1、 隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電能表的生產(chǎn)規(guī)模越來越大。同時，在能源越來越緊張的環(huán)境下，多用戶智能電能表具有重要的現(xiàn)實意義和較高的應用價值。多用戶智能電能表十分適合我國國情，其功能也很完善。 本文在電能計量理論研究的基礎(chǔ)上，是以ATT7022為模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，用S3C44BOX為主要控制芯片，通過 ARM-uClinux嵌入式平臺，GPRS通信技術(shù)，CAN通信技術(shù)等，研究設計和開發(fā)一套用于智能電網(wǎng)的智能型三相多用戶電能表。電能表采用模塊化的設計，主要分為硬件和軟件兩個方面。這種設計不僅能夠很好地滿足電能計量、遠程抄表等需求，還有有利于節(jié)能和平衡用電。具有一定的社會應用價值。關(guān)鍵詞：ATT7022；S3C

2、44BOX；多用戶電能表；AbstractWith 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 inte

3、lligent 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 - uCl

4、inux 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

5、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;目 錄摘 要IAbstractII第1章 緒 論11.1課題背景11

6、.2電能表的發(fā)展歷史11.3國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀31.4本論文的組織結(jié)構(gòu)4第2章 系統(tǒng)設計方案52.1系統(tǒng)設計思路概述52.2系統(tǒng)的方案選擇論證52.3多用戶電能表硬件設計方案72.4多用戶電能表軟件功能設計8第3章 智能電表硬件設計93.1電能計量理論93.2智能電能管理系統(tǒng)103.3主要模塊電路設計123.3.1 電源設計123.3.2 信號輸入電路設計133.3.3 電量計量電路設計163.4.4 CAN通信電路設計203.3.5液晶顯示電路設計233.4本章小結(jié)26第4章 智能電表軟件設計274.1嵌入式系統(tǒng)環(huán)境設計274.1.1 S3C44BOX的資源274.1.2 儲存器介紹284.2

7、 uCLinux操作系統(tǒng)294.2.1 uCLinux簡介294.2.2 uCLinux嵌入式軟件系統(tǒng)移植324.3 uCLinux操作系統(tǒng)下的設備驅(qū)動設計354.3.1 uCIinux系統(tǒng)下的設備驅(qū)動354.3.2 uCIinux系統(tǒng)下設備驅(qū)動程序的使用374.3.3 在uClinux系統(tǒng)下的CAN驅(qū)動程序設計374.4主程序程序設計39結(jié) 論42參考文獻43致 謝45附錄A 多用戶電源電路圖46附錄B ATT7022計量電路47附錄C 多用戶電能表通信電路48第1章 緒 論電能表由于長期連續(xù)工作且用量大，而且它的耗電是不可忽視。根據(jù)計量部門提供的型式檢驗報告，對各種各樣電能表的自身能耗進行

8、了比較?，F(xiàn)有單戶電能表功耗多在1W以上，雖然滿足國家所制定的標準，但是從節(jié)能角度考慮，還應盡量減少電能表的功耗。而多用戶智能電能表，其平均每戶自身功耗卻不到，每戶年節(jié)電大概10度，相比之下效益十分巨大。在能源越來越緊張的環(huán)境下，多用戶智能電能表具有重要的現(xiàn)實意義和較高的應用價值。多用戶智能電能表十分適合我國國情，其功能也很完善。因此，國家應支持和鼓勵多用戶智能電能表的發(fā)展。隨著我國電力的發(fā)展和人們生活中家用電器的普及，用電量日益增大，并且用電的高峰和低谷存在較大的差距;電力系統(tǒng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)日益復雜龐大，用傳統(tǒng)的方法已無法實現(xiàn)當代供電和用電管理系統(tǒng)的需要?，F(xiàn)代化的供、用電管理方法要求電能表具有分時計

9、價和自動遠程抄表等功能。微電子技術(shù)、計算機技術(shù)和通信技術(shù)的高速發(fā)展為電子式電能表的迅速進步和日益成熟的提供了強大的技術(shù)支撐。 近年來我國的城市居民住宅建設發(fā)展十分迅速，隨之而來樓房所用電能表的數(shù)量也日益增多，人們常常簡單地將市場上現(xiàn)有的商品化電能表集中掛成一面“表墻”。當用戶較多時，將給使用、維護和管理帶來諸多不便。研究表明，從我國目前一個公寓樓房單元通常住有十幾戶甚至幾十戶的實際出發(fā)，開發(fā)和應用集多表位于一體的、多用戶多功能組合式新型智能電能表具有重要意義。一電能表的出現(xiàn)由于電能在最早開始投入生產(chǎn)的時候使用的是直流電，因此1880年（或1881年）愛迪生利用電解原理發(fā)明了第一臺直流電能表（安

10、時計）。由于年代久遠，我們只能猜測愛迪生將電解裝置接入電路，通過電解過程中某種化合物的生成量來計算電能轉(zhuǎn)化。但是這種理論存在一個問題：根據(jù)高中所學的電解知識，在已知電解質(zhì)種類的情況下，我們可以計算單位時間內(nèi)的電荷轉(zhuǎn)化量，進而得到電流。二感應式電表 隨著工業(yè)進程不斷加快，受技術(shù)的限制，直流電已經(jīng)無法滿足市場的要求，交流電登上了歷史的舞臺。1889年，匈牙利崗茲公司一位德國人布勒泰制作成總重量為的世界上第一塊感應式電能表。在感應式電表剛發(fā)明出來的時候還存在很多問題。一方面，導磁材料性能差，增大了電能表體積和質(zhì)量。另一方面，轉(zhuǎn)盤材料產(chǎn)生渦流過程中電能消耗太大。因此，之后感應式電表又得到了逐步改進。1

11、905年出現(xiàn)了增加非工作磁路改進成九十度的方法，大大提升了電能表各項參數(shù)。隨后性能較好的高導磁材料的出現(xiàn)，大大地減輕了電能表的重量并縮減了其體積。上世紀三十年代開始，電能表釆用鉻鋼、鋁鎳合金代替原來的鎳銅，并通過降低電能表轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速來降低其損耗，同時改善了電能表的負荷特性。感應式電表因結(jié)構(gòu)簡單、造價低廉、維修方便、操作安全在電能計量中得到了廣泛引用。但是感應式電表也有自身的缺點：消耗人力、準確度低、功能擴展困難、防竊電能力差。三電子式電表 二十世紀六十年代末，日本發(fā)明了時分割乘法器并提出了其測功率原理，實現(xiàn)了全電子化測量裝置，受到全世界的關(guān)注。電子式電能表的出現(xiàn)很好地解決了感應式電表的一些問題

12、：功能強大、準確度高、防竊電能力強。但是由于全部由電子元件構(gòu)成，電子式電表最大的缺點就是使用壽命短，除此之外，維修復雜、抗干擾能力弱也是限制其發(fā)展的因素。四機電一體式電表 上個世紀末，針對電能表實現(xiàn)多功能、高精度及便于自動抄表、具有先進通訊接口等諸多功能擴展需要，出現(xiàn)機電一體式的特種電表，且功能完善。機電式電表采用感應式電能表作基表，同時應用電子電路來實現(xiàn)新的功能。例如機電式長壽命電能表一體化程度高，各零件均采取了特別工藝處理，既克服了電子式電能表由于電子元件容易老化壽命短的問題，也克服一般機電式電能表工藝的不足，并可在各種惡劣環(huán)境條件下的正常運行。但是既然機電式電表以感應式電表作為基表，就還

13、存在著感應式電表的缺點。五智能化電表 隨著全球性“智能電網(wǎng)”和國家電網(wǎng)公司“電力用戶用電信息采集系統(tǒng)”建設的開始，電能表，不再僅作為單一計費儀表而存在，而是正向智能化、系統(tǒng)化、模塊化和多元化的系統(tǒng)終端發(fā)展。自動抄表系統(tǒng)與負荷控制系統(tǒng)逐步合并升級成用電信息采集系統(tǒng)，并向高級測量體系過渡，且已成為最具發(fā)展?jié)摿Φ碾姽x器儀表產(chǎn)品之一。在此影響下，當前感應式電表的市場份額已經(jīng)下降到兩成不到，而隨著智能電網(wǎng)建設的進一步推進，電子式電表將呈現(xiàn)出完全取代感應式電表的趨勢，并逐步向“智能電表”過渡。智能電表是一種新型全電子式電能表，具有電能計量、信息存儲及處理、實時監(jiān)測、自動控制、信息交互等功能，支持雙向計量

14、、階梯電價、分時電價、峰谷電價等實際需要，也是實現(xiàn)分布式電源計量、雙向互動服務、智能家居、智能小區(qū)的技術(shù)基礎(chǔ)。它還能對居民用電負荷情況自動示警，避免超負荷導致的短路及火災等嚴重事故。另外，居民可以使用充值卡或網(wǎng)上充值兩種方式繳納電費，方便快捷。因此可以預見，將來電能表的發(fā)展必將是以智能化作為最終目標，成為覆蓋全國的智能化電網(wǎng)的系統(tǒng)終端。近年來，國內(nèi)外對于研究數(shù)據(jù)通信理論和電量計量已經(jīng)接近成熟，現(xiàn)在國內(nèi)外的研究熱點是智能電網(wǎng)相關(guān)技術(shù)。什么是智能電網(wǎng)，就是電網(wǎng)的智能化，以高速雙向通信網(wǎng)絡為基礎(chǔ)，通過先進的測量和傳感技術(shù)、先進的控制方法和先進的決策，支持整個智能系統(tǒng)的應用，來實現(xiàn)電網(wǎng)總體的經(jīng)濟、安全

15、、可靠、高效、友好和使用安全的目標。在2005年，加拿大人馬克坎貝爾發(fā)明了一種利用Swarm群體行為原理的技術(shù)，使大樓里的電器相互協(xié)調(diào)，減少大樓在用電高峰期的用電量。他通過一種無線控制器，把整個大樓的電器連接起來，并對之有效控制。在2006年,美國著名的IBM公司與一些企業(yè)，全球電力專業(yè)研究機構(gòu)合作開發(fā)了一套“智能電網(wǎng)”的解決方案。該方案被比喻成電網(wǎng)系統(tǒng)的“中樞神經(jīng)系統(tǒng)”，供電網(wǎng)絡公司可以通過使用先進的計量表、先進的傳感器、先進的計量表、先進的數(shù)字控件和先進分析工具，自動監(jiān)控總個電網(wǎng)，優(yōu)化電網(wǎng)運行性能、防止電網(wǎng)斷電、而且可以更快地恢復供電，普通消費者對電力使用情況的管理也可細化到每個聯(lián)網(wǎng)的智能

16、裝置。在我國，2007年10月，華東電網(wǎng)智能電網(wǎng)可行性研究項目正式啟動，并計劃了從2008年至2030年的智能電網(wǎng)建設“三步走”戰(zhàn)略，第一步:在2010年初步建成電網(wǎng)高級調(diào)度中心；第二步:2020年全面建成具有初步智能特性的數(shù)字化電網(wǎng)；第三步:2030年真正建成具有自愈能力的智能電網(wǎng)。2008年，美國的科羅拉多州波爾得(Boulder)城市，這個全世界第一個智能電網(wǎng)城市，智能型電表進入每家每戶，人們不僅可以隨時地了解當時的電價，從而把一些耗電的事情，比如洗衣服、洗浴等安排在電價低的時候。還可以幫助居民優(yōu)先使用太陽能等清潔能源。 2009年2月2日，我國能源問題專家武建東，在全面推互動電網(wǎng)革命拉

17、動經(jīng)濟創(chuàng)新轉(zhuǎn)型的文章中，明確提出中國電網(wǎng)函須實施“互動電網(wǎng)”革命性改造，互動電網(wǎng)就是智能電網(wǎng)。第二年，國家電網(wǎng)公司制定了關(guān)于加快推進堅強智能電網(wǎng)建設的意見，確定了建設堅強智能電網(wǎng)的基本原則和總體目標。第1章緒論部分，介紹課題的背景和研究意義，從整體上給出了智能電能表的研究思路。第2章系統(tǒng)方案設計部分，介紹了系統(tǒng)的硬件和軟件的設計方案。 第3章電能表硬件設計部分，分析電能計量理論，介紹計量芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和ATT7022外圍電路的硬件設計，而且著重分析和設計了電能表的主要硬件模塊:電源模塊、信號輸入模塊、CAN通信模塊和顯示模塊。 第4章電能表軟件設計部分，本系統(tǒng)是利用arm-uClinux進行開

18、發(fā)。先介紹了S3C44BOX主控芯片、存儲器芯片、u-boot移植和uClinux內(nèi)核移植，再進行了嵌入式系統(tǒng)下的驅(qū)動設計和電能表主程序設計。 最后結(jié)論部分，對本系統(tǒng)的工作做出總結(jié)。第2章系統(tǒng)設計方案本課題設計和開發(fā)是智能電網(wǎng)終端產(chǎn)品之一一新型智能多用戶電能表。電能表具有同時通斷控制、電量存儲、計量多個用戶、電量顯示、遠程抄表等功能，為電力部門進行調(diào)配電力創(chuàng)造了條件。 本系統(tǒng)設計采用模塊化設計，主要分為硬件和軟件兩個方面，硬件方面主要的模塊有電源模塊、多路選擇模塊、信號采集模塊、時鐘模塊、通信模塊、斷電控制模塊和顯示模塊；電源模塊為電能表提供能量；多路選擇模塊在CPU控制下循環(huán)選擇其中一路信號

19、進入計量電路中；信號采集模塊將需要測量的電壓大電流信號轉(zhuǎn)換為小信號；時鐘模塊為系統(tǒng)提供時鐘；通信模塊負責電能表與用電管理部門、用戶之間通信；斷電控制模塊對欠費用戶進行斷電；顯示模塊顯示電量數(shù)據(jù)。軟件方面設計是在arm-uClinux平臺之上進行的，其中包括對u-boot和uClinux內(nèi)核的移植、uClinux嵌入式系統(tǒng)下的驅(qū)動設計、電能表的主程序設計。2.2 系統(tǒng)的方案選擇論證 智能多用戶電能表將24戶的計量單元、供電電源、存儲單元、顯示單元以及電表通信單元放在同一結(jié)構(gòu)中，即一個CPU，外接多個計量芯片，采集每個用戶的數(shù)據(jù)，把數(shù)據(jù)以脈沖的形式發(fā)給單片機，實現(xiàn)對用戶的用電分別計量，與單片機相連

20、的顯示單元，顯示各用戶用電狀況，可通過通信模塊遠程抄表，將數(shù)據(jù)上傳，達到電力部門用電的統(tǒng)一管理的目的。多用戶電能表能計量24戶用戶的用電，可實現(xiàn)對24戶的電能分別計量、集中管理，并可以顯示當前用電和遠程抄表，原理如圖所示。1-24用戶計量單元I/O擴展1-24戶繼電器控制I/O脈沖 主機P1C16C65B從機CPUI/O擴展485接口LCD顯示器儲存器紅外抄表器紅外接口實用時鐘電壓監(jiān)測ZiggBee模塊光控按鍵 儀表的原理框圖中:計量單元，將采集的脈沖給單片機；數(shù)據(jù)處理單元；通信接口(ZigBee接口)，使數(shù)據(jù)上傳；電源電路，負責給系統(tǒng)供電；液晶顯示，顯示不同用戶用電量信息。 用戶計量單元采用

21、RN8209電能計量專用芯片，該芯片具有設計的低成本、單相、兩線制、高精度等優(yōu)點?？梢酝瑫r采集兩路電流一路電壓，進入計量芯片輸入端，通過對RN8209內(nèi)部寄存器的設置，以脈沖的形式輸出，將脈沖給單片機，單片機計量相應的脈沖數(shù)量，即為對應的用電量。 液晶電路采用1602液晶顯示模塊，每行可以顯示16個字符，其中第一行顯示用戶編號，第二行顯示各用戶當前的用電量。在通信部分，將小區(qū)的每塊電能表的數(shù)據(jù)通過ZigBee網(wǎng)絡傳輸?shù)揭黄穑缓笤偌w上傳，實現(xiàn)小區(qū)用電的遠程集中管理。該表具有RS485通信接口與遠程投切裝置相連接，接收主機命令，根據(jù)用戶繳納電費情況實現(xiàn)相應各用戶繼電器分合控制。該表同時設計紅外

22、通信接口電路，在不具備組網(wǎng)條件的小區(qū)采用紅外掌上抄表器實現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動抄錄。多用戶電能表硬件設計系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框如圖2.2所示:電源模塊時鐘芯片斷電控制模塊顯示模塊S3C44B0X多路選擇電路計量芯片GPRS模塊信號采集器JTAG接口儲存模塊GAN通信模塊在該方案中，智能電表是通過信號采集電路中的電壓互感器將電壓信號變成可以用于芯片測量的電壓小信號，電流互感器將電流信號變成可以用于芯片測量的電流小信號；使得到的小信號通過多路選擇電路進入專用計量芯片。斷電控制模塊控制著用戶通斷電情況，如果用戶交費，或欠費后，該模塊是根據(jù)電量情況，對用戶通斷電。存儲模塊存儲這著電能表運行程序，記錄著用戶用電數(shù)據(jù)，存

23、儲用戶用電行為模式參數(shù)。時鐘芯片以便于電能表進行用戶用電行為模式分析和電能管理部門在復費率情況下，切換電價等。JTAG接口是本電能表的調(diào)試接口和程序下載接口。GPRS通信模塊會將電能數(shù)據(jù)發(fā)送到用戶手機。 通過專用的計量芯片將變換好的電流、電壓信號進行A/D轉(zhuǎn)換，接著利用內(nèi)部數(shù)據(jù)信號處理，計算出采樣的電能有功功率和無功功率等，以及智能系統(tǒng)所需的各種各樣的電能參數(shù)，并對電能進行累計，再將這些數(shù)據(jù)存放在芯片特定的寄存器內(nèi)，供S3C44B0芯片讀取。 電源模塊一定要為整個電表系統(tǒng)的運行提供穩(wěn)定可靠的電源。在此次電源的設計中，采用的是改進的三相變壓正極輸出并連和低壓差芯片技術(shù)，只要三相中其中的一路有電，

24、電能表就能進行工作，大大增強了電能表的工作穩(wěn)定。S3C44B0是通過CAN通信模塊電能表數(shù)據(jù)上傳至電力管理部門，實現(xiàn)他們能實時的得知電能數(shù)據(jù)，同時及時作出反應，如:用戶峰時節(jié)電谷時用電，變電站配送電力等。在此次CAN通信電路中，采用磁珠等改進技術(shù)來增強其通信穩(wěn)定性。 本次系統(tǒng)的軟件是在嵌入式系統(tǒng)環(huán)境下設計完成的，用電電量等數(shù)據(jù)接收、程序分信號采樣與處理程序，用戶通斷電控制程序，GPRS撥號程序程序，CAN通信程序，電能表顯示程序，數(shù)據(jù)存儲程序，電能表狀態(tài)檢測程序等幾部分組成。系統(tǒng)軟件所要實現(xiàn)的功能如下： (1)電流電壓信號采集、斷電控制的功能。 (2)實現(xiàn)CAN模塊通信數(shù)據(jù)的功能。 (3)實現(xiàn)

25、GPRS模塊通信撥號上網(wǎng)和收發(fā)短信的功能。 (4)存儲電量數(shù)據(jù)和參數(shù)、時鐘設置讀取等功能。 (5)實時顯示各種參數(shù)電量。 (6)能夠檢測到電能表的異常信息、上傳報警的功能。 (7)進行用戶用電行為分析，調(diào)整費率等。 上述任務在處理的過程中，應能保證各個任務處理的實時性，并且各個任務在操作共享資源時應能不造成沖突。第3章 智能電表硬件設計硬件部分是功能實現(xiàn)的載體，本系統(tǒng)設計的目的就是設計一種成本低廉、便于管理、安全可靠又便于維護的智能電網(wǎng)管理系統(tǒng)終端，本章開始從電能計量理論開始分析，然后再簡敘電能表的基本功能。研究設計適用于智能電網(wǎng)技術(shù)智能電表的主要硬件模塊。在自然界中，人類不可以直接利用的電能

26、，人類只能把其他形式能量轉(zhuǎn)換成電能。比如，水力發(fā)電的勢能轉(zhuǎn)換、火力發(fā)電的熱能轉(zhuǎn)換等等。 從物理角度來看，電能是從電能源流向負載的能量流。負載消耗電能的快慢程度用功率表示。功率為電壓與電流的乘積。功率的越大表示負載消耗越快，反之越慢。 功率有兩種表示方式:1、瞬時功率；2、平均功率。對于直流電來說，電壓和電流恒定不變，所以平均功率與其瞬時功率的值是相等的；而對于交流電來說，電壓和電流在時刻變化，所以瞬時功率也在時刻變化，因此平均功率與瞬時功率并不時刻相等。如果要計算在交流電下工作的用電設備，一段時間內(nèi)消耗的總的電能，必須在這段時間內(nèi)，對瞬時功率依次進行積分累加，得到要求的總的能量消耗。 現(xiàn)在，假

27、如設電壓的表現(xiàn)形式為電流為。 則可知:瞬時功率= ； (3.1) 由公式(3.1)可知，瞬時功率也是隨著時間變化的函數(shù)。如果想要求得平均功率，即在某個時間段內(nèi)的平均值。應該等于該函數(shù)(3.1)對單位時間積分后，再除以這個時間段，所以平均功率應為: =(3.2)同樣可知，如果電壓和電流是正弦信號交流電，則公式(3.2)可以等價為: (3.3)在上式(3.2)中，在物理量中，為交流電流有效值，為交流電壓有效值。因為電力網(wǎng)中的復雜性，使得交流電流和交流電壓的相位并不一致，所以電流有效值和電壓有效值之間必定存在相位差。 在式(3.3)中，本文把當為功率因數(shù)，它的含義是:有功功率與視在功率的比值。在電力

28、網(wǎng)中，電能實際消耗的平均功率為有功功率，的乘積為視在功率。 在現(xiàn)實電網(wǎng)中，交流電壓電流一般會受到各種各樣的因素影響。信號中常常包含了50Hz頻率以外的其他正弦信號。而這些信號是多次諧波頻率信號-基頻信號的整數(shù)倍。頻率包含了100Hz，150Hz，00Hz等等。 此外，在電力網(wǎng)中，工作著各式各樣的電器，例如開關(guān)電源，它將會引入各種的噪聲進入電力網(wǎng)絡，從而使電壓波形發(fā)生畸變。但是事實上，從文中可以發(fā)現(xiàn)瞬時功率公式= ，它本身就是含有直流分量和各次諧波高頻分量信號。由數(shù)學公式可知，任何不為0的頻率分量在長期積分結(jié)果為一定值。時間對于該頻率的積分來說沒有任何用處。因此對于電量的計量，在數(shù)學上來說，就是

29、瞬時功率中的直流分量在時間上的積分和。瞬時功率的各次頻率分量對電能計量沒有任何用處。這種理論正是當前許多電能計量芯片，進行有功電能計量的基本原理。 本智能多用戶電能表所處在的電能管理系統(tǒng)中的如下位置。電能管理系統(tǒng)方案如圖所示。 方案中，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)接器、多用戶電能表、用電管理部門構(gòu)成了整個智能電能管理系統(tǒng)。這個系統(tǒng)完全具備智能電網(wǎng)的基本特性:1、通過先進的傳感和測量技術(shù)；2、先進的控制方法以及先進的決策；3、高速雙向。 其中每個部分的功能有著不同，在整個系統(tǒng)中都承擔著一定的作用。電能表中因為GPRS模塊，可以與用戶手機之間通過GPRS網(wǎng)絡聯(lián)系起來；而電能表之間與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)接器通過CAN總線連接在一起；數(shù)

30、據(jù)轉(zhuǎn)接器與用電管理部門通過各種通信連接在一起，一起形成了功能較為強大的智能電能管理網(wǎng)絡。各個設備功能具體如下:智能多用戶電能表CAN總線用電管理部門智能多用戶電能表GPR通信GPRS網(wǎng)絡數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器智能多用戶電能表GPRS網(wǎng)絡 (1)智能多用戶電能表是智能管理系統(tǒng)的終端部分，它的功能有:電量顯示和存儲、電能采樣計量、用戶通斷電控制、數(shù)據(jù)傳輸、費率計算等功能。S3C44B0芯片就是本次設計的電能表“大腦”，CPU控制著外圍全部硬件模塊，使它們工作協(xié)調(diào)進行。S3C44B0芯片通過在運行前己經(jīng)記錄于存儲模塊芯片其中的程序，來控制外圍所有的模塊。 (2)用戶通過電能表中的GPRS模塊來接收電價信息，電量

31、信息，使用戶隨時可以了解用電情況。 (3)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)接器是連接用電管理部門、電能表終端或者智能電網(wǎng)中心服務器的連接點設備，是電能表與服務器之間的樞紐。 (4)用電管理部門綜合各用戶的電網(wǎng)運行參數(shù)進行數(shù)據(jù)和用電數(shù)據(jù)分析、處理，調(diào)控用戶用電和調(diào)整用電政策，用來實現(xiàn)電網(wǎng)的可靠、安全、高效、經(jīng)濟、環(huán)境友好和使用安全的目標。 此次系統(tǒng)是由多個硬件模塊組成，且功能強大。下面介紹主要是4個模塊的電路設計:電源模塊、信號輸入電路、CAN通電路、LCD顯示電路。 電源是所有電子智能系統(tǒng)中必不可缺少的模塊單元，它是所有電子設備中供給能量的動力部分。此次設計的電能表產(chǎn)品非常特殊，需要很長時間不間斷工作。并且智能電表在計

32、量上的準確性要求較高、運行時要求非常可靠和具有抗干擾強的能力。所有嚴格的要求，必須要以電源部分工作安全穩(wěn)定為前提。因此，智能電能表的電源設計是十分重要的模塊之一。 本次系統(tǒng)采用由交流電經(jīng)變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓而形成的直流電源。它的要求實現(xiàn)為通信模塊、CPU和主處理器中的各處理芯片提供電能。該電能表為三相電能表，A，B，C三相依次經(jīng)過三個變壓器降壓輸出后，經(jīng)過橋式整流變?yōu)橹绷麟妬韺崿F(xiàn)并聯(lián)輸出。電路圖如附錄A。在現(xiàn)實生活中，也許會出現(xiàn)只有一相或者兩相電源在供電的情況。如果出現(xiàn)這種情況，下面的設計保障可以提供電表穩(wěn)定電源。當交流電A，B，C三相任何其中一相有電時，都能供給電表電能。 該電能表需要15

33、V，9V，5V，和等多種不同的電壓源。如:S3C44B0就需要(I/O供電電源)和(內(nèi)核供電電源)，而繼電器芯片需要15V的電源等。此次系統(tǒng)采用的LM2576-15/5芯片和芯片。附錄A電路中，交流電整流輸出后的直流電波形是半正弦信號，不可以直接用在各級芯片，因此需要電源芯片LM2576整流變成穩(wěn)定電壓的直流電源信號。DC/DC直流降壓開關(guān)電源是LM2576，能穩(wěn)定的輸出數(shù)字電壓源。它有,5V，12V，15V和ADJ等可調(diào)輸出，可調(diào)輸出電壓的范圍；輸出電流為(最大)3A。寬電源的輸入為3V-45V，輸入電壓最高可以達45V，開關(guān)頻率為52KHz，封裝TO-220/263，過熱保護和限流保護等功

34、能。LM2576芯片的外圍電路如L1, C7可以起到穩(wěn)定電壓的目的、C8電容是高頻濾波的作用。DS二極管起到的是電壓保護的作用。DW2芯片的外圍電路與DW1外圍電路一樣。LM1117是低壓差電壓調(diào)節(jié)器系列。它的壓差在輸出，當負載電流為800mA時是。其和國家半導體的工業(yè)標準器件LM317有一樣的管腳排列。LM1117具有可調(diào)電壓的版本，通過2個外部電阻可以實現(xiàn)-輸出電壓范圍。還有5個固定電壓輸出(，和5V)的型號。 LM1117系列具有LLP，TO-263，SOT-223，TO-220和TO-252 D-PAK封裝。輸出端要用一個至少l0uF的鉭電容用來改善瞬態(tài)響應和穩(wěn)定性。LM1117系列的

35、輸出電流超過1A，最大輸入電壓為20V。用為例，電路的設計如附錄A電路圖所示。 在以后的硬件功能模塊中，還會用到特別的電源，例如數(shù)據(jù)通信中的需要電源電路隔離，一般會采用DC-DC隔離電源。電路的設計如附錄A電路圖所示。 信號輸入電路可以分為兩個部分:信號采集模塊和多路選擇模塊。 信號采集模塊是全部表計計量器件系統(tǒng)中不可缺少的。計量表計是通過信號采集模塊，來采集所測量的信號，經(jīng)過一系列的內(nèi)部處理，得到此次系統(tǒng)所需要的信息。該電能表的信號采集可以分為兩個部分:1、濾波部分；2、變壓部分。 變壓部分目的就是把三相交流電中的高電流和高電壓信號轉(zhuǎn)換成適合A/D轉(zhuǎn)換芯片輸入范圍的小信號。轉(zhuǎn)換方式分為有兩種

36、，一種:先通過電路電的傳遞函數(shù)方式把輸入的220V/380V民用交流電來進行分壓，再把分壓信號傳給電能計量芯片的A/D輸入接口；另一種:通過電流或者電壓互感器直接進行降壓后，得到所需要的交流信號，可以直接輸出給電能計量芯片的A/D輸入接口。兩種方式各有其優(yōu)缺點。 第一種方式的優(yōu)點是成本較低，但因為要直接接到220V/380V民用交流電電路，所以就會無法對交流電中的干擾信號進行有效隔離，以及電路中所選元件必須是大功率器件。還要利用電路中的傳遞函數(shù)來進行分壓，要求選擇元件的精度必須要很高；另一種方式，就是利用互感器對交流電進行隔離變壓，但信號輸出穩(wěn)定；電路的設計也要比第一種方式簡單，但成本一般會高

37、于第一種方式。本文以實際情況考慮，此次設計選用的就是第二種方式。 濾波電路的作用是用來濾去整流輸出電壓中的紋波的電路，其一般實由感抗和電阻元件來混合組成。比如在負載電阻兩端一般并聯(lián)一個或者幾個電容器C，或著是在與負載串聯(lián)的電路中增加電感器L。各式電容和電感來混合組合，可以形成各種各樣復合式的濾波電路。 由Nyquist采樣定理得知，對于信號采樣時為避免高于折疊頻率的雜散頻譜進入采樣器造成頻譜混淆，一般會在采樣器前面加一個保護性的前置低通濾波電容，用來阻止高頻率分量的進入。本文采用的是RC低通濾波電路。根據(jù)設計的方案，本文選用的是通過電流互感器和電壓互感器間接進行變壓。圖是互感器的原理圖，電流得

38、到所需要的交流信號后，經(jīng)過濾波電路的采集，可以直接輸出給計量芯片的A/D接口進行采樣。 在本次系統(tǒng)的設計中，A相分離是8個電流互感器，B相分離是8個電流互感器，C相分離是8個電流互感器，分別用來對應A相8個住戶，B相8個住戶，C相10個住戶。共有24個住戶。 多路選擇電路稱做數(shù)據(jù)選擇器，也叫多路選擇器或多路開關(guān)。 在本次設計的電能表當中，共有多達3個電壓互感器和24個電流互感器，就意味著有27路數(shù)據(jù)需要處理，如果一起給每路信號單獨的通道，就會需要設計高達27路信號通路，硬件成本就會非常高，不切實際。因此本系統(tǒng)一定采用其他的方法。 根據(jù)時分復用的原理就可以得到解決方祛。時分復用的原理，就是把一個

39、傳輸通道進行等時間分割，用來傳送若干電路的信息，比如:把N個電路設備接到一條公共的通道上，如果它們同時通信的話，每個電路的信息將被其他電路干擾，而無法通信。如果按照一定的次序，依次的給每個設備分配一段使用通道的時間片。當輪到這個設備時，該設備才與通道接通，執(zhí)行通信。與此同時，其它的設備與這個公共通道的聯(lián)系均被切斷。等到一定的使用時間間隔一到，則通過時分多路轉(zhuǎn)換開關(guān)把通道聯(lián)接到下一個要連接的設備上，讓下一個設備可以進行通信。時分制通信也叫時間分割通信，它是在數(shù)字電話多路通信上得到廣泛應用，因而PCM通信常叫做時分多路通信。 本次系統(tǒng)中，一樣可以利用到這個原理。來設計出專門的多路選擇電路，可以根據(jù)

40、需要將其中任意一路選出來，設計框圖如下圖。數(shù)據(jù)及譯碼總線數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)鎖存器總線控制緩沖器數(shù)據(jù)鎖存器數(shù)據(jù)鎖存器總線控制緩沖器總線控制緩沖器斷電控制信號斷電控制信號電能脈沖信號電能脈沖信號斷電控制信號電能脈沖信號 第一組（8戶） 第二組（8戶）第三組（8戶） 數(shù)據(jù)譯碼總線，選擇其中的一個通路，同時，其他通路都在斷開狀態(tài)，這一通路能夠讓電能信號脈沖進入總線控制緩沖器，經(jīng)由數(shù)據(jù)總線將數(shù)據(jù)傳送至處理芯片。等到下一時刻時，選擇下一路的信號通路。這樣一直循環(huán)進行。就將每一個通道的信號采集到計量電路中。 電能計量的芯片是整個計量智能電能表的核心部件，它的工作就是模擬/數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換、完成對電壓和電流小信號的采

41、集、電量計算所需的各種參數(shù)以及完成數(shù)字信號處理。計量芯片的性能將會直接決定了數(shù)字電能表的其他相關(guān)項性能指標。因此，對電能表的設計，在對計量芯片的選擇要求上顯得非常的苛刻。 在本次智能電表系統(tǒng)中，對電能計量芯片的功能除了要求要具有電流和電壓的采集以及完成、A/D轉(zhuǎn)換以及完成和計算，還有各種所需的參數(shù)外，還要求需要測得的參數(shù)的精確度的標準必須比較高。現(xiàn)在工業(yè)常用的三相交流電具有三相四線、三相三線這兩種類型，就需要電能計量芯片能兼容上面得這兩種模式。 本文采用的是這些專用電能計量芯片來開發(fā)電子式智能電能表，不但能夠測量功率、電能，而且還能夠測量電流、電壓、頻率、功率因數(shù)等多種電能參數(shù)，還為電力部門電

42、能管理的現(xiàn)代化提供了條件。此文綜合比較各各種電能計量芯片特性和功能，認為ATT7022還是比較適合本系統(tǒng)對于電能計量芯片的要求。 1、芯片ATT7022介紹 ATT7022芯片，是一種高精度的三相電能專用計量芯片，它對三相三線和三相四線交流電的測量全適用；在芯片的內(nèi)部集成了六路二階sigma-delta ADC、參考電壓電路，還有所有功率、有效值、功率因數(shù)、能量以及用于頻率測量的數(shù)字信號處理等電路；還能夠測量，各相以及三合相的有功功率、無功功率、視在功率、無功能量以及有功能量，同時還能測量電壓有效值、頻率、功率因數(shù)、各相電流、相角等參數(shù)，充分滿足了三相多功能電能表的需求。ATT7022支持增益

43、校正、全數(shù)字域的相位以及純軟件校表；無功、有功電能脈沖輸出；CF1，CF2引腳提供瞬時無功、有功功率信息，就可以直接接到標準表，進行誤差的校正。 ATT7022還會提供一個SPI接口，通過SPI接口，MCU可以方便與外部之間進行計量參數(shù)和校表參數(shù)的傳遞。全部電能計量參數(shù)都可以通過SPI接口讀出。ATT7022芯片內(nèi)部具有的電壓監(jiān)測電路，用來保證加電和斷電時正常工作。同時，ATT7022芯片片內(nèi)還包含有一個電源監(jiān)控電路，這個電路可一連續(xù)對模擬電源(AVcc )進行監(jiān)控。但當該電源的電壓低于4V士5%時，芯片就會被復位。這中監(jiān)控電路有利于電路通電和掉電時，芯片的正確啟動以及正常工作。電源監(jiān)控電路就

44、被安排在延時和濾波的環(huán)節(jié)當中，這樣就在最大程度上，防止由電源噪聲引發(fā)的錯誤。為了保證芯片正常工作應對電源采用了去禍電容方式，使得AVcc的波動不得超過5V士5%。OSC0OSC1SIGRESETSEL ATT7022框圖時鐘控制電路 德脈沖生成器數(shù)字信號處理 DSP有功功率CF1模擬信號采集V1PCF2V1N無功功率V3P電流ADCRevpV3N視在功率V5P電壓有效值 SPI通信 接口DOUTV5NDIN電流有效值SCLK電壓ADCV2PCSV2N功率因數(shù)V4PVCC電源管理V4N頻率測量AVCCV6PADDV6NN參考電壓GNDAGNDREFOUTREFCAP圖3.4 ATT7022的內(nèi)部

45、結(jié)構(gòu)框圖 ATT7022芯片的片內(nèi)集成6路16位的ADC，采用了雙端差分信號輸入方式。它的最大輸入電壓是，就可知輸入最大的正弦信號有效值為1V。本文會將電壓通道Un對應到ADC的輸入選在上下，而當電流通道為1b時，ADC輸入就選在V左右。ATT7022芯片每相能量測量與計算的圖如圖所示。前端的16位就是sigma-delta型模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換(ADC)采用了過采樣技術(shù)，采用這種的方式，就可以充分保證采樣的速率，芯片得有功功率計量就可以包含高達21次諧波信息；在芯片中，數(shù)字高通濾波器主要是用來除去電流和電壓采樣數(shù)據(jù)的直流分量。芯片無功功率計量的算法，與有功功率計量的算法類似，不同的是輸入的電壓信號

46、在采用移相90度之后得。測量的帶簾主要就是受到數(shù)字移相濾波器的帶寬限制，因此無功功率的測量也可高達21次諧波。 ATT7022通過對電壓、電流采樣值進行了平方、開方以及數(shù)字濾波等一系列運算才得到。有效值測量誤差小于1%。圖3.5 ATT7022數(shù)字信號處理框圖 2、基于ATT7022的電路設計 一般來說，因ATT7022功能強大，所以硬件電路設計比較簡單，與處理器的接口電路只需五根線就可以，其中包括了；SCLK，DIN，DOUT，RESET，CS這5個引腳。RESET是芯片ATT7022的復位引腳，如果在本引腳上，持續(xù)加上時間大于20us的低電平時，芯片ATT7022就會進入復位狀態(tài)，如果RE

47、SET引腳出現(xiàn)高電平，芯片ATT7022又會從復位狀態(tài)變成正常的工作狀態(tài)，主控制器能夠通過的I/0口RESET引腳來進行控制。其它的四引腳則是用于SPI通信；SCLK是SPI通信的同步時鐘，引腳CS是SPI片選信號，DOUT和DIN分別是數(shù)據(jù)輸出線和數(shù)據(jù)輸入線。附錄B是ATT7022與采樣信號的電路原理圖，附圖中的引腳編號對應芯片的真實引腳。3.4.4 CAN通信電路設計 CAN全叫做“Controller Area Network"，就是控制器局域網(wǎng)，是現(xiàn)在國際上應用最為廣泛的現(xiàn)場幾個現(xiàn)場總線之一。在80年代末時，CAN最初出現(xiàn)在汽車工業(yè)的時候，德國Bosch公司提出的。當時，消費

48、者對于汽車功能的要求越來越多，但是這些功能的實現(xiàn)大多是用電子操作的，使得電子裝置之間的通訊就越來越復雜，這樣就意味著需要重名的連接信號線。提出CAN總線的最目的就是為了解決現(xiàn)代汽車中龐大的電子控制裝置之間的通訊，為了減少不斷增加的信號線。因此，他們設計一個單一的網(wǎng)絡總線，全部的外圍器件就可以被掛接在該總線上。例如：在在變速箱控制器、發(fā)動機管理系統(tǒng)、在儀表裝備和電子主干系統(tǒng)當中，全部嵌入CAN控制裝置。到1993年，CAN已經(jīng)成為國際標準IS011898(高速應用)和IS011519(低速應用)。 在由CAN構(gòu)成的單一總線網(wǎng)絡中，理論上是可以掛接無數(shù)個節(jié)點，一個接點就相當接一個控制器。但是在實際

49、應用中，節(jié)點數(shù)目是會受到CAN網(wǎng)絡的硬件電氣特性受到限制。比如，當使用Philips PC82C250用作CAN的驅(qū)動收發(fā)器的時候，在同一個網(wǎng)絡中，就只能夠允許掛接110個以下個節(jié)點。CAN總線就可提供最高達1 Mbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率，這樣高的速度使實時控制變得非常容易。此外，對CAN總線的硬件錯誤檢定特性也大大的增強，同時對CAN的抗電磁干擾能力也大大的的增強。 CAN總線是一種以多主方式的串行通訊的總線方式，基本設計規(guī)范要求有高抗電磁干擾性，高位速率，并且能夠檢測出總線數(shù)據(jù)產(chǎn)生的所有錯誤。當信號傳輸距遠達到10Km的時候，CAN總線就可以提供高達50Kbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率。因為CA

50、N總線具有很高的實時性能，所以CAN總線已經(jīng)在汽車工業(yè)、航空工業(yè)、工業(yè)控制、安全防護等領(lǐng)域中得到廣泛應用。成為最具廣泛的總線之一。 CAN總線的通訊協(xié)議描述的是設備之間的信息傳遞方式。CAN總線層的定義和七層模式-開放系統(tǒng)就互連模型(OSI)一致。模型的每一層與另一設備上相同的那一層之間進行通訊。但實際上的通訊則是發(fā)生在每一個設備上相鄰的兩層，而兩個設備只有通過模型的物理層的物理介質(zhì)互連。CAN總線的規(guī)范定義模型的最下面兩層:數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。在下表3-1當中，展示OSI開放式互連模型的各個層。應用層協(xié)議可以是由CAN總線用戶定義成適合特別工業(yè)領(lǐng)域的任何的方案。DeviceNet標準已在制造

51、業(yè)領(lǐng)域和工業(yè)控制得到廣泛的應用，這個標準是為了PLC和智能傳感器設計的。在傳統(tǒng)的汽車工業(yè)中，許多汽車制造商都應用的是他們自己的標準。 CAN總線能夠使用許多種物理介質(zhì)相連，比如雙絞線、光纖等等。在現(xiàn)實當中最常用的就是雙絞線。CAN信號用的是差分電壓傳送，兩條總線信號線被叫做“CAN_L”，和“CAN _H”，靜態(tài)時均是在2.5V左右，此狀態(tài)表示為邏輯“1"，也可以稱為“隱性”。如果CAN _H 比CAN _L高，就表示為邏輯“0"，叫做“顯形”，在這時，通常兩線的電壓值為：CAN _H = 3.5V和CAN _L= I.5V。 CAN有著非常優(yōu)越的特點，使人們大多數(shù)選擇它作

52、為總線使用。這些特性包括： I、成本少。 2、比較高的總線利用率。 3、遠距離的數(shù)據(jù)傳輸較能力(長達10Km) 。 4、速率能夠高達1Mbit/s高速數(shù)據(jù)傳輸能力。 5、能夠根據(jù)報文的ID決定接收或屏蔽該報文數(shù)據(jù)。 6、有可靠的錯誤處理和檢錯機制。 7、再次發(fā)送的信息遭到破壞后，能夠自動重發(fā)。 8、設備節(jié)點在錯誤嚴重的情況時，能夠自動退出總線的功能。 9、報文中不包括目標地址或源地址，僅僅用標志符來指示功能信息、優(yōu)先級等信息。表3-1 OSI開放系統(tǒng)互連模型表1物理層 規(guī)定通訊介質(zhì)物理特性。比如:信號交換和電氣特性的解釋。2數(shù)據(jù)鏈路層規(guī)定了介質(zhì)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位的組織和排列。如：數(shù)據(jù)校驗和幀結(jié)構(gòu)。

53、3網(wǎng)絡層規(guī)定了網(wǎng)絡連接的建立、維持和拆除的協(xié)議。如：路由和尋址。4傳輸層 兩通訊節(jié)點之間數(shù)據(jù)傳輸控制。操作：:數(shù)據(jù)重發(fā)，數(shù)據(jù)錯誤修復。5會話層 依靠低層的通信功能來進行數(shù)據(jù)的有效傳遞。6表示層 將兩個應用不同數(shù)據(jù)格式的系統(tǒng)信息轉(zhuǎn)化為能共同理解的格式。7應用層最高層。用戶、軟件、網(wǎng)絡終端等之間用來進行信息交換。 標準CAN總線的標志符長度為11位，而擴展格式CAN總線的標志符長度卻可達29位。CAN總線協(xié)議的2.0A版本規(guī)定CAN總線控制器一定要有一個11位的標志符。在2.0B版本中規(guī)定，CAN總線控制器的標志符長度能夠是11位或29位。遵循CAN2.OB協(xié)議的CAN總線控制器能夠發(fā)送和接收11

54、位標識符的標準格式報文或29位標識符的擴展格式報文。假如禁止CAN2.OB方式，則CAN總線控制器就只能發(fā)送和接收11位標識符的標準格式報文，而忽略掉擴展格式的報文結(jié)構(gòu)，但是不會出現(xiàn)錯誤。 在此次系統(tǒng)當中，與S3C44B0接口電路如附錄C圖通信電路原理圖。因為電能表能通過CAN與表外通信，經(jīng)常具有干擾通過CAN總線進入表體中，為維護表體的穩(wěn)定性，一定要在硬件上作些抗干擾的設計，常常在電源方面采用DC-DC隔離。但在總線上采用光藕隔離的方式。外部的干擾信號不能夠通過光藕進入到表體中，而起到抗干擾的作用。 CAN通信模塊由MCP2510，PCA82C250芯片組成。MCP2510是個獨立的控制器，

55、有BasicCAN和PeIiCAN兩種不同的模式，MCP2510的內(nèi)部功能模塊有：工業(yè)控制、接口管理邏輯、發(fā)送緩沖器和工業(yè)控制接收濾波器CAN核心模塊。PCA82C250芯片對于CAN總線提供差動發(fā)送和接收能力。CAN核心模塊是CAN2.OB的協(xié)議執(zhí)行對CAN幀的發(fā)送和接收。 在本次模塊設計當中，外部接入部分采用了磁珠，進一步起到濾波的作用。電路中的TVS管是防止浪涌，當線路中有較大電流時，電流就會通過PLM712接地，而起到保護的作用。 S3為短接端子，對電能管理系統(tǒng)來說，如果該表在總線的最末端，就短接S3，R35電阻120歐起到總線的匹配電阻的目的，假如該表不在CAN總線的末端，則斷開此端子。 本文采用的LCD模塊是LM16032系列點陣圖形式液晶顯示模塊S3C44B0本身就帶有的控制器，配合操作時序電路。4/8bit并口的數(shù)據(jù)傳輸。，采用了芯片內(nèi)帶819