《电子式电能表》（Word）

1、1前言1.1 概述电能表俗称电度表或千瓦时表，它在电能管理用仪器仪表中占有很大的比例，其性能直接影响电能管理的效率和科学化水平。多年以来，随着电力系统和以电能为动力的产业的发展以及电能管理系统的不断完善电能表的结构和性能也经历了不断的更新和优化的过程。较早出现且至今仍在我国和许多国家普遍采用的感应系电能表，虽简单且价格便宜，但受其工作原理以及材料工艺等条件的局限其测量准确度很难提高，且功能单一，不适应工业现代化和供用电管理现代化飞速发展的需求。近年来，微电子技术、计算机技术和通信技术的高速发展，有力地推动了电子式电能表技术的迅速更新与进步。高准确度、高可靠性的元器件以及大规模电路集成技术和电路

2、制造的表面贴装技术等应用于电子式电能表的开发与生产，使电子式电能表寿命提高、功能多种多样，且仍在不断扩展，并逐步使供用电管理的微机化和自动化成为现实。近期我国城市的居民住宅建设发展非常迅速，随之楼房所用电能表的数量也日益增多，现行建筑电气设计常将单块电能表集中挂成一面“表墙”，体积较大，维护管理不方便。且现行分体式电能表仅能实现一户的电能计量，功能单一，电表自身功耗较大;当用户过负荷时不能保护，严重时可烧毁电表;用户的用电数据需要抄表员人工采集。电能目前无法大量储存，其生产实施高效准确的抄收系统已是当传输和使用必须在同一时间内进行。我国在80年代就引进了一些国外的智能电表装置，然而其功能，价格

3、，维护等方面不能完全适应我国现阶段的需要。而电能计量管理系统是其它现代化系统实现的基础，目前在美国、日本已经实施。但是由于电网不同、国情不同，美、日的先进技术无法在我国电网采用，而且目前国内也还没有成熟的技术提供电力部门使用。为此，电力部门近期提出 “两网改造” 和 “城镇一户一表” 工程的任务。这为我国实现低压电网的管理现代化提供了广阔的空间，许多科研部门在这方面做出努力。正是由于以上背景，智能电能表应运而生。所谓智能电表，就是应用计算机技术，通讯技术等，形成以智能芯片(如CPU)为核心，具有电功率计量、计时、计费、与上位机通讯、用电管理等功能的新型电度表。其特点为：体积小型化功能多样化；功

4、耗减小维持电流降低；采用新型元器件，提高了可靠性；显示方式普遍更新：编程抄表多样化。将用电户的用电计量和管理集成一体，可大大缩小整机体积，优化配电箱的结构，精度高、功能全，并可进行远程自动抄表管理。1.2电能表的发展历程1.2.1感应系电能表的诞生和发展世界上最早出现的电能表，是由德国人爱迪生在1880年利用电解原理的制作的直流电能表。交流电的出现和使用，对电能计量仪表的功能提出了新的要求。1888年意大利物理学家费拉里斯首先想到将旋转磁场理论用于交流电能测量。与费拉里斯几乎同时，美国一位物理教师也根据旋转磁场的原理试制出了感应系电能表的雏形。1889年，德国人布勒泰制作出了无单独电流铁心的感

5、应系电能表。1890年，带电流铁心的感应系电能表出现了，不过其转动元件是一个铜环，制动力矩靠交流电磁铁产生。直到1世纪末，才逐渐改用永久磁铁产生制动力矩以降低转动元件旋转速度并增加转矩;表的计数机构几经改进，铜制的圆转盘也由铝圆盘所取代。至此，感应系电能表的制造理论基本形成。经过一百多年的不断改进和完善，感应式电能表的制造技术也己相当成熟。感应式电能表具有制造简单、可靠性好和价格低廉等特点，因此，至今在包括我国的许多发展中国家甚至是一些发达国家里，感应系电能表仍作为主要的计量工频电能的仪表被广泛使用。1.2.2电子式电能表的产生随着电能开发及利用的加快，对电能管理和电能表性能提出了更高的要求。

6、电力系统的不断扩大以及对电能合理利用的探索，使感应系电能表逐渐暴露出准确度低、适用频率范围窄和功能单一等缺点。感应式电能表由于受其原理和结构等因素的制约，要对它进行较大的改进是很困难的。基于微电子技术和计算机技术的不断发展，人们相继开发出了多种多样的电子式电能表。早期的电子式电能表，仍采用感应系电能表的测量机构作为工作元件，由光电传感器完成电能 脉冲的转换，然后经电子电路对脉冲进行适当处理，从而实现对电能的测量。这种电能表的显著特点是感应系测量机构配以脉冲发生装置，因此也被称为感应系脉冲电能表或机电脉冲式电能表。机电脉冲式电能表在国外早已有成熟产品，并自20世纪70年代初就开始在一些工业化国家

7、逐渐被大面积采用。这种电能表和机械祸合式多费率电能表都是感应系电能表向全电子式电能表过渡发展过程中的电能计量品种，它们对分时电价、需量电价制度的实施起了积极的推动作用。但是以感应系测量机构作为其测量主回路的原理性缺陷，决定了它同样具有感应系电能表一样的准确度低、适用频率范围低等缺点。为了替代感应系测量机构，从20世纪70年代起人们就开始研究并试验采用电子电路来测量交流电能。由于电能是电功率对时间的积分，所以任何电子电路式电能计量方案的第一步都是确定电功率。因而，使用乘法器是实现测量电功率和电能的电子电路的共同特点。全电子式电能表是在20世纪70年代后期发展起来的，因其没有机械转动部分和计数机构

8、，又称为静止式电能表或固态电能表。但由于受当时的电子技术水平的制约，全电子电能表仅用于标准表。随着电子技术的迅猛发展，电子器件的性能在20世纪80年代有了质的飞跃，且价格幅度下降，国外电子表的生产有了长足的进步。到20世纪80年代末90年代初国外大公司相继推出了全电子式多功能电能表，如瑞士兰地斯公司(LANDIS & GYR)、法国斯伦贝谢公司(Schletmberger)和美国通用电气公司(GE)等。电子式电能表按照其乘法器工作原理的不同可分为模拟乘法器型和数字乘法器型两大类。模拟乘法器型又有晶体管阵列平方乘法器、热偶乘法器、可变跨导型乘法器、双斜积分乘法器、霍尔效应乘法器和时分割乘法器等几

9、种类型。数字乘法器也已有几个种类。目前电子式电能表在国外的使用己比较普遍，特别是在西方发达国家非常普及，其年销量已超过机械式电能表。电子电能表与机械式电能表相比，除具有测量精度高、性能稳定、功耗低、体积小和重量轻等优点外，它还可以实现更丰富的功能，如复费率、最大需量、有功和无功电能记录、事件记录、负荷曲线记录、功率因数测量、电压合格率统计和串行数据通信等。电子式多功能电能表应用领域很广，并由于它具有强大的通讯功能而广泛应用于远程抄表，为用电管理所需的电能计度数据远程自动采集和自动计费、为电厂考核上网报价商业运营，以及为大型企业内部能源自动化管理提供了先进的技术手段。而在初期，人们对于电子式电能

10、表推广使用存在很大争议，主要原因是其使用寿命和可靠性指标方面有待进一步提高。电子式电能表的失效机理与机械式电能表不一样，机械式电能表的失效机理属机械磨损型，在使用过程中精度逐渐降低，最终失效，辅以机械计度器进行数据显示，一旦发生故障，主要的只是计量精度不符要求，但计度器的度数还在，其影响相对较小。电子式电能表的失效机理属偶发性的，一旦出现故障就可能导致不计电量，无显示，或历史计量数据丢失，其故障原因可能仅仅是由内部的某些元器件失效所致。同时，电子式电能表在现场使用环境下暴露出抗干扰能力差等弱点。经过调查和试验发现，生产厂家在元器件和材料选择、工艺上随意性较大，质量波动明显，另外缺乏实际运行经验

11、，生产也未形成规模，售后服务和技术支持投入力量都不足，所以在当时的条件下大面积使用风险较大。随着电子电路设计与制造新技术的出现，电能表的器件选择和工艺控制逐渐成熟，以及电子式电能表在各种现场环境下工作可靠性的问题逐渐攻破，相继出现了多种寿命长、可靠性高、适合现场使用的电子式电能表。目前己有相当数量的各种类型的国产和进口电子式电能表投入电网运行，并已产生了显著的经济和社会效益。在多年来的推广和使用中，电子式电能表性能的优越表现使人们对它建立了充分的信心。我国从20世纪90年代初开始研制全电子式电能表，其产品大多为斯伦贝谢模式。1994年威胜集团、恒通公司等相继推出了电子式多功能电能表。随后有多家

12、公司开始小批量生产。经过技术的引进、消化和吸收，我国电子式电能表的研制与生产逐渐进入创新和符合国情的快速发展阶段。1996年初电力部下令在全国推行复费率和负荷控制，为电子式电能表开辟了广阔的应用领域。并由于“两网改造”的带动，电子式电能表应用面迅猛扩大，它的开发设计和制造技术也得到了飞速的发展。1.3 电能表的工作原理 目前，国内智能电度表从结构上大致可分为机电一体式和全电子式两大类。机电一体式，即在原机械式电度表上附加一定的部件，使其既完成所需功能，又降低造价且易于安装，一般而言其设计方案是在不破坏现行计量表原有物理结构、不改变其国家计量标准的基础上加装传感装置，变成在机械计度的同时亦有电脉

13、冲输出的智能表，使电子计数与机械计数同步，其计量精度一般不低于机械计度式计量表。这种设计方案采用原有感应式表的成熟技术，在计量方面没有太多的技术难度，所以被大量采用。脉冲式和数字式电表，实现自动抄表相对较容易，但是由于其价格昂贵，用户使用范围有限。磁卡预收费电表的使用也存在很大的缺陷：只适用于散户，不便于集中物业管理；抗干扰能力弱，易产生用电纠纷；易解密。普通型电表价格低廉，为绝大多数用户所使用。因此较实用的电表抄录系统还是要针对居民用户的普通电表来设计。普通电能表的工作原理是：当把电能表接入被测电路时，电流线圈和电压线圈中就有交变电流流过，这两个交变电流分别在它们的铁芯中产生交变的磁通；交变

14、磁通穿过铝盘，在铝盘中感应出涡流；涡流又在磁场中受到力的作用，从而使铝盘得到转矩（主动力矩）而转动。负载消耗的功率越大，通过电流线圈的电流越大，铝盘中感应出的涡流也越大，使铝盘转动的力矩就越大。即转矩的大小跟负载消耗的功率成正比。功率越大，转矩也越大，铝盘转动也就越快。铝盘转动时，又受到永久磁铁产生的制动力矩的作用，制动力矩与主动力矩方向相反；制动力矩的大小与铝盘的转速成正比，铝盘转动得越快，制动力矩也越大。当主动力矩与制动力矩达到暂时平衡时，铝盘将匀速转动。负载所消耗的电能与铝盘的转数成正比。铝盘转动时，带动计数器，把所消耗的电能指示出来。感应式电能表采用电磁感应的原理把电压、电流、相位转变

15、为磁力矩，推动铝制圆盘转动，圆盘的轴（蜗杆）带动齿轮驱动计度器的鼓轮转动，转动的过程即是时间量累积的过程。因此感应式电能表的好处就是直观、动态连续、停电不丢数据。电子式电能表则从计量到数据处理都采用以集成电路为核心的电子器件，运用模拟或数字电路得到电压和电流向量的乘积，然后通过模拟或数字电路实现电能计量功能；电表体积减小，可靠性增加，更加精确，耗电减少，并且生产工艺大大改善；由于应用了数字技术，分时计费电能表、预付费电能表、多用户电能表、多功能电能表纷纷登场，进一步满足了科学用电、合理用电的需求。系统的各项功能、性能应满足电力部低压电力用户集中抄表系统技术条件(试行)的要求，电能表应达到的部分

16、性能及技术指标如下：电能表分单相电子式电能表和机电一体化电能表两种，均能实现同样的计度及数据传输功能。对于机电一体化电能表，全部部件完全装在表内。 功耗:非传输状态下不大于0.5 W,传输状态下不大于5.5VA 。 适用环境:0-40摄氏度、相对湿度不超过85 % 。适应电源波动士20%的要求。全部弱电元件均与220V电力线隔离，保证电表的安全使用。工频耐压2000V，冲击耐压 6000V。电能表应具有良好的电磁兼容性，要经受2000 / 4000V高频脉冲串的传导干扰；承受频率为100-1000Hz、强度为10V / m的高频电磁场干扰：承受8000V静电放电干扰。1.4 远程自动抄表系统

17、目前，我国绝大多数城乡居民用电抄表还采取人工方式，既消耗大量的人力、物力，且采集数据的时间跨度大、准确度低。因此，国家有关部门规定以后将逐步以计算机为基础的自动抄表系统取代传统的人工抄表。 远程自动抄表系统实现用电数据的自动抄收，可杜绝人工操作的一切弊端。用户的用电数据可直接进入用电营业的计算机管理系统，用电管理人员可随时监视用电情况，发现问题(如故障、偷电等)及时处理。随着形势的发展，居民在银行开设个人账户，营业计算机管理系统与银行联网，完成数据的自动抄收、处理、银行转账交费等全套操作，可真正实现用电管理的自动化。计算机网络的信号传输媒体有无线射频、电话线、电力线、双绞线等多种形式，可根据现

18、场情况选择。利用现代通信技术和计算机技术以及电能量测量技术结合在一起，便能够及时、准确、全面地反映电量使用情况。采用计算机自动抄录用户电表数据、自动计费报表是用电管理发展的必然趋势。针对普通用户开发一个经济适用、可靠的自动抄表系统，可以增强用电管理部门用电经营管理的效率，提高配电管理与决策的科学性，减少人力资源的浪费。另外利用抄表系统自动传输和记录电表数据，如果遇到用电收费纠纷，还可以实时查验和查询历史用电数据。这样使我国公用事业的收费工作方式得到有效改善。抄表系统的研制成功，必将带来一定的经济效益和社会效益。1.5 本文设计的电能表简单说明根据目前国内电表系统现状，以及适合国家发展的改革电表

19、的趋势，本文设计了一种电子式电能表，它运用CS5460专用电能计量芯片，通过其外围电路，现场总线CAN总线的传输，能方便地实现电能的计量、显示、存储及传输。是一种很有前途的智能型电能表，它运用现代化的智能芯片及通讯方式作为手段，将逐渐取代老式电能表，进入到千家万户，发挥其强大功效，给我们的生活带来方便。2 系统方案设计2.1系统总体方案设计老式电能表不能适应社会的需求，迫切需要改变不足。针对目前老式电表的种种问题，这里设计了一种运用电能计量专用芯片CS5460，微处理器及其外围电路，CAN总线来实现电能的计量、显示，存储和通讯等任务的电表系统。该设计能实现电能计量，用户用电数据储存及显示，通过

20、CAN总线进行传输及控制限电等功能。系统原理框图如图2-1。单片机（1）电能计量芯片CS5460（3）电源（5）断电机构（2）CAN总线通讯（4）显示部分（6）存储器图2-1 系统原理框图本设计按其功能要求，围绕单片机分为六个主要的部分，分别为：(1) 电能计量部分；(2) CAN总线通讯部分；(3) 电源部分；(4) 显示部分；(5) 断电部分；(6) 存储器部分。这里就各部分进行简单说明如下:电能计量芯片CS5460计算用户用电量，并将功率转化为脉冲输出；CAN总线通讯可以很可靠地实现分布式电表和数据中心的通讯；电源为单片机，电能计量芯片CS5460及其它芯片提供+5V稳压电源，并提供上电

21、复位和掉电复位信号；显示芯片7219能自动完成用户累计电量的显示，完成动态扫描LED显示器；断电机构的作用是当数据中心的上位机发出断电命令时，实现对用户的断电；存储器的主要作用是存储数据，作为掉电后数据恢复的依据。2.2 系统分块设计（六个部分）2.2.1 电能计量芯片CS5460 传统的电能计量算方法存在很多弊端，电能测量必须进行改变，电能计量对国民经济和人们的切身利益有着重要意义。如何保证电能计量精度这是一个十分重要的问题，人们一直在寻找一种更好的解决方式。电量采集部分是保证该计量装置的电能测量精度、提供修正综合误差所需的测量数据的重要环节。CS5460是带有能量计算引擎的CMOS单芯片功

22、率测量装置。它将两个ADC、一个高速能量计算单元和一个串行接口集成在一个单芯片上。它的内部包括一个可编程增益放大器、两个调制器、两个高速数字滤波器，具有系统校准、IRMS、VRMS计算、能量计算、瞬时功率计算等功能。因此它用于精确测量和计算电能、瞬时功率以及电流和电压的有效值。 以CS5460芯片构成的电表计量系统，能有效解决以往电能测量中的问题。1.CS5460的优势该芯片采用CMOS制造工工艺，功耗低，集成度高，组成电能表所需的外围器件少，在300：1的动态范围内测量电能数据的纯属度在0.1%，同时，片内集成有电能，电压真有效值、电流真有效值的计算和电能脉冲转换功能，由该芯片设计出的电能表

23、符合IEC521/1036工设计标准。传统的电能表只能测电能，即使是电子式电能表所测的电压和电流也是其平均值所转换的标准值，准确度不高，为了测得真有效值，需加入平均值勤真有效值转换集成芯片，相应的电能表的体积会增大，CS5460内部集成的电压电流真有效值计算功能，自由化了电能表电路设计，提高了精度，同时缩小了电能表体积。由于CS5460集成有简单的三线串行接口，易于和单片机接口，因此基于CS5460的电子式电能 表易于实现电能的现代化管理，是一种新型的电能表，有广阔的发展空间和利用价值。CS5460芯片有许多优点：可测量瞬时电流、瞬时电压、瞬时功率、电流有效值、电压有效值、功率有效值和电能计量

24、，该芯片的性能优于其它计量芯片，主要表现在：(一) 具有片内看门狗定时器（Watch Dog Timer）与内部电源监视器；(二) 双向串行接口与内部寄存器阵列可以方便与微处理器相连接；(三) 具有机械计度器/步进马达驱动器；(四) 片内2.5V参考电压；(五) 外部时钟最高频率可达20MHz；(六) 具有功率方向输出指示；(七) 提供了外部复位引脚。2.CS5460主要技术指标：差分电压输入范围:150mV；温度系数:60ppm/0c；功率消耗:10mW；电能计量精度:在300:1动态范围以上每秒读取0.1%；电压测量精度:读数的0.1%；电流测量精度:读数的0.1%；瞬时功率测量精度:读数

25、的0.1%；当CS5460的外部晶振为4.096MHz，倍率K=1时，功率和脉冲输出的关系为： 1度电 = 500个脉冲考虑CS5460优于其它电能计量芯片的诸多优点，本设计采用CS5460作为电能计量芯片。2.2.2 电表通讯选用现场总线CAN总线通讯在实际工作中，计算机的CPU与外部设备之间常常要进行信息交换，一台计算机与其他计算机之间也要进行交换信息，所有这些信息交换均可称为通信。通信方式有两种，即并行通信和串行通信。通常根据信息传送的距离决定采用哪种通信方式。并行通信是指数据通信的各位同时进行传送（发送或接收）的通信方式。其优点是传送速度快；缺点是数据有多少位，就需要多少根传送线。不适

26、合远距离通信。而串行通信指数据是一位一位按顺序传送的通信方式。它的突出优点是只需一对传输线（比如电话线），这样就大大降低了传送成本，特别适用于远距离通信，其缺点是传送速度较低。现场总线控制系统既是一个开放的网络，又是一种全分布控制系统。它作为智能设备的联系纽带，把挂接在总路线上、作为网络节点的智能设备连接为网络系统，并进一步构成自动化系统，实现基本控制、补偿计算、参数修改、报警、显示、监控、优化及控管一体化的综合防治自动化功能。这是一项集嵌入式系统、控制、计算机、数字通信、网络为一体的综合技术。1.几种典型现场总线的介绍现场总线技术特性及应用范围的比较(一) 基金会现场总线（FF，Founda

27、tion Fieldbus）FF总线是新一代的过程控制体系结构，为过程控制用户提供的功能支持是过去任何过程控制设备都无法比拟的。基金会现场总线最大的好处在于它不只是一种总线，而且是一个系统；它是国际公认的唯一不附属于任何企业的非商业化的国际标准化组织。FF总线是目前最具发展前景，最具竞争力的现场总线之一。FF总线系统作为全分布式自动化系统，主要完成以下功能；对工业生产过程各个参数进行测量、信号变送、控制、显示、计算等，实现对生产过程的自动检测、监视、自动调节、顺序控制和自动保护。FF总线拥有非常出色的互操作性，这在于FF采用了功能模块和设备描述语言DDL，使得现场节点之间能准确、可靠的实现信息

28、互通。目前FF有29个功能块，其中包括10个基本功能块和19个先进功能埠。用户还可以开发自己的功能块，这些功能块之间通过标准的DDL实现互操作。FF总路线按照传输速率分为低速现场总线H1和高速总线H2。H1总要用于现场级，特别适合于热工仪表控制，替代DCS控制功能。H2总线主要面向过程控制级、远程I/O和高速工厂自动化的应用，不过H2尚在开发之中。FF总路线的开发费用比较高，目前几乎没有安装应用实例。(二) 控制器局域网络（CAN Control Area Network）CAN总线最早是由德国Bosch 公司推出，用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信协议。它是一种有效支持分布式控制或实时

29、控制的串行通讯网络，其总线规范已被ISO国际标准化组织制定为国际标准。CAN总线的应用范围从高速网络到低成本的多线路网络，广泛应用于控制系统中的各检测和执行机构之间的数据通信。CAN总线基于OSI模型，但进行了了优化，采用了其中的物理层、数据链路层、应用层，提高了实时性。传输介质为双绞线，通论速率与总线长度有关。CAN总线采用短消息报文，第一帧有效字节娄为8个；当节点出错时，可自动关闭，抗干拢能力强，可靠性高。现场总线领域中，CAN总线得到了计算机芯片商的广泛支持，它们纷纷推出直接带有CAN接口的微处理器（MCU）芯片。带有CAN的MCU芯片总量已经达到1亿3千万片（不一定全部用于CAN总线）

30、；因此在接口芯片技术方面，已遥遥领先于其他所有现场总线。此外，CAN总线的硬件接口非常简单，编程方便，系统构成容易，用户无需专门的培训即可操作，相对于FF等其它总路线来说开发系统廉价，可以说CAN是一种性价比非常好的现场总线。(三) PROFIBUS总线（Process Fieldbus）PROFIBUS 由三个兼容部分组成，即PROFIBUS-DP（Decentralized Periphery）、PROFIBUS-FMS (Fieldbus Message Specification) 和PROFIBUSPA (Process Automation)PROFIBUS-DP：是一种高速低成本

31、通信连接，用于设备级控制系统与分散式I/O的通信。其最主要的优点是具有较高的数据传输速率，允许高速周期性的小批量数据通信，适用于通信时间要求较高的场合；PROFIBUS-FMS：是一处令牌结构，实时多主网络。是为现场的通用通信功能设计的协议。FMS提供大量的通信服务，用于完成中等传输速度进行循环和非循环的通信任务。适用纺织工业、楼宇自动化、电气传动、低压开关等一般自动化；PORFIBUS-PA：专为过程自动化设计，可使传感器和执行机构联在一根总线上，主要用于对安全性较高的场合及由总线供电的节点。与其它现场总线系统相比，PROFIBUS的最大优点在于具有稳定的国际标准EN50170作保证，并经实

32、际应用验证具有普遍性。PROFIBUS开放性和不依赖于厂商的通信的设想，已在10多万成功应用中得以实现。(四) 局部操作网络，（LONWORKS、Local Operation Network）LONWORKS 技术是美国ECHELON 公司于1991年 年推出，并与Motorola和东芝公司共同倡导的现场技术。为集散式监控系统提供了很强的实现段手段。LONWORKS具有很强的网络功能，它采用了OSI全部七层模型，是现场总线中唯一采用七层模型的总线。LON 采用Lontalk协议，其网络的核心是Neuron芯片，它既能管理通信，同时具有输入/输出及控制等功能。由于Neuron芯片的协议处理与通

33、信介质无关，因而能支持多种通信媒介，如双绞线、电力线、射频、红外线、同轴电缆和光纤等。可以说LON本身就是一个局域操作网络，因此与展开网的兼容性比任何现存的现场总线都好。但LONWORKS和其它总线一样并不是十全十美的，LON技术还未能深入底层仪表，因而在流程工业自动化领域受到限制。LONWORKS是楼宇自动化的理想选择，在国内LON 是主要应用于楼宇自动化方面。(五) HART总线（Highway Addressable Remote Transducer）HART协议是由美国Rosemount 公司于1986年提出来的通信协议。这种被称作可寻址远程传感器高速通道的开放通信协议，其特点是在现

34、在的模拟信号传输线上实现数字信号通信，发展模拟系统向数字系统的过渡产品。但由于目前在我国使用4-20mA标准的现场仪表大量存在，新旧系统的更改将会有一个很长的过程，不可能是把现在正在运行的仪表系统废弃而全部改为新的系统。更重要的是，目前我国公开发完成了基于HART协议的系列产品，所以在当前过渡时期，HART总线具有较强的竞争力。其典型应用是远程过程变量查询、参数设定和对话。2. CAN总线的突出特性由于CAN总线本身的特点：其应用范围目前已不再局限于汽车行业，而扩展到了机械工业、纺织机械、农用机械、机器人、数控机床、医疗器械、家用电器及传感器等领域发展。CAN总线已经形成国际标准，并已被公认为

35、几种最有前途的现场总线之一。CAN总线采用了许多新技术及独特的设计，与一般的通信总线相比，它的数据通信具有突出的可靠性、实时性、和灵活性。其特点可概括如下：(一) CAN是到目前为止唯一有国际标准的现场总线。(二) CAN为多主方式工作，网络上任何节点均可在任意时刻主动地向网络系统上其他节点发送信息，而不分主从。(三) 在报文标识符上，CAN上的节点分成不同的优先级，可满足不同的实时要求，优先级高的数据最多可在134us内传输。(四) CAN采用非破坏总线仲裁技术。当多个节点同时向总线发送信息出现冲突时，优先级较低的节点会主动地退出发送，而最高优先级的节点可不受影响的继续传输数据，从而大大节省

36、了总线冲突仲裁时间。尤其是在网络负载很重的情况下，也不会出现网络瘫痪情况。(五) CAN节点只需通过对报文滤波即可实现点对点、一点对多点及全局广播等到几种方式传送接收数据。(六) CAN的直接通信距离最远可达10Km（速率5kbps以下）；通信速率最高可达成协议Mbps(此时通信距离最长为40m)。(七) CAN上的节点数主要取决于总线驱动电路，目前可达110个。在标准帧报文标识符有11位，而在扩展帧的报文标识符（29位）的个数几乎不受限制。(八) 报文采用短帧结构，传输时间短，受干扰概率低，保证了数据出错率极低。(九) CAN的每帧信息都有CRC校验及其他检错措施，具有极好的检错效果。(十)

37、 CAN节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能，以使总线上其他节点的操作不受影响。(十一) CAN总线具有较高性价比。它结构简单，器件容易购置，每个节点的价格较低，而且开发技术容易掌握，能充分利用现有的单片机开发工具。CAN总线与其它通信网的不同之处有二：一是报文传送中不包含目标地址，它是以全网广播为基础，各接收站根据报文中反映数据性质的标识符过滤报文，该收的收下，不该收的弃而不用。其好处是可在线上网下网、即插即用和多站接收；二是特别强化了对数据安全性的关注，满足控制系统及其它较高数据要求的系统需求。正是由于CAN总线具有其它总线不具备的优势，让电表系统能正常运行，电力管理工作能得到正常开

38、展，因此我们选用CAN总线进行通讯不失为最好的考虑。2.2.3电源部分运用电源典型电路 电压端出部分是选用三端集成稳压器，三端集成稳压器具有体积小，精度高，使用方便，多功能保护，输出电流可扩展等特点，按其输出电压情况可分为固定式和可调式两种。本设计采用三端固定输出稳压器中的正电压输出MC7805T；该稳压器内部设有过流，过热和调整管安全工作区保护电路，以防过载而损坏。用它来组成稳压电源只需很少的外围元件，电路非常简单，且安全可靠。由两套MC7805T及滤波电路构成的电源部分，能有 VCC和VCC1两个互相不相关的电压输出，主要为CAN总线的两套光电耦合器6N137提供相互隔离电源电压，完成光电

39、耦合功能的实现，另由比较器LM393构成的电源上电及掉电的单片机复位电路，构成了一个完整的电源系统。2.2.4显示部分改进方案 该部分初步设计为8279与LED构成的典型显示电路，有74LS373锁存器，8279显示专用芯片，74LS138译码器，电流放大7407放大器，上拉电阻，LED组成，单片机的控制信号经过地址锁存器锁存，再经过8279显示专用芯片处理，用扫描方式经过7407驱动，使数码管显示。上述设计是一般显示典型设计方案，但通过研究观察，用此种方案动用很多芯片，很多数码管，电路复杂，连线不容易，于是另外设计一种新的方案：用MAX7219芯片，结合LED显示芯片就能完成显示功能，而且外

40、部接线极为简单，是为本设计首选。MAX7219是美国MAXIM（美信）公司推出的多位LED显示驱动器，采用3线串行接口传送数据，可直接与单片机接口，用户能方便修改其内部参数，以实现多位LED显示。它内含硬件动态扫描显示控制，每枚芯片可驱动8个LED数码管，它可直接驱动64段LED条形图显示器。MAX7219能够驱动8个LED，可方便地对每位LED进行单独控制、刷新，不需重写整个显示器寄存器，通信方式采用串行数据方式，可与任何一种单片机方便接口。2.2.5断电限制首选固态继电器 与传统机械式电磁继电器相比，固态继电器有着它特有的优势。交流固态继电器SSR(Solid state relays)是

41、一种无触点通断电子开关，为四端有源器件。其中两个端子为输入控制端，另外两端为输出受控端，中间采用光电隔离，作为输入输出之间电气隔离(浮空)。在输入端加上直流或脉冲信号，输出端就能从关断状态转变成导通状态(无信号时呈阻断状态)，从而控制较大负载。整个器件无可动部件及触点，可实现相当于常用的机械式电磁继电器一样的功能。 由于固态继电器是由固体元件组成的无触点开关元件，所以与电磁继电器相比具有工作可靠、寿命长，对外界干扰小，能与逻辑电路兼容、抗干扰能力强、开关速度快和使用方便等一系列优点，因而具有很宽的应用领域，有逐步取代传统电磁继电器之势，并可进一步扩展到传统电磁继电器无法应用的计算机等领域。由于

42、以上原因，本设计选用固态继电器作为断电限制主要元件。2.2.6 存储部分考虑芯片X25045 系统运行时，通常都会遇到各种各样的现场干扰，抗干扰能力是衡量系统性能的一个重要指标。看门狗(Watchdog)电路是自行监测系统运行的重要保证，在8096系列单片机和增强型8051系列单片机中，该系统已经做在芯片内部，用户只要用软件开放它就可以，使用很方便。但本课题设计的系统是使用廉价的普通型8051系列单片机，则看门狗电路必须自己建立。X25045是把看门狗定时器、电压监控和EEPROM三种常用功能组合在单个封装里。因此大大降低了成本并节约了电路空间。其看门狗定时器和电压监控功能对系统起到保护作用，

43、并提高芯片本身的抗干扰能力，使之更有效发挥其作为EEPROM的功能。可编程看门狗监控EEPROM芯片X25045的主要特色为“非易失性”或者说是“不挥发性”，即当系统掉电后，重要的数据和状态信号可以长时间不丢失。在本设计中还要求有掉电记忆功能，因此优先考虑采用此芯片。3 硬件设计3.1 CS5460接口电路3.1.1 CS5460介绍 CS5460是CRYSTAL公司最新推出的带有串行接口的单相双向功率/电能计量集成电路芯片，它在一个芯片上包含2个模拟数字转换器（ADC）、高速电能计算功能和一个串行接口的高度集成的模拟数字转换器；它可以精确测量瞬时电压、瞬时电流、瞬时功率等；还具有与单片机通讯

44、的双向串口。上电后CS5460可被初始化并可执行全部功能，包括在用户程序控制下的系统校准。该芯片主要特点：适于和分流传感器接口；带有相位补偿；集成系统校准；内部集成参考电压源；简单的三线串行接口；看门狗技术；掉电监视。1.内部结构CS5460内部集成了两个-A/D转换器，高、低通数字滤波器，能量计算单元，串行接口，数字-频率转换器，寄存器阵列和看门狗定时器等模拟，数字信号处理单元。其中IN，IN为模拟电流输入通道；VIN，VIN为模拟电压输入通道；而为了和输入电压的不同量级匹配，电流通道还集成有一个增益可编程放大器（PGA），使输入信号的满量程范围可选择；2个模拟数字转换器对系统采样的信号进行

45、模数转换；2个数字高速滤波器以（MCLKK）1024的字输出速率输出数据；2个高通滤波器可以在能量计算前将输入信号的直流分量滤除；校准单元实现对模拟输入通道的校准；功率计算单元用于计算瞬时功率和电压电流有效值等。串行接口（Serial Interface）单元提供了CS5460与外部的数据通讯接口。2. 引脚排列及功能：（CS5460的引脚排列如图3-1所示）1脚XOUT:晶体振荡器输出; 2脚CPUCLK:CPU时钟输出;3脚VD+:数字电路电源正极; 4脚DGND:数字地;5脚SCLK:串行时钟输入;6脚SDO:串行数据输出;7脚/CS:片选;8脚NC:空脚;9脚VIN+:差分电压正输入端

46、;10脚VIN-:差分电压负输入端;11脚VREFOUT:参考电压输出;12脚VREFIN:参考电压输入;图3-1 CS5460引脚图13脚VA-:模拟地;14脚VA+:模拟电源正极;15脚IIN-:差分电流负输入端;16脚IIN+:差分电流正输入端;17脚PFMON:电源掉电监视输出; 18脚NC:空脚;19脚/RESET:复位输入;20脚/INT:中断输出;21脚/EOUT:电能脉冲输出;22脚/EDIR:功率方向指示输出;23脚SDI:串行数据输入;24脚XIN:晶体振荡器输入.3.1.2 CS5460工作原理CS5460是具有能量计算引擎的CMOS单片功率测量芯片。输入电流信号经过一个

47、可编程增益放大器，进入调制器和高速数字滤波器，电压信号则经过固定增益放大器进入调制器和数字滤波器，两个滤波器的字输出速率可程控，其输出速率为(MCLK/K)/1024，其中，MCLK为系统时钟频率，K为时钟分配器，范围015。经过滤波器输出的即是电流、电压的瞬时值，相乘就得到功率的瞬时值，每得到一次瞬时值就是完成一次转换。电流、电压的瞬时值经过高通滤波器滤掉直流成分后，运算得到IRMS、VRMS和电能值。每个IRMS、VRMS和电能值的计算周期需要经过N次转换，因此电能的计算周期为(MCLK/K)/1024N。即有效值采样周期是瞬时值采样周期的N倍。所有这些数据由串行接口和单片机进行数据交换。

48、1.模拟信号输入采样部分的外部电路与CS5460的接口如图3-2所示。采样电路是实现测量瞬时电压、瞬时电流、瞬时功率的基础。各电阻和电容不但精度要求高，而且其作用也不相同。电路中的RP1用于在出现浪涌电流时对电流通道的输入管脚进行限流保护；在VIN脚不需要保护电阻是因为采用了电阻分压器作为传感器，电阻分压器串联的电阻已被引到VIN脚，如果 CS5460电压输入通道的负端没有接地（VIN和VIN接成差分输入方式）在信号的输入端加保护电阻是非常必要的。CP1和CP2的作用是吸收耦合到输入线路中的高频噪声。CS5460VIN+VIN-IIN+IIN-R1R2R3RP1CP2CP1NL图3-2 CS5

49、460 采样电路图各电阻和电容应最终保证电压通道输入的信号满量程幅值为150 mV，而电流通道输入的信号满量程幅值为30 mV或150 mV可选择（通过增益可编程放大器由程序实现）。2. 校准对输入通道的校准，主要有如图3-3所示的几个软件校准过程。输入通道的校准直流电流偏移交流电流偏移直流电压偏移交流电压偏移交流电流增益交流电压增益脉冲补偿相位补偿功率补偿线性补偿图3-3 输入通道软件校准过程3. 运算处理 电压和电流通道输入的信号被校准后送到功率计算单元，由测得的电压和电流计算出功率。同时还由测得的瞬时电压和瞬时电流计算出电压和电流的有效值。4. CS5460的功能控制和测量数据输出方式(

50、一) CS5460的功能控制CS5460的功能控制是通过写命令字的方式实现的。这些8位长度的命令字包括“启动转换”、“同步调整”、“上电/暂停控制”、“掉电控制”、“校准控制”和“寄存器读/写”等命令。CS5460内部有16个24位长度的用户可访问的寄存器。对这些寄存器的访问是根据填写在“寄存器读/写”命令中的地址进行的。这此寄存器包括“基本配置”、“电流、电压偏移校准”、“电流、电压增益校准”、“循环计数值N”,“电能/脉冲转换尺度”、“前次转换的电流、电压、功率瞬时值”、“前计算周期的电能、电流有效值、电压有效值”、“时基校准”、“状态”、“中断屏蔽”等寄存器。(二) CS460的测量数据

51、输出方式在CS5460接收到“启动转换”命令(设置为多计算循环方式)后，电能寄存器和电压、电流有效值寄存器内的数据，每N(N值在循环计数寄存器中设置)次A/D转换(等于一个计算周期)完毕后更新一次。而电压、电流、功率瞬时值寄存器内的数据，则每一次A/D转换完毕后便更新一次。应当注意的是：CS5460的状态寄存器中的DRDY (数据有效)位，在每个计算周期（N次A/D转换完毕）后才置位，同时在/INT脚产生中断信号(当屏蔽寄存器的“DRDY”位未被屏蔽时)，所以若让电压、电流、功率的瞬时值数据每更新一次就产生一个中断请求，需将循环计数寄存器的值N设为1。微控制器进行中断处理的一般过程是：读CS5

52、460状态寄存器屏蔽中断进行中断服务处理将步骤读出的值写回CS5460状态寄存器(清状态位) 开中断返回。(三) CS5460的信号输入电路CS5460的电流通道可与低功耗分流器或互感器接口；电压通道可与阻性分压器或互感器接口。其电流通道的可编程增益放大器（PGA）的增益可设为10和50，分别对应于最大有效值为150 mV和30mV的交流信号输入；电压通道的最大有效值输入为150mV。由于CS5460的-型模/数转换器采用过采样原理，对高频噪声有较强的抑制作用，因而对输入信号无需进行复杂的滤波处理(引入阻容滤波电路反而容易引起相移)。(四) CS5460与微控制器的接口CS5460有四条串行接

53、口线：/CS，SDI，SDO和SCL，/CS为片选控制线，低电平有效；SD1为串行数据输入线；SDO为串行数据输出线；SCL1C为串行时钟，用于控制C 55460与微控制器之间数据传输同步。如果每次数据读/写操作都要通过SDI引脚写入8位的命令字节，该操作需要8个SCL时钟周期。如果写入的是“寄存器读/写”命令，那么接下来应通过SDI引脚写入24位数据或通过SDO引脚输出8，16，24位数据。SCL1C时钟周期的个数由数据位数决定。应当注意的是，在通过SDO引脚读取数据的时候，必须同时向SDI引脚写入与8，16，24位数据大小相对应的1，2，3个空操作（NOP）命令字节。3.1.3 本部分硬件

54、设计本系统由CS5460实现瞬时电压、瞬时电流、瞬时功率的测量，由单片机实现电能计量及其他功能，接口电路如图3-4所示。图3-4 CS5460典型接口电路图CS5460的串行接口包括4个控制线即：CS，SDI，SDO和SCLK。CS为片选信号，是允许访问串口的控制线，低电平有效，高电平时SDO端呈高阻状态，如果片选CS直接与逻辑0相连接.则只需要3条线就可以完成串行口的操作；SDI为串行数据输入端，用来把从单片机的数据传输到CS5460；SDO为串行数据输出端，用来将数据输出到单片机，通过实验还发现，如果将串行数据输入SD1和串行数据输出SD0连在一起，同样可以进行串行通讯，而且仅需要两条接口

55、线；SCLK是控制数据输入或输出的串行位时钟，在SCLK的电平转换能被端口识别之前CS必须被置为逻辑低电平。单片机就是通过这4条控制线来实现与CS5460的数据交换。单片机从CS5460中读取的瞬时电压、瞬时电流和瞬时功率等数据经处理后存在存储器内，上电后单片机从存储器内读数据到内存中。所有这些数据可以通过外部通讯接口由上位机读出，也可以由液晶显示器上方便地查询。如图3-4 CS5460典型接口电路图所示，它的基本电流有效值=20A，相线电压有效值V=220V（50Hz），计量常数K=500imp/kWh，假定量大电流有效值为=100A，最大电压有效值为=300V，根据CS5460的差分电压输

56、入和差分电流输入最大值为150mV的技术指标，则电流和电压通道的变比KI、KV分别1/10000和1/20000。当选取电流互感器二次侧最大电流为10mA时，二次侧取样电阻的值应为15。3.2 CAN总线通讯3.2.1 CAN总线及其芯片介绍CAN总线是国际上应用最广泛的现场总线之一。最早是由德国Bosch公司推出，用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信协议。CAN总线的应用范围遍及从高速网络到低成本的多线路网络.广泛应用于控制系统中的各检测和执行机构之间的数据通信。现场总线领域中，CAN总线得到了计算机芯片商的广泛支持，他们纷纷推出直接带有CAN接口的微处理器(MCU)芯片。CAN是一种多

57、主方式的串行通讯总线，基本设计规范要求有高的位速率，高的抗电磁干扰性，而且能够检测出产生的任何错误。CAN网络具有如下特点：网络上任意一个节点均可在任意时刻主动向网络上的其它节点发送信息，而不分主从；采用非破坏性总线仲裁技术，当两个节点同时向网络上传送信息时，优先级低的节点主动停止数据发送，而优先级高的节点可不受影响地继续传输数据；具有点对点，一点对多点及全局广播传送接收数据的功能；通讯距离最远可达10km(5kbps)，通讯速率最高可达1Mbps(40 m)，网络节点数实际可达110个，每一帧的有效字节数最多为8个，这样传输时间短，受干扰的概率低，通讯介质采用廉价的双绞线即可，无特殊要求;每帧信息都有CRC校验及其它检错措施，数据出错率极低，可靠性极高；在传输信息出错严重时，节点可自动切断它与总线的联系，以使总线上的其它操作不受影响。1. CAN总线控制芯片SJA1000 SJA1000是一种独立的CAN控制器，主要用于移动目标和一般为业环境中的区域网络控制。 PHILIPS公司的SJA1000是符合CAN2.0 B协议的总线控制器，它是应用于汽车和一般工业