVRCS以霍尔电流传感器到AD之间的放大滤波电路设计为例，放大倍数H45/059，由文献14中所示参数的计算过程如下首先选定选定，求得中间变量543CPF，计算有052796871KF（25）251213124043689468935797004243857HPFNRKKK实际中选择VISHAY公司的HA系列电容器，HA10C01E容值43PF，HA10C01M容值430NF，D55342K07B电阻562，D55342K07B电阻511，D55342K07B电阻511K。在输出部分实现一阶环节，采用RC低通滤波结构，传递函数为（26）01VSRC参数计算如下。选定C100NF，则（27）90018642536RKFC实际中选择VISHAY公司的D55342K07B18E2RS2电阻，阻值为182K。293D1051010A2电容100NF。在MATLAB中做出其BODE图，可得频率响应如图26所示，可见该滤波器满足设计要求，能够滤掉高频谐波，防止信号采样造成频谱混叠。图26频率响应图23采样电路A/D转换作为采样电路的核心，对本系统的各项性能指标至关重要。电能表对数据采集的精度要求较高，如果精度不够高，将会直接影响到采样电路之后的数据处理部分的计算结果，导致结果出现较大偏差。231A/D转换器的选取（1）A/D转换器的位数检测系统的精度和其检测范围的大小决定了所需A/D转换器的位数。一般来讲，其位数至少需要比总精度要求的最低分辨率高一位，且由这个位数对应的最低分辨率应不低于系统中其他模块所能达到的最高精度。本设计要求的最小精度级为005，即005，一个N位A/D转换器的精度为1/2N，12、14、16位A/D转换器均可以满足005精度级的要求，本设计选用16位A/D转换器，因其比较常见，而且所得数据便于编程计算，同时，16位的高精度采样有利于合理分配误差来源。（2）A/D转换器的转换速率A/D的转换速率主要由信号的最高频率决定，满足采样定理，即在进行模拟/数字信号的转换过程中，当采样频率大于最高频率的2倍时FSMAX2FMAX，采样得到的数字信号可以完整反映原信号包含的所有信息10，实际工程中一般还要求采样频率要达到被采样信号最高频率的510倍。本设计假设所考虑的电网最高次谐波为第13次谐波，因此选择每周波采样64个点，即采样频率大概是最高次谐波频率5倍，基本满足采样定理和工程实际的要求。综合以上分析，本文选用两片ADI公司生产的AD7610作为模数转换器，分别将电压、电流信号转换为数字信号输出，以实现对信号的处理和分析。AD7610是16位、转换速率为250KSPS、单通道、单极性/双极性可编程输入的A/D转换器。其电压输入范围为5V或10V，符合前一环节放大器的输出电压范围；转换速率和信噪比高，满足本设计测量要求；价格比四通道输入的AD974等芯片相对较低，也满足性价比高的设计需求。232AD7610介绍AD7610共有48个引脚。大致可分为电源类、输入/输出信号类和控制信号类。电源类引脚有模拟电源地引脚AGND（1,3,42脚），模拟电源引脚AVDD（2,44脚），输入/输出接口数字电源地OGND（6,7,17脚），输入/输出接口数字电源OVDD（18脚），数字电源DVDD（19脚）,数字电源地DGND（20脚），输入范围选择TEN（30脚）和BIPOLAR（36脚）配合以选择输入电压范围，如表24所示。表24输入范围选择输入范围BIPOLARTEN0V至5V低电平低电平0V至10V低电平高电平5V高电平低电平10V高电平高电平输入/输出信号类引脚有模拟输入地检测IN（39脚），模拟输入IN（40脚），并行16位输出口D0D7（916脚）和D8D15（2128脚）。控制信号类引脚有串行/并行选择输入SER/PAR（8脚），输出繁忙BUSY（29脚），读取数据/RD（31脚），片选/CS（32脚），关断输入PD（34脚）。24DSP数据处理系统DSP是本设计数据处理的核心，通过DSP，可以完成数据采集、处理、计算、存储等功能。同时，DSP控制前置电路中的A/D转换器，使其配合数据处理的速率，高速有效地进行模数转换，一些可控接口电路也由DSP控制，协同DSP工作运转。241DSP在电能计量中的应用上文已经提到，DSP由于其运算处理的快速性和精确性，而优于普通单片机，作为精确测量仪表设计中的首选。作为电网不可或缺的元素之一的电能表，其计量精度更是关系到家家户户的使用者，只有电表的精度达到要求，才能保证用户用电量的精确计量，保证供电方及时对用户用电情况合理准确地进行分析，从而为广大用户提供更稳定、更经济可靠的用电环境。普通的单片机囿于其计算能力的有限，不能满足电能表作为计量工具对精度的要求，目前，国内已有智能电表生产商选用DSP作为核心测量芯片，以获得电能计量精度的大幅提高，这也为后续电能表测量技术的发展开辟了新的领域11。本设计也沿用这一思路，以DSP作为数据处理的核心，完成相关功能。242DSP的选取DSP主要有定点DSP和浮点DSP两种。定点DSP只能完成对整数的运算，不能在较大动态范围内进行运算，而且在运算时要考虑到数值“溢出”的问题，给编程带来许多麻烦，但其优点在于运算简单，功耗较小12。与定点DSP相对比，浮点DSP不仅可以处理整数，也可以对浮点数进行运算，因为其允许尾数、阶码的数据格式，所以能提供很大的动态范围，浮点DSP更复杂的结构也使其拥有实现更多功能的强大处理能力，但同时，长指令及宽的地址总线也给它带来了相对较大的功率损耗13。因本设计对功耗要求不高而对数据精度要求较高，故选用浮点DSP。综合比较众多DSP的性能和国内市场应用率，本文选用美国德州仪器（TEXASINSTRUMENTS，TI）公司新推出的TMS320F28335作为数字信号处理器，TI公司是世界上最大的DSP供应商，其市场份额远远领先于同行业的其他产家，在中国市场占有的市场份额也相当大，选用该系列的DSP，除了其具有更优的结构功能、能满足设计要求之外，还可以得到丰富的软硬件材料支撑，对后续设计较有帮助。TMS320F28335是一款32位定点并包含单精度浮点运算单元（FPU）的DSP，片内资源丰富，与原有的C2000系列DSP相比，TMS320F28335DSP增加了浮点运算内核，在保持原有DSP芯片优点的基础上，实现了进行复杂浮点运算的功能，同时节省了程序代码的执行时间和存储空间，具有成本低、功耗小、精度高、外设集成度高等优点。243TMS320F28335简介TMS320F28335在原有的32位定点架构之上，多含一个32位单精度的TI浮点运算库（FPU），这个高效的C/C引擎使用户可以用高层次语言开发算术算法，可实现复杂的浮点运算，节省程序代码执行的时间和存储空间。其3232位MAC64位处理能力使较高的数字分辨率问题得到有效解决。TMS320F28335的总线分为内存总线和外设总线这两种，在内存、外设和CPU之间常用总线来进行数据移动。其多总线结构（即通常所说的哈佛总线结构）使得C28X能在一个单周期内完成取一个指令，读取并写入一个数据值的任务。TMS320F28335DSP具有150MHZ的高速处理能力，具备32位浮点处理单元（FPU），6个DMA通道，同时支持ADC、EMIF和MCBSP，能输出多达18路的PWM，12位的16通道ADC。总体性能比上一代DSC提高了50，还能兼容定点C28X通用软件，简化了软件开发，缩短了开发周期，降低了开发成本。TMS320F28335主要特性有操作速率为150MHZ；多总线（哈佛）结构，可快速执行中断；40位的算术逻辑运算单元（ALU）；1616位乘法器，含浮点运算库；功耗较低，33V工作电源。本设计使用到的主要引脚有GPIO087通用输入/输出引脚，其中GPIO0GPIO63可任意与八个外部内核中断的其中一个相连，所有的GPIO引脚都可设置为“I/O/Z（I输入，O输出，Z高阻抗）”这三种状态，内部还有一个上拉电阻器，可选择启用或者禁用，复位时GPIO0GPIO11引脚内的上拉电阻器不启用，而GPIO12GPIO87是启用状态；XD0XD31外部接口数据线路。244TMS320F28335与ADC接口电路设计本设计采用TI公司DSP器件TMS320F28335控制A/D转换和数据采集，并将处理得到的数据进行再处理，管理输入、输出设备，使整个电表系统协调运行。模数转换AD7610UI前置电路（220V）KUKI（4545V）IND0D15模数转换AD7610IND0D15DSPTMS320F28335BUSYBUSY/CONVST/CS/CS（475475V）/CONVSTGPIO14XD0XD15GPIO15GPIO35GPIO16XD16XD31GPIO30图27DSP与前置电路、ADC的接口电路装置的硬件连接原理如图27所示。DSP和AD的连接采用的是第6区域地址的外部接口功能，AD芯片工作在并行通信模式下，每次读取一固定地址的数据，DSP的外部接口产生的信号时序直接将AD转换结果取回。除数据传输之外，DSP通过GPIO35引脚用作片选信号使能AD芯片，GPIO15引脚作为控制采样的时钟信号，通过GPIO14、GPIO16引脚可查询AD数据转换是否完成。25输入输出系统DSP在完成数据处理功能之后，还要对这些数据结果进行二次处理，即控制输入输出设备，使用户能输入操作指令，也能直观方便地看到系统的处理结果。DSP作为本系统的CPU，协调控制整个仪器系统的工作，使电表运行有序、稳定，计算精确，操作起来简单方便，显示直观，还可以在需要的时候根据功能拓展要求方便地实现其他功能。251显示模块设计本设计选用MAX7219芯片作为显示电路的核心。MAX7219芯片结构紧凑，该芯片实现了DSP与LED显示芯片之间的接口，数据需要串行输入，串行输出，所用数码管为传统的7段式数码管附加一个小数点，总共八位信号，共阴极作为驱动。它由条状图显示，或由64个独立的LED显示。芯片上包含一个BCD码解码器、复用扫描电路、段与数字驱动器和用来存储每一位数字的88位静态RAM。而且它只需要利用一个外接电阻就能设置所有LED的段电流。MAX7219是多种智能测量仪表的常选芯片。MAX7219的主要性能特点有10MHZ串行接口；独立的LED段控制；150A低功耗关断（数据保持），即当芯片处于低功耗运行时，工作电流降为150A，相当于关断模式，而数据仍可以被保留下来；数字和模拟亮度控制，它能显示18位的数字，可以全亮也能强迫消隐；上电时显示消隐；驱动共阴极LED显示屏。如图28所示，MAX7219的DIG0DIG7对应连接8位LED的位驱动端，SEGASEGDP对应连接7位码、小数点的显示驱动端。外接电阻RSET连接在电源VDD和电流设定端ISET之间，用来设置峰值段电流，控制LED的亮度。RSET一般取10K以上。在电源和地之间还要接一个抗干扰电容，其值不小于10F，但电容取值太大其抗干扰作用就不显著了，一般取10100F之间即可。MAX7219芯片工作在脉冲信号控制下，所以线路抗干扰也很重要，实际连接时应将MAX7219与LED靠近，尽量减弱由环境造成的干扰。MAX7219DOUTVINDIG08个8位共阴极LEDACLKLOADISETV5VDIG1DIG2DIG3DIG4DIG5DIG6DIG7BCDGDPEFDSPTMS320F28335GPIO17GPIO19GPIO2010K图28MAX7219外围电路连接图252按键模块设计本文采用多按键组合的按键式键盘构成按键模块。每个按键代表不同的功能，KEY15分别代表1U显示电压有效值；2I显示电流有效值；3P0显示基波功率；4P1显示谐波功率；5RESET复位。通过按键触发DSP的外设中断，进入中断子程序。按键模块与DSP的连接如图29所示。DSPTMS320F28335GPIO21GPIO23GPIO26GPIO22GPIO275V图29按键模块与DSP接线图在按下或释放按键时，按键会产生抖动，这种抖动持续的时间根据按键材料的不同而不同，一般为510MS。抖动很容易误导DSP识别失误，如按键一次DSP却发出多次对应指令等。所以设计中必须考虑到抖动的影响，尽量消除它带来的弊端。这里可以采用硬件设计或者软件编程来去抖动。硬件设计可用RS触发器来延长按键的触发时间从而达到目的，但这增添了硬件电路的复杂度，所以本设计采用软件编程的方法来实现去抖动，即加入延时子程序，当有键按下时，执行延时程序，然后再次检测该按键电平是否已跳转到闭合状态，如果确定已闭合，则执行对应功能程序，从而消除了抖动对系统的干扰。253无线通讯模块设计本设计选用SIM300C作为电能表和上位机之间通讯的工具。SIM300C具有两种串口模式，这里选择模式2即可完成所需功能。模式2主要特点有两线串行端口接口；只含TXD和RXD两个数据线；串口2只用于传输AT命令；不能用于CSD通话、FAX通话，而且不支持复用功能。硬件连接上，只需要在DSP上分配GPIO40，GPIO45与SIM300C的TXD和RXD线相连即可。26IC卡读取模块设计IC卡（INTEGRATEDCIRCUITCARD）的集成电路芯片封装在一个塑料卡片中,所以也叫做集成电路卡，它可用来读写或存储数据。与一般的磁卡相比，它具有更大的存储容量，在数据加密方面技术相对成熟，使用起来更加安全可靠,所以渐渐取代磁卡，活跃在网络化业务处理领域中。由于智能电表对数据可靠性的要求较高，且需要满足用户与智能电网之间的通讯，所以IC卡成为配备的首选，它将用户的个人信息，如购电量、使用情况等信息存储在卡内，与智能电表交互，完成读/写功能，方便用户及售电工作者对电量进行管理，淘汰掉人工抄表的种种弊端，极大地提高了信息交互的准确度和速度，而且信息不易被窃取，很好地防止了偷电漏电的现象，是智能电表领域的一大进步。本部分是针对接触式IC卡做出的设计。电卡不同于公交卡、银行卡等需要多次插拔，往往只需要在取电之前一次插拔就能将卡内的用户信息读取到智能电表中，直到用户购买的电量用完。所以本文仅针对低成本，高可靠性的接触式IC卡进行读取模块设计，兼顾了装置的简单可靠，也满足了用户的使用需求。261SLE4442简介本设计选用SLE4442芯片作为IC卡读取模块设计的核心。在SLE4432的基础上，SLE4442增添了一个安全代码逻辑，用来控制对存储器的写/擦除路径。为了达到这个目的，SLE4442含有一个4字节的错误计数器EC的安全内存（位0至位2）和3字节的基准数据。上电后只读取基准数据，带电期间，只有在校验数据和基准数据成功比较之后，存储器才具有与SLE4442一致的访问功能。在接口设备IFD和IC卡之间的传输协议是双线链路协议，和“SA”的协议相同，I/O口的所有数据都在CLK的下降沿改变。SLE4442相关特性有2568位的EEPROM结构；按字节寻址；321位的保护存储器结构；擦除或写操作每字节编程时间都为25毫秒；数据保存至少十年；写/擦除次数至少为1万次。262SLE4442与DSP接口电路设计如图210所示，SLE4442的I/O口与DSP的GPIO18口相连，时钟信号CLK接DSP的GPIO24，重置引脚RST与DSP的GPIO25连接，图中未画出这三条连线上拉到5V的上拉电阻，因其已经包含在选用的接口中。另外GND接地，VCC接电源（图中未标出）。此处要注意，当线路干扰较大的时候，还应在线路中加保护二极管。SLE4442DSPTMS320F28335I/OCLKRSTGNDGPIO18GPIO24GPIO25GND图210SLE4442与DSP连接图27本章总结本章主要讲述了系统硬件电路的设计。按照系统的整体设计框图，完成了对前置电路、A/D采样电路、DSP数据处理系统，以及输入输出系统和IC卡读写模块的设计，主要介绍元器件的选型理由和每个模块的硬件连接电路。其中前置电路包括了互感器和放大器、滤波电路；采样电路主要包含A/D转换器；DSP作为系统CPU，既完成数据处理的工作，同时还控制协同系统其他部分，使整个系统工作有条不紊地运行；输入输出系统包含了显示模块、按键模块以及与上位机做信息交互的无线通讯模块；最后是IC卡读取模块，用来与IC卡信息进行交互。第3章谐波功率测量及仿真验证31傅立叶变换原理电力系统的电压、电流等非正弦周期信号可用以时间T变量的周期函数表示如下（31）FTFTKT式中T表示周期,单位为秒。该周期函数变化的频率为，0,12TF/1角频率为，令，该周期函数可以表示成为F/2T（32）RTFK式中为该周期函数的周期，以角度表示，单位RAD，。R2TR将周期函数用傅立叶级数进行分解,可以将原函数表示为基波和无数高FT次谐波之和，如下所示（33）1022110SINCOSISINSINNNTBTAATATTTF式中是直流分量，和分别是第N次谐波的余弦系数和正弦系数。（34）SINA（35）COB（36）2NNA（37）NBRCTG利用正弦函数的正交性，可得到（38）21100TDFDTFTA（39）COSCOS200TNTFTNTFN（310）SIN1SIN2200TDTFTDTFTBN通常情况下，电力系统畸变波形幅值是连续的，没有数学意义上的间断点，满