桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙PAGE編號(hào)：畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)題目：智能電力系統(tǒng)參量的檢測(cè)與遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)摘要智能電表給高效率管理電能帶來(lái)了極大的方便，因此逐漸普及到人們的家居生活。本論文針對(duì)用戶(hù)的需求設(shè)計(jì)的一種智能電表，可用于單相工頻電參數(shù)的精密測(cè)量，包括電流、電壓、頻率、有功功率、視在功率、有功電能，視在電能等，且具有顯示和遠(yuǎn)程抄表的功能。首先，論文介紹了電測(cè)量理論及儀器技術(shù)的發(fā)展情況，對(duì)目前常用的多種電參數(shù)測(cè)量技術(shù)在計(jì)量精度、成本以及可靠性等方面進(jìn)行了分析比較，隨后根據(jù)系統(tǒng)的技術(shù)要求和功能特點(diǎn)確定了總體設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方案。硬件設(shè)計(jì)部分重點(diǎn)研究了如何簡(jiǎn)化電路、降低設(shè)備成本并能夠?qū)崿F(xiàn)多功能及高精度計(jì)量，采用高性能電能計(jì)量芯片取代了傳統(tǒng)的采樣電路進(jìn)行電能的測(cè)量，并在設(shè)計(jì)時(shí)采用集成化元件簡(jiǎn)化外圍電路，選用低功耗單片機(jī)管理參數(shù)。論文的軟件設(shè)計(jì)部分對(duì)電能計(jì)量芯片結(jié)合單片機(jī)實(shí)現(xiàn)多功能測(cè)量的原理進(jìn)行了闡述，詳細(xì)介紹了多種電參數(shù)的測(cè)量方法。同時(shí)，總體設(shè)計(jì)時(shí)采用了多種抗干擾技術(shù)。經(jīng)調(diào)試本文設(shè)計(jì)的智能電表實(shí)現(xiàn)了多種電參數(shù)的測(cè)量，在達(dá)到高測(cè)量精度的基礎(chǔ)上同時(shí)降低了儀器體積。在可靠性加強(qiáng)之后會(huì)得到很好的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：智能電表；電能計(jì)量芯片；遠(yuǎn)程抄表AbstractIntelligentammetershavebroughtgreatconveniencetohighefficientmanageelectricalenergy,sotheygraduallyspreadtothehouseholdofpeoplelives.Thisthesisaimstotheneedsofusersdesignsakingofintelligentammeters,whichcanbeusedtotheprecisionmeasurementofsinglephase,industrialfrequencyelectricalparameter,includecurrent,voltage,frequency,activepower,apparentpower,activeenergy,apparentenergyandsoon,andhavedisplayandremotereadingfunction.First,thethesisintroducesthetheoryofelectricalmeasuringandthedevelopmentofinstrumentstechnologies,comparativelyanalyzesthecurrentcommonlyelectronicparametersmeasuringtechnologiesinthemeasurementaccuracy,costandreliability,andthenconfirmsoveralldesignandrealizationoftheprogramunderthetechnicalfeaturesandrequirements.HardwaredesignPartfocusonhowtosimplifycircuit，lowerequipmentcosts,realizemulti-functionalandhigh-Precisionmeasurement.High-performanceenergymeasurechipisusedtoreplacethetraditionalsamplingcircuittomeasurepower,andmanyotherintegratedcircuitssimplifytheexternalcircuit.Thedesignselectslow-powermicrocontrollerforparametersmanagement.Thethesis’softwaredesignpartexpoundsthemeasureprincipleoftheenergymeasurechipwithmicrocontroller,themethodofmeasuringelectronicparametersindetail.Avarietyofanti-jammingtechnologiesareusedinthemoduledesignatthesametime.Afteradjustment,theintelligentammeterrealizesavarietyofelectricalparametersmeasurement，realizeshigh-precisionmeasurementandreducesthevolumeofequipment.Afterenhancedthereliability，thesystemwillhaveaverygoodapplicationprospect.Keywords:intelligentammeters;high-performanceenergymeasurementchips;remotereading目錄引言 11緒論 21.1開(kāi)題的背景和意義 21.2國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r 21.3任務(wù)及要求 41.4完成的工作 42電參數(shù)基本量的測(cè)量工作原理及芯片的選型 62.1電壓電流有效值的測(cè)量 62.2頻率測(cè)量 72.3功率及功率因數(shù)的測(cè)量 72.3.1有功功率 72.3.2視在功率 72.3.3無(wú)功功率 72.3.4功率因數(shù) 82.4測(cè)量芯片的選型 82.5中央控制芯片的選型 82.6顯示模塊的選型 83電參數(shù)測(cè)量模塊硬件平臺(tái)開(kāi)發(fā) 103.1系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu) 103.2外部典型接線(xiàn)方式 103.3前端采樣電路 113.4電參數(shù)處理部分 123.4.1ADE7754 123.4.2STC89C52單片機(jī) 173.4.3LCD1602型液晶 193.5硬件抗干擾設(shè)計(jì) 214電參數(shù)測(cè)量模塊軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 234.1ADE7754初始化流程 254.2LCD1602初始化流程 254.3ADE7754的中斷 264.4采樣同步以及采樣時(shí)間分配 274.5軟件抗干擾設(shè)計(jì) 275系統(tǒng)的調(diào)試及誤差分析 285.1系統(tǒng)仿真 285.2硬件調(diào)試 295.3軟件調(diào)試 305.4調(diào)試結(jié)果 305.5誤差分析 316 結(jié)論 32謝辭 33參考文獻(xiàn) 34附錄 35桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙第41頁(yè)共40頁(yè)引言電力是人們?nèi)粘Ｉ詈凸I(yè)生產(chǎn)中的主要能源，在現(xiàn)代社會(huì)中有著非常重要的作用。隨著我國(guó)電力市場(chǎng)的逐步建立和完善，電力系統(tǒng)越來(lái)越復(fù)雜，電力工業(yè)向大容量方向發(fā)展，企業(yè)生產(chǎn)技術(shù)管理對(duì)工業(yè)電力準(zhǔn)確計(jì)量不斷提出新的要求。而傳統(tǒng)的測(cè)量電參數(shù)的方案，存在硬件電路復(fù)雜、軟件運(yùn)算量大、測(cè)量精度低等缺點(diǎn)。所以用單片芯片完成三相電源有功功率、電壓有效值、電流有效值，及信號(hào)頻率的測(cè)量已經(jīng)成為了學(xué)者們研究的熱點(diǎn)。節(jié)能降耗是現(xiàn)代工業(yè)進(jìn)步的主要標(biāo)志之一，提高電能有效利用率，對(duì)電能質(zhì)量進(jìn)行綜合監(jiān)測(cè)與治理，已成為迫切需要解決的問(wèn)題。要實(shí)現(xiàn)對(duì)電能質(zhì)量的綜合治理，就必須實(shí)現(xiàn)對(duì)電能質(zhì)量的在線(xiàn)分析與實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以了解電能質(zhì)量的水平。這有利于及時(shí)發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)上的電能質(zhì)量問(wèn)題，便于“早發(fā)現(xiàn)、早治理”，為電網(wǎng)創(chuàng)造一個(gè)良好的環(huán)境。作為電力管理系統(tǒng)組成部分——電力監(jiān)控儀表也起著越來(lái)越重要的作用，針對(duì)不同領(lǐng)域的電力系統(tǒng)，研制一種精密的電力監(jiān)測(cè)裝置就具有非常重大的意義，它不但要能對(duì)如電壓、電流、功率、功率因數(shù)、電能和頻率等重要的電力參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，也需要具有完備的通信功能。1緒論智能電表的發(fā)展與遠(yuǎn)程抄表技術(shù)的應(yīng)用，使得人們的生產(chǎn)生活發(fā)生了巨大的變化，滿(mǎn)足了不同用戶(hù)的需求。1.1開(kāi)題的背景和意義電能既是電力企業(yè)的產(chǎn)品，又是商品。作為商品，其交易過(guò)程就必須遵循市場(chǎng)規(guī)律，做到買(mǎi)賣(mài)公平，它的交易過(guò)程是通過(guò)電能計(jì)量裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)的，電能計(jì)量裝置起著秤桿子的作用，它的準(zhǔn)確與否涉及千家萬(wàn)戶(hù)的利益，直接關(guān)系著各項(xiàng)電業(yè)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的正確計(jì)算。營(yíng)業(yè)計(jì)費(fèi)的準(zhǔn)確性和公正性，事關(guān)電力工業(yè)的發(fā)展、國(guó)家與電力用戶(hù)的合法利益。在電力系統(tǒng)中，電能計(jì)量是電力生產(chǎn)、銷(xiāo)售以及電網(wǎng)安全運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)，發(fā)電、輸電、配電和用電均需要對(duì)電能準(zhǔn)確計(jì)量。因此，電能計(jì)量技術(shù)的發(fā)展、電能計(jì)量?jī)x表系統(tǒng)的研制，具有十分重要的意義。在社會(huì)生產(chǎn)、人民生活中，電能是不可缺少的。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和人民生活水平的提高，對(duì)電力能源需求也不斷增長(zhǎng)，用電量迅猛增加，致使變電站數(shù)量增加、電壓等級(jí)提高、供電范圍擴(kuò)大及輸配電容量增大，采用傳統(tǒng)的變電站一次及二次設(shè)備已越來(lái)越難以滿(mǎn)足變電站安全及經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、少人值班甚至無(wú)人值班的要求。在大型的工廠(chǎng)以及企業(yè)中，穩(wěn)定的電力供應(yīng)和電能質(zhì)量是企業(yè)生產(chǎn)的前提和保障。電網(wǎng)電壓、電流的波動(dòng)，將影響用電設(shè)備的功效發(fā)揮和使用壽命；電網(wǎng)頻率的波動(dòng)，不僅使過(guò)多的電能轉(zhuǎn)換為熱能而白白浪費(fèi)掉，而且嚴(yán)重時(shí)有可能損壞設(shè)備；電網(wǎng)功率因數(shù)過(guò)低，將導(dǎo)致供電電能得不到充分利用，因此，必須有一種設(shè)備和手段對(duì)電網(wǎng)中的電力參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并做出相應(yīng)的措施，保證電力系統(tǒng)與設(shè)備運(yùn)行良好。在發(fā)電廠(chǎng)、變電站等供配電的主要環(huán)節(jié)必須實(shí)時(shí)監(jiān)控線(xiàn)路中的電力參數(shù)，正確操作、維護(hù)，保證供電區(qū)間的供電安全與正常運(yùn)行；在工廠(chǎng)、企業(yè)和居民小區(qū)等用電環(huán)節(jié)為保證安全用電和防止偷電導(dǎo)致電能的非法流失，電力參數(shù)的實(shí)時(shí)檢測(cè)特別是對(duì)有故障電能表的檢驗(yàn)也是一個(gè)非常重要的問(wèn)題。因此電力部門(mén)需要及時(shí)、準(zhǔn)確地掌握用電情況，做好調(diào)度和規(guī)劃。電力工業(yè)生產(chǎn)、電能計(jì)量、電力通訊以及自動(dòng)化調(diào)度的安全、可靠和準(zhǔn)確性都必須依靠安裝在電力生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)和用電現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)測(cè)各電參量的儀表來(lái)完成和保證。目前電力工業(yè)進(jìn)入商品市場(chǎng)經(jīng)營(yíng)模式，一些出故障的電能計(jì)量設(shè)備和竊電等非法用電現(xiàn)象的增加嚴(yán)重阻礙了電力的發(fā)展和運(yùn)營(yíng)。而電能校驗(yàn)設(shè)備的出現(xiàn)為電力生產(chǎn)、科學(xué)理創(chuàng)造了條件。1.2國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r在過(guò)去的一個(gè)世紀(jì)里，源于科研、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)甚至戰(zhàn)爭(zhēng)的需求，電測(cè)量理論以及儀表技術(shù)不斷發(fā)展，電力儀表和普通儀表一樣，發(fā)展經(jīng)歷了三個(gè)階段:第一代是指針式儀表，如模擬萬(wàn)用表、電壓表、電流表，這些儀表的基本結(jié)構(gòu)是電磁式、電動(dòng)式、感應(yīng)式、靜電式等，它的原理簡(jiǎn)單、堅(jiān)固耐用、容易生產(chǎn)、成本低，但由于這類(lèi)儀表本身機(jī)械結(jié)構(gòu)和電磁結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性和復(fù)雜性，一般精度較低，穩(wěn)定性較差，應(yīng)用場(chǎng)合有一定的局限性。第二代是數(shù)字測(cè)量?jī)x表，這類(lèi)儀表的基本原理是將被測(cè)量模擬信號(hào)通過(guò)電子線(xiàn)路轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，進(jìn)行計(jì)算并顯示出來(lái)。這類(lèi)儀器同指針式儀器相比較精度有了很大的提高，能直觀(guān)讀取測(cè)量結(jié)果，而且可靠性高，易于使用。但電子線(xiàn)路比較復(fù)雜，不能自動(dòng)適應(yīng)測(cè)量環(huán)境的變化，而且儀器的校準(zhǔn)復(fù)雜。第三代是智能儀器。所謂智能儀器，一般指含有微處理器的儀器，通過(guò)微處理器來(lái)控制數(shù)據(jù)的采集，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。因此能夠用軟件的方法實(shí)現(xiàn)信息的采集、處理和存儲(chǔ)，大大簡(jiǎn)化了儀器的整體結(jié)構(gòu)。這類(lèi)儀表不僅精度高，功能強(qiáng)大，而且能適應(yīng)各種復(fù)雜的環(huán)境。電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展是電力儀表迅速進(jìn)步、日益成熟的主要技術(shù)支撐。準(zhǔn)確度高、可靠性好的元器件以及大規(guī)模集成電路等的采用，使電測(cè)儀表的使用壽命、準(zhǔn)確度、穩(wěn)定度等技術(shù)指標(biāo)均顯著改善。從對(duì)國(guó)內(nèi)外產(chǎn)品的分析中可以看到，目前電子式電參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中對(duì)參數(shù)的測(cè)量一般采用的方法有以下幾種:（1）雙MCU結(jié)構(gòu)，通過(guò)A/D芯片采集三相電信息，送入前端MCU完成數(shù)據(jù)采集功能，然后由后端MCU通過(guò)軟件計(jì)算出各參數(shù)，完成顯示、控制和通信功能。其精度取決于A(yíng)/D芯片的位數(shù)和采樣頻率、參數(shù)計(jì)算所采用的算法以及所選用單片機(jī)的處理速度，數(shù)據(jù)的精度不是很理想，同時(shí)用軟件來(lái)計(jì)算參數(shù)會(huì)讓編程變得復(fù)雜。這種結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品雖然能比較好的完成控制功能，但處理復(fù)雜數(shù)據(jù)的能力比較差，耗時(shí)過(guò)多;（2）DSP+MCU結(jié)構(gòu)，通過(guò)A/D芯片采集的信息直接送入DSP芯片進(jìn)行處理，得到所需參數(shù)，由DSP完成數(shù)據(jù)的采集和運(yùn)算，交給后端的MCU，由MCU完成控制、通信和人機(jī)交互的功能。DSP的處理速度很快，得到的數(shù)據(jù)精度也很高，但是DSP芯片的控制能力不好，系統(tǒng)需要另選單片機(jī)作為系統(tǒng)的控制器，這樣系統(tǒng)硬件電路變得復(fù)雜，而且這種結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品增加了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難度，并造成一定的資源浪費(fèi)，造價(jià)較高。上述類(lèi)型的電參數(shù)測(cè)量?jī)x表的設(shè)計(jì)往往利用位數(shù)較多的A/D轉(zhuǎn)換電路或自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換電路，原理上可達(dá)到很高的準(zhǔn)確度，但是由于使用元件較多，原理復(fù)雜、成本偏高、可靠性也不能令人滿(mǎn)意。隨著現(xiàn)代電子產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，測(cè)量電路的集成化、模塊化成為未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)，各大型的器件公司也紛紛推出自己計(jì)量芯片，這種集成芯片不僅精確度高，而且硬件軟件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、性?xún)r(jià)比高。近幾年多種單、三相電能計(jì)量專(zhuān)用集成電路的成功開(kāi)發(fā)使過(guò)去由分立式電子元器件搭接而成的電能測(cè)量電路改制成專(zhuān)門(mén)的集成電路芯片，結(jié)果在不減少功能的前提下，使電參數(shù)測(cè)量?jī)x表的體積大大減小，功耗和單位功能的成本降低、成品率提高，并可簡(jiǎn)化儀表的電路設(shè)計(jì)，降低其模塊設(shè)計(jì)難度，從而能改進(jìn)整個(gè)電路系統(tǒng)的性能，而更重要的是使儀表可靠性和精度明顯提高。本文研制的智能電表通過(guò)選用高精度的計(jì)量芯片和高處理速度的8位單片機(jī)，采用電能計(jì)量專(zhuān)用芯片+單片機(jī)的方案并盡量采用集成化元件進(jìn)行設(shè)計(jì)，這樣在設(shè)計(jì)中，單片機(jī)只要對(duì)計(jì)量芯片的控制寄存器寫(xiě)入適當(dāng)?shù)目刂谱志涂梢粤?，大大?jié)省了硬件設(shè)計(jì)所需的元件，影響系統(tǒng)精度的因素也隨之減少，使高精度的測(cè)量更易實(shí)現(xiàn)，也因此提高了系統(tǒng)的可靠性。芯片中可通過(guò)串行口讀寫(xiě)的寄存器有數(shù)十個(gè)之多，可以讀入所需要的所有電量，所以電能計(jì)量專(zhuān)用芯片的使用簡(jiǎn)化了單片機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。單片機(jī)不善于數(shù)據(jù)計(jì)算，而現(xiàn)在的計(jì)量芯片有硬件乘法器、開(kāi)平方器和各種計(jì)量算法如FFT等，剛好彌補(bǔ)了這一不足，減少了單片機(jī)系統(tǒng)需要完成的任務(wù)。對(duì)于單片機(jī)系統(tǒng)而言，主要工作只需要寫(xiě)計(jì)量芯片的控制寄存器、讀計(jì)量芯片的數(shù)據(jù)寄存器、接收狀態(tài)信息、處理中斷以及將計(jì)量芯片處理過(guò)的數(shù)據(jù)送到上位機(jī)進(jìn)行處理存儲(chǔ)與顯示。這樣的優(yōu)點(diǎn)使儀表的兩大單元(計(jì)量單元和數(shù)據(jù)處理單元)較為均衡和合理。目前的電能計(jì)量芯片的另一特點(diǎn)是把電測(cè)量理論關(guān)于電功率(電能)的一些基本理論融入了芯片制造技術(shù)中。比如功率表的角誤差、乘法器的瞬時(shí)功率信號(hào)頻譜、關(guān)于無(wú)功功率(電能)的處理方法以及電源周波電能累計(jì)模式應(yīng)用于校正等都充分說(shuō)明了這一點(diǎn)，通過(guò)研究正確的校準(zhǔn)方法，可以最大限度發(fā)揮計(jì)量芯片的功能，以較低的投資實(shí)現(xiàn)從前需要很多昂貴器件才能完成的功能，使系統(tǒng)具有硬件電路簡(jiǎn)單、可靠性好、測(cè)量參數(shù)眾多、參數(shù)精度高等重要特點(diǎn)。1.3任務(wù)及要求本次畢設(shè)任務(wù)是設(shè)計(jì)一種用于單、三相工頻電參數(shù)精密測(cè)量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)電流、電壓、頻率、相位、有功功率、無(wú)功功率等參數(shù)的測(cè)量、處理和遠(yuǎn)傳通信功能。硬件電路采用ADE7754系列高精度單三相電能測(cè)量芯片與ARM/51微處理器、電壓互感器和電流互感器的測(cè)量接口、顯示接口，采擴(kuò)展以太網(wǎng)接口及嵌入式TCP/IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程通信。要求：（1）制作硬件并完成軟、硬件調(diào)試。（2）主要技術(shù)參數(shù)：ADE7754電能測(cè)量芯片、ARM/51微處理器、測(cè)量運(yùn)算精度<5%；（3）用Proteus進(jìn)行軟硬件系統(tǒng)的仿真。（4）用計(jì)算機(jī)繪制相關(guān)硬件的原理圖、制版圖、電氣安裝接線(xiàn)圖各一份。1.4完成的工作在設(shè)計(jì)時(shí)，主要完成了下列工作:（1）確定設(shè)計(jì)指標(biāo)與設(shè)計(jì)方法查閱了大量的國(guó)內(nèi)外有關(guān)電參數(shù)測(cè)量?jī)x器方面的文獻(xiàn)資料，剖析了一些電測(cè)儀器的實(shí)際產(chǎn)品，并吸取同類(lèi)產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)所要做的工作有理論上的知識(shí)積累和系統(tǒng)的掌握。根據(jù)目前電參數(shù)測(cè)量?jī)x表的發(fā)展趨勢(shì)和現(xiàn)有的設(shè)計(jì)條件，提出了多功能電參數(shù)測(cè)量模塊的整體方案和技術(shù)要求。進(jìn)行軟硬件設(shè)計(jì)的選型工作。（2）電參數(shù)測(cè)量模塊的系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)根據(jù)技術(shù)需求。進(jìn)行電路原理圖的設(shè)計(jì)，繪PCB圖、制板，焊接，得到試驗(yàn)電路板，對(duì)電路板按功能模塊進(jìn)行調(diào)試，分析調(diào)試時(shí)產(chǎn)生的故障并進(jìn)行排除。編寫(xiě)測(cè)量模塊的底層軟件，分塊化處理各部分功能并進(jìn)行調(diào)試。（3）軟、硬件的聯(lián)合調(diào)試在完成對(duì)硬件電路和軟件的獨(dú)立調(diào)試后，用PROTUES對(duì)顯示模塊進(jìn)行的仿真，然后再進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試。（4）模擬調(diào)試在完成軟、硬件的聯(lián)合調(diào)試后，利用220V交流電壓進(jìn)行本樣機(jī)的系統(tǒng)調(diào)試及校準(zhǔn)，并得到相關(guān)數(shù)據(jù)以及系統(tǒng)運(yùn)算精度。2電參數(shù)基本量的測(cè)量工作原理及芯片的選型電參數(shù)基本量包括電壓、電流有效值、頻率、有功、無(wú)功及視在功率、電能等常用參數(shù)，根據(jù)這些基本參數(shù)，用電單位可以明確當(dāng)前的電能質(zhì)量，了解用電情況，合理控制工廠(chǎng)用電負(fù)荷以及調(diào)配用電高峰時(shí)間。電氣量采集和計(jì)算的方法主要有兩種，一種是直流采樣算法，另一種是交流采樣算法。采樣用直流采樣算法測(cè)量電壓、電流時(shí)，均是通過(guò)測(cè)量平均值來(lái)測(cè)量電量有效值的?？梢宰C明，當(dāng)被測(cè)信號(hào)為純工頻正弦信號(hào)時(shí)，有效值與平均值的關(guān)系為公式(2-l):Urms=1.llUaav(2-l)但在輸入信號(hào)中含有諧波時(shí)，Urms和Uaav，的關(guān)系將發(fā)生變化，兩者之間的關(guān)系也不同。由于無(wú)法測(cè)出諧波含量，它們之間的關(guān)系也就無(wú)法確定。有分析表明，在諧波污染較為嚴(yán)重的情況下，這種測(cè)量方法的誤差可達(dá)10%以上。再用帶有誤差的電壓、電流有效值以及它們的相位角計(jì)算功率，結(jié)果也必將有較大誤差。交流采樣法是按照一定規(guī)律對(duì)被測(cè)信號(hào)瞬時(shí)值進(jìn)行采樣，再用一定的數(shù)值算法求得被測(cè)量。在本系統(tǒng)中，所選用ADE7754計(jì)量芯片對(duì)工頻周期信號(hào)基本參數(shù)(P、U、D進(jìn)行真值測(cè)量所用的方法，均可看作是一種積分求平均值的計(jì)算，理論上采樣最低頻率只要大于信號(hào)最高頻率兩倍即可。在任務(wù)要求中，需設(shè)計(jì)一種單、三相工頻電參數(shù)精密測(cè)量系統(tǒng)，但在實(shí)際的生活用電情況下，只能采集到單相的交流電。故在芯片的選型中考慮芯片的功能而在實(shí)際的應(yīng)用電路中以采集單相的交流電為準(zhǔn)。2.1電壓電流有效值的測(cè)量正弦波交流電電流、電壓的大小通常用其有效值(均方根)來(lái)計(jì)量，按照基本定義，在連續(xù)的時(shí)間域中電壓有效值(2-2)電流有效值(2-3)公式(2-2)和(2-3)中，u(t)——電壓瞬時(shí)值;i(t)——電流瞬時(shí)值;T——電流、電壓變換周期若以采樣周期Ts對(duì)瞬時(shí)電壓、電流一個(gè)周波采樣N個(gè)點(diǎn)，則離散的電壓電流的計(jì)算方法為公式(2-4)和(2-5).離散電壓有效值(2-4)離散電流有效值(2-5)其中，u（k）——第k個(gè)電壓采樣瞬時(shí)值;i（k）——第k個(gè)電流采樣瞬時(shí)值。2.2頻率測(cè)量常用的頻率測(cè)量的方法有頻譜測(cè)量法和頻率計(jì)數(shù)法。頻譜測(cè)量法對(duì)我們的應(yīng)用并不適用，所以下面我們只討論計(jì)數(shù)法。計(jì)數(shù)法是最常用的測(cè)量頻率的方法，分為頻率計(jì)數(shù)與周期計(jì)數(shù)兩種。對(duì)周期信號(hào)而言，每一次正向(或負(fù)向)過(guò)零即代表了一個(gè)新的周期。頻率計(jì)數(shù)方法就是通過(guò)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)時(shí)基t內(nèi)被測(cè)信號(hào)的正向過(guò)零點(diǎn)數(shù)來(lái)求得頻率f的，如公式(2-6)：f=n/t(2-6)周期計(jì)數(shù)測(cè)量方法則是通過(guò)測(cè)量被測(cè)信號(hào)兩個(gè)相鄰?fù)蜻^(guò)零點(diǎn)這段時(shí)間內(nèi)某一頻率為fs的參考脈沖信號(hào)的計(jì)數(shù)。來(lái)測(cè)得信號(hào)周期的，從而求得信號(hào)的頻率f：f=fs/n(2-7)這兩種方法，前者宜于測(cè)量較高頻率的信號(hào)，時(shí)基越準(zhǔn)、越一長(zhǎng)，測(cè)量精度越高;而后者則適宜于測(cè)量較低頻率的信號(hào)，參考源頻率越高、越準(zhǔn)，測(cè)量精度越高。目前一般都用晶振來(lái)獲得參考時(shí)基或頻率。由于晶振頻率的精度很高，所以計(jì)數(shù)法在合理的測(cè)量時(shí)間或參考頻率情況下容易獲得滿(mǎn)意的測(cè)量精度，考慮到本文所要測(cè)的是交流電的工頻為50Hz，因此選用周期計(jì)數(shù)測(cè)量法，以提高系統(tǒng)效率。2.3功率及功率因數(shù)的測(cè)量正弦波交流電的功率測(cè)量包括:有功功率測(cè)量、無(wú)功功率測(cè)量和視在功率測(cè)量。2.3.1有功功率有功功率即平均功率，由定義可得有功功率（2-8）式中u(t)——電壓瞬時(shí)值，i(t)——電流瞬時(shí)值，T——電壓、電流的變化周期，若以采樣周期T對(duì)瞬時(shí)電壓、電流一個(gè)周波采樣N個(gè)點(diǎn)，則離散的有功功率的計(jì)算方法如公式(2-9):（2-9）2.3.2視在功率由定義可知:視在功率S=UI（2-10）式中U——電壓有效值;I——電流有效值;2.3.3無(wú)功功率無(wú)功功率為（2-11）由于本次測(cè)量所帶的負(fù)載為220V、40W的燈泡，為阻性負(fù)載。其無(wú)功功率近似為0，故在樣機(jī)的顯示中不顯示無(wú)功功率。2.3.4功率因數(shù)視在功率雖是最大功率，但電源可供出的或電路可吸收的功率總比視在功率小，就是說(shuō)要打一個(gè)折扣，這個(gè)折扣就是功率因數(shù)。功率因數(shù)的計(jì)算公式為cosΨ=P/S（2-12）其中，勢(shì)為無(wú)源負(fù)載的阻抗角，也就是負(fù)載里電壓、電流的相位差。它的大小、極性和負(fù)載有關(guān)。設(shè)法提高功率因數(shù)，可以充分利用電氣設(shè)備的容量，有很大的經(jīng)濟(jì)意義。由于本次測(cè)量所帶負(fù)載為燈泡，有功功率約等于視在功率，故也不顯示功率因數(shù)。2.4測(cè)量芯片的選型目前市場(chǎng)上主要的三相計(jì)量芯片有ADE7754，ATT7026A及PL3223，三者都用于三相多功能電能計(jì)量，均適用于三相三線(xiàn)制和三相四線(xiàn)制具有50Hz或60Hz標(biāo)準(zhǔn)頻率的電網(wǎng)。在電能計(jì)量上的差別主要有:（1）ATT7026A提供各分相、合相參數(shù)，但不具有中斷功能。（2）PL3223提供若干間接參數(shù)。依此計(jì)算出電壓有效值、電流有效值、線(xiàn)電壓頻率等參量，只能提供過(guò)壓、欠壓中斷。（3）ADE7754具有高精度，在1000:1動(dòng)態(tài)能量檢測(cè)范圍內(nèi)誤差小于0.1%；提供動(dòng)態(tài)能量、視在能量、電壓均方根值、電流均方根值、以及采樣波形數(shù)據(jù)；功率、相位與輸入失調(diào)數(shù)字化校準(zhǔn)；片內(nèi)設(shè)有溫度傳感器（經(jīng)校正后偏差為±3℃）；用戶(hù)片內(nèi)可編程線(xiàn)電壓跌落（SAG）檢測(cè)以及電源設(shè)備間斷監(jiān)控的閥值；帶有IRQ與SPI兼容的串行接口；頻率可設(shè)置的脈沖輸出；在環(huán)境條件變化很大或長(zhǎng)時(shí)間使用條件下，ADC和DSP仍能保證高精度。鑒于此次任務(wù)的要求，選擇了ADE7754芯片作為電量參數(shù)測(cè)量芯片。2.5中央控制芯片的選型控制芯片主要是ARM和51單片機(jī)兩大類(lèi)，基于集成化的開(kāi)發(fā)目標(biāo)，系統(tǒng)主控器總體設(shè)計(jì)首先要選擇集成度高的單片機(jī)。而且由于系統(tǒng)需考慮功耗，低電壓供電的單片機(jī)除了能減小單片機(jī)本身功耗外，還可使外部邏輯電路功耗降低，這對(duì)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)低功耗有著重要的作用。另一方面，本系統(tǒng)要求單片機(jī)具有較高的處理速度。一些16位單片機(jī)、32位的ARM芯片性能好，但價(jià)格高，且考慮到測(cè)量模塊的實(shí)際用途，有些功能用不上造成浪費(fèi)。考慮到程序的長(zhǎng)度、數(shù)據(jù)的多少以及傳輸?shù)乃俾?，在各種單片機(jī)中選擇了STC89C52作為本系統(tǒng)的中央控制芯片。2.6顯示模塊的選型通常所用的顯示模塊有數(shù)碼管，LCD1602以及LCD12864。它們的主要差別有：（1）數(shù)碼管按段數(shù)分為七段數(shù)碼管和八段數(shù)碼管，八段數(shù)碼管比七段數(shù)碼管多一個(gè)發(fā)光二極管單元（多一個(gè)小數(shù)點(diǎn)顯示）；按能顯示多少個(gè)“8”可分為1位、2位、4位等數(shù)碼管，但是數(shù)碼管對(duì)于顯示太多的字符不太方便。（2）1602液晶也叫1602字符型液晶它是一種專(zhuān)門(mén)用來(lái)顯示字母、數(shù)字、符號(hào)等的點(diǎn)陣型液晶模塊它有若干個(gè)5X7或者5X11等點(diǎn)陣字符位組成，每個(gè)點(diǎn)陣字符位都可以顯示一個(gè)字符，能夠同時(shí)顯示16x02即32個(gè)字符。（3）12864是128*64點(diǎn)陣液晶模塊的點(diǎn)陣數(shù)簡(jiǎn)稱(chēng)，具體屏幕大，易于編寫(xiě)程序以及數(shù)據(jù)的顯示，但是價(jià)格相對(duì)比較貴。由于本系統(tǒng)在實(shí)際情況中只能測(cè)量到單相的電量數(shù)據(jù)，故采用LCD1602一行顯示字符串，一行采集到的數(shù)據(jù)，進(jìn)行循環(huán)顯示所采集的電壓，電流，功率，電能等值。3電參數(shù)測(cè)量模塊硬件平臺(tái)開(kāi)發(fā)一個(gè)穩(wěn)定可靠的硬件環(huán)境是整個(gè)系統(tǒng)可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)，所以硬件設(shè)計(jì)的首要目標(biāo)是穩(wěn)定可靠，在滿(mǎn)足可靠性要求的前提下給系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件的運(yùn)行提供一個(gè)良好的支撐。3.1系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)硬件系統(tǒng)不但在功能上要完全滿(mǎn)足系統(tǒng)運(yùn)行的要求，而且還要考慮為以后技術(shù)的發(fā)展留有余地。硬件部分總體結(jié)構(gòu)框圖如圖3-1所示圖3-1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖電參數(shù)測(cè)量模塊的硬件電路設(shè)計(jì)包括以下幾部分，即電參數(shù)處理部分、中央控制部分、顯示部分以及遠(yuǎn)程通信部分。現(xiàn)將主要部分簡(jiǎn)要說(shuō)明如下，詳細(xì)說(shuō)明見(jiàn)本章的相應(yīng)小節(jié)。中央控制部分主要通過(guò)單片機(jī)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中各個(gè)部件協(xié)調(diào)控制，數(shù)據(jù)的基本處理等等重要的功能。單片機(jī)的片上外設(shè)集成得越多，則外擴(kuò)設(shè)備越少，因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜度也越低，可靠性也越高。本設(shè)計(jì)選用的STC89C52是高集成度的高速8位單片機(jī)，開(kāi)發(fā)環(huán)境集成度高，開(kāi)發(fā)方便。電參數(shù)處理部分的設(shè)計(jì)是系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的核心部分，它是電參數(shù)測(cè)量準(zhǔn)確性的關(guān)鍵，是電能計(jì)量功能的體現(xiàn)，它包括前端采樣部分完成原始參數(shù)的精確采樣及初步的整流濾波處理，以及電參數(shù)計(jì)量部分對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和運(yùn)算來(lái)獲得更多有用數(shù)據(jù)，直接得到各相電壓、電流有效值及有功、無(wú)功、視在電能值。通信部分計(jì)劃采用RS-485接口作為與外界實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換的中介，采用了多種抗干擾設(shè)計(jì)，使得本模塊在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)惡劣的工作環(huán)境下保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕⒖赏ㄟ^(guò)網(wǎng)絡(luò)接口轉(zhuǎn)換模塊連接到以太網(wǎng)，構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)化分布式電參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)。但由于時(shí)間較短以及工作量太大，該部分未能完成。3.2外部典型接線(xiàn)方式輸入接口如圖3-2所示，其中Ia+，Ia-引腳間所示為電流互感器。本測(cè)量模塊在實(shí)際場(chǎng)合中可應(yīng)用于單相電壓電流使用，Ua、Un通過(guò)一個(gè)220V/12V的變壓器連至負(fù)載，以保證測(cè)量的安全性。圖3-2輸入接口3.3前端采樣電路由于A(yíng)DE7754輸入電壓的范圍為士0.5V，所以不能直接將電網(wǎng)上的交流電壓或電流直接輸入到芯片上，必須在前端接入電壓與電流互感器及信號(hào)調(diào)理電路。下面兩圖3-3和3-4是在電能計(jì)量電路中采用的模擬信號(hào)的前端采樣部分，由1個(gè)精密電流互感器提供電壓及電流信號(hào)，對(duì)于不同規(guī)格的電測(cè)模塊，可以采用不同變換比例的互感器。由1路電阻網(wǎng)絡(luò)分壓得到各相的電量信號(hào)，將電流信號(hào)和電壓信號(hào)接人電能計(jì)量芯片ADE7754。圖3-3電壓前段采樣電路圖3-4電流前端采樣電路為滿(mǎn)足設(shè)計(jì)指標(biāo)的需求，功率因數(shù)(PF)等于1時(shí)以及功率因數(shù)較低時(shí)的精度要求，設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)應(yīng)該遠(yuǎn)高于基本技術(shù)指標(biāo)。ADE7754的電壓輸入范圍是士0.5V，所以選擇電流互感器規(guī)格為5A/5mA，精度0.1級(jí)。3.4電參數(shù)處理部分3.4.1ADE7754ADE7754是帶有SPI串行接口和脈沖輸出的高精度多相電能測(cè)量芯片,既可以用于三相三線(xiàn)也適用于三相四線(xiàn),能夠準(zhǔn)確地計(jì)量有功和視在功率,并且還可以測(cè)量電壓、電流、頻率等電參數(shù),具有非常高的測(cè)量精度。同時(shí)內(nèi)部具有可編程寄存器來(lái)實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)校準(zhǔn),不需要改動(dòng)下位機(jī)的軟、硬件系統(tǒng),通過(guò)上位機(jī)就可以實(shí)現(xiàn)精度和測(cè)量范圍的調(diào)整。對(duì)于有效值測(cè)量和功率測(cè)量,能夠逐相進(jìn)行校準(zhǔn),并且輸出實(shí)時(shí)有功脈沖,在全量程測(cè)量范圍內(nèi)有功測(cè)量的誤差可以保持在1%以?xún)?nèi)。圖3-5ADE7754芯片1.ADE7754的引腳功能ADE7754有24個(gè)引腳，其中AVDD與DVDD需輸入5V電壓使芯片工作，CLKIN和CLKOUT之間并聯(lián)一個(gè)10MHz石英晶體為ADE7754提供時(shí)鐘信號(hào)，其他重要的引腳功能如下：（1）IAP，IAN；IBP，IBN；ICP，ICN：電流通道的模擬輸入。該通道與電流轉(zhuǎn)換器一起使用，為電流通道。這些輸入引腳是全差分電壓輸入，最大的差分輸入信號(hào)為±0.5V，±0.25V，±0.125V。根據(jù)內(nèi)部放大器的增益選擇，來(lái)設(shè)定輸入電壓的最大值，增益選擇放大器的增益由PGA寄存器來(lái)設(shè)定。所有輸入引腳具有內(nèi)置靜電放電(ESD)保護(hù)電路。除此之外，所有的輸入引腳均能承受±6V的過(guò)電壓而不會(huì)造成永久損壞。（2）REFIN/OUT：該引腳提供對(duì)對(duì)片上基準(zhǔn)電壓的訪(fǎng)問(wèn)。片上基準(zhǔn)電壓額定標(biāo)稱(chēng)值為2.5V±8%。外部參考端也可以與該腳相連。無(wú)論是否連接外部參考電壓端，該引腳都應(yīng)該用一個(gè)1μF的瓷片電容跟AGND端連接去耦。（3）VN，VCP，CBP，VAP：電壓通道的模擬輸入。這些通道與電壓轉(zhuǎn)換器一起使用，為電壓通道。這些輸入是單端電壓輸入，標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行時(shí)最大信號(hào)電壓為±0.5V（相對(duì)于VN端）。可以通過(guò)內(nèi)部寄存器PGA選擇輸入信號(hào)的最大值為±0.5V，±0.25V或者±0.125V。所有的輸入引腳均能承受±6V的過(guò)電壓而不會(huì)造成永久損壞，并具有靜電放電（ESD）保護(hù)電路。（4）IRQ：中斷請(qǐng)求輸出。低電平有效的開(kāi)漏極邏輯輸出端?？善帘蔚闹袛喟ǎ河泄﹄娔芗拇嫫骱鸵曉陔娔芗拇嫫靼霛M(mǎn)和速率達(dá)到26kSPS的波形采樣。（5）CS：片選信號(hào)，為四線(xiàn)串行接口之一。此低電平有效邏輯輸入控制，允許ADE7754與其它幾個(gè)裝置分享串行總線(xiàn)。（6）DIN：串行接口的數(shù)據(jù)輸入端。在串行口的時(shí)鐘信號(hào)SCLK的下降沿從該引腳輸入數(shù)據(jù)。（7）SCLK：同步串行接口的串行時(shí)鐘信號(hào)輸入端。所有串行數(shù)據(jù)與該時(shí)鐘同步。SCLK引腳具有施密特觸發(fā)輸入，以適應(yīng)速度較慢的邊沿變化時(shí)間。（8）DOUT：串行口的數(shù)據(jù)輸出端。數(shù)據(jù)在SCLK信號(hào)的上升沿從該引腳傳輸出去。在串行數(shù)據(jù)總線(xiàn)上沒(méi)有數(shù)據(jù)流動(dòng)的時(shí)候該邏輯輸出端為高阻抗?fàn)顟B(tài)。2.ADE7754的內(nèi)部寄存器ADE7754內(nèi)部有多達(dá)64個(gè)內(nèi)部寄存器,地址范圍是00H-3FH,有4個(gè)寄存器為保留寄存器,其中寄存器3Dh必須設(shè)置為01F7h,這樣可以提高電流測(cè)量的精度。（1）OPMODE(0Ah):在芯片復(fù)位后,它的缺省值為4h。這個(gè)寄存器是設(shè)置芯片的操作模式的,在本系統(tǒng)中需要輸出有功脈沖,因此將OPMODE設(shè)為0h。（2）GAIN(18h):可以決定電壓通道和電流通道可編程增益的差分放大器的增益值,各有3檔,分別是X1、X2、X4。在本系統(tǒng)中電壓通道放大器增益設(shè)為X1,而電流通道放大器增益設(shè)為X2,因此將GAIN設(shè)為2h。（3）MASK(0Fh):ADE7754提供15種中斷,每種中斷是否被屏蔽就是由該寄存器對(duì)應(yīng)的位是否為1來(lái)決定,本系統(tǒng)利用了它的LENERGY、SAGA、SAGB、SAGC的中斷類(lèi)型,需要在程序中根據(jù)需要設(shè)定相應(yīng)的值。在沒(méi)有屏蔽的中斷產(chǎn)生之后,ADE7754將IRQ管腳拉低,直到CPU讀取STATUS。缺省值為0h。（4）STATUS(10h)/RSTATUS(11h):這兩個(gè)是只讀寄存器,相當(dāng)于中斷標(biāo)志寄存器,用來(lái)記錄發(fā)生了哪種中斷,而RSTATUS和STATUS的不同之處僅在于讀完了RSTATUS的值之后它將復(fù)位清零。（5）MMODE(0Bh):用來(lái)選擇累加過(guò)零次數(shù)的相電壓,同時(shí)也選擇對(duì)某一相或某幾相進(jìn)行周期測(cè)量、缺相檢測(cè)、過(guò)零檢測(cè)等等。缺省值為70h,即A、B、C三相都被選擇。3.ADE7754內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理ADE7754集成了Σ△模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器、數(shù)字積分器、參考電壓源、溫度傳感器以及狀態(tài)寄存器，狀態(tài)寄存器配置電量參數(shù)的計(jì)算過(guò)程。三相電壓和電流的模擬信號(hào)經(jīng)可變?cè)鲆娣糯笃鱌GA和A/D變換，輸出離散數(shù)字信號(hào)，從而進(jìn)一步計(jì)算電能的有效值、功率、電量等參量。（1）電流的測(cè)量。如圖3-6所示，B相、C相的電流測(cè)量通道與圖6相同。這些輸入是全差動(dòng)電壓輸入，允許差動(dòng)輸入信號(hào)范圍可選為士0.5V，士0.25V，士0.125V(相對(duì)于UN端)，根據(jù)內(nèi)部放大器的增益選擇來(lái)設(shè)定輸入電壓的最大值。前端采樣電路的放大器增益由PGA寄存器來(lái)設(shè)定。每相的電流通道在信號(hào)通路中都有一個(gè)乘法器，電流波形可以改變士50%，這主要是由寫(xiě)入12位有符號(hào)電流波形增益寄存器(AIGA則，BIGA取，CIGA取)中的2進(jìn)制數(shù)決定的。所有的輸入引腳均能承受士6V的過(guò)電壓而不會(huì)造成永久損壞，并具有靜電釋放保護(hù)電路。圖3-6電流測(cè)量通道可見(jiàn)，電流通道信號(hào)經(jīng)信號(hào)放大PGA和模數(shù)變換ADC轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，然后經(jīng)電流通道內(nèi)的高通濾波器HPF濾除DC分量并數(shù)字積分，處理后的結(jié)果輸出至三個(gè)方向:電流有效值計(jì)算、波形采樣寄存器、有功及無(wú)功電能計(jì)算。由于輸入時(shí)可能有噪聲干擾會(huì)造成電流相位偏移，可通過(guò)寫(xiě)入AIRMsos，BIRMsos，CIRMsos寄存器進(jìn)行補(bǔ)償。（2）電壓的測(cè)量。如圖3-7所示，B、C相電壓通道與圖7相同，具有3路單端電壓輸入通道，分別為VAP，VBP和VCP。這些單電壓輸入端的最大輸入電壓變化范圍為士0.5V，信號(hào)處理流程與電流通道類(lèi)似，電壓通道的相位偏移可通過(guò)寫(xiě)入AVRMSOS，BVRMSOS，CVRMSOS寄存器進(jìn)行補(bǔ)償，在此不再贅述。圖3-7電壓測(cè)量通道ADE7754內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采取的是交流采樣法，內(nèi)置高精度的ADC以及專(zhuān)用的數(shù)字處理電路，大大簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)過(guò)程，提高精度和可靠性。（3）周期的測(cè)量。PEIROD(07h)記錄了MMODE所選定的電壓周期,當(dāng)CLKIN=10MHz時(shí),周期等于PERIOD*2.4*0.000001秒。（4）有功功率，無(wú)功功率，視在功率的測(cè)量。由于A(yíng)DE7754中沒(méi)有單獨(dú)的功率寄存器，求功率時(shí)則無(wú)法像電壓等其它參數(shù)那樣通過(guò)訪(fǎng)問(wèn)對(duì)應(yīng)寄存器直接得到。因此，通常的求功率方式是采用記脈沖的方法，由單片機(jī)處理ADE7754的脈沖輸出引腳如CF的值進(jìn)行計(jì)算，但是所有電子式計(jì)量芯片在進(jìn)行停電實(shí)驗(yàn)時(shí)都會(huì)發(fā)生丟失n個(gè)脈沖的情況，這是采用電子技術(shù)不可避免的原理性缺陷，對(duì)于實(shí)際應(yīng)用來(lái)說(shuō)，丟脈沖的現(xiàn)象長(zhǎng)期積累會(huì)造成可觀(guān)的電能浪費(fèi)，這對(duì)于追求成本控制的用戶(hù)來(lái)說(shuō)是不可忍受的。因此，本設(shè)計(jì)中采用了軟件方法，提高測(cè)量精度。由于功率就是單位時(shí)間內(nèi)的能量，如果己知對(duì)應(yīng)時(shí)間內(nèi)的能量值，便能夠求出功率。而ADE7754提供了電能寄存器，因此使這種方式通過(guò)軟件方法實(shí)現(xiàn)成為可能。軟件測(cè)量的一種方法是主控單片機(jī)定時(shí)在t1和t2讀取ADE7754的能量寄存器，將兩次能量值相減再除以時(shí)間差，如公式(3-1)。P=（E1-E2）/（t1-t2）(3-1)理論分析如此，但實(shí)際操作時(shí)，這種方式既要考慮ADE7754能量寄存器的溢出問(wèn)題和單片機(jī)定時(shí)器的溢出問(wèn)題，還要考慮tl-t2的時(shí)間長(zhǎng)度，過(guò)長(zhǎng)則使瞬時(shí)功率平均化，過(guò)短則增加單片機(jī)軟件的復(fù)雜程度，降低了可靠性。除了上述問(wèn)題，關(guān)鍵是難以做到t1，t2和能量El，EZ同步的問(wèn)題?？紤]ADE7754內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換過(guò)程，能量寄存器的值并非實(shí)時(shí)值，而是以一定的時(shí)間間隔更新，那么在公式(3-1)中t1，t2無(wú)法準(zhǔn)確對(duì)應(yīng)于A(yíng)DE7754實(shí)際采樣El，E2的時(shí)刻，這樣就存在著不同步現(xiàn)象，必然會(huì)影響功率精度。因此在本設(shè)計(jì)中采用了另一種方法，ADE7754提供了兩個(gè)周期累加電能寄存器LAENERGY(3h)和LVAENERGY(6h),在LINCYC減到0之后就更新寄存器的值,如圖3-8所示。圖3-8累加功率寄存器當(dāng)WAVMODE的第5位為0時(shí),LAENERGY累加有功電能,而LVAENERGY累加視在電能,這時(shí)它們累加的值都是非常準(zhǔn)確的;當(dāng)WAVMODE的第5位為1時(shí),LAENERGY累加無(wú)功電能,但這個(gè)值是不太準(zhǔn)確,只供判斷無(wú)功的方向即感容性。因此無(wú)功不能夠直接從ADE7754中讀出,必須通過(guò)計(jì)算才能夠得到。這兩個(gè)寄存器需要分時(shí)復(fù)用才能夠依次測(cè)得各相的功率,因此只要通過(guò)控制WATMODE(0Dh)和VAMODE(0Eh)就可以分別由公式（3-2）準(zhǔn)確得出每一相的有功功率P和視在功率S。P=E/T（3-2）這樣就不必考慮采樣起始時(shí)刻fl和結(jié)束時(shí)刻t2，做到了采樣時(shí)間和能量同步，每隔周期T刷新一次，還減輕了軟件編寫(xiě)的難度。4.ADE7754外圍電路設(shè)計(jì)根據(jù)ADE7754芯片引腳的功能與輸入值，設(shè)計(jì)了ADE7754的外圍電路。此時(shí)VN和REF引腳輸入為0V，時(shí)鐘頻率為10MHz。圖3-9ADE7754外圍電路3.4.2STC89C52單片機(jī)STC89C52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器。，其芯片引腳圖如圖3-10所示。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能：8k字節(jié)Flash，512字節(jié)RAM，32位I/O口線(xiàn)，看門(mén)狗定時(shí)器，內(nèi)置4KBEEPROM，MAX810復(fù)位電路，三個(gè)16位

定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，一個(gè)6向量2級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口。另外STC89X52可降至0Hz靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。最高運(yùn)作頻率35Mhz，6T/12T可選。圖3-10STC89C52芯片和atmel對(duì)比的STC89C52RC單片機(jī):（1）8K字節(jié)程序存儲(chǔ)空間；（2）512字節(jié)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間；（3）內(nèi)帶4K字節(jié)EEPROM存儲(chǔ)空間;（4）可直接使用串口下載。1.各引腳功能和管腳電壓說(shuō)明（1）電源引腳Vcc（40腳）：電源端，接+5V電源；地腳GND（20腳）:接地端。（2）時(shí)鐘引腳：XTAL1（19腳）：振蕩器反相放大器及內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端。接外部晶振和微調(diào)電容的一端。XTAL2（18腳）：振蕩器反相放大器的輸出端。接外部晶振和微調(diào)電容的另一端。（3）可編程通用I/O腳P0口：是一組8位漏極開(kāi)路型雙向I/O口，也即地址/數(shù)據(jù)總線(xiàn)復(fù)用口。P1口：是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口。與AT89C51不同之處是，P1.0和P1.1還可分別作為定時(shí)/計(jì)數(shù)器2的外部計(jì)數(shù)輸入（P1.0/T2）和輸入（P1.1/T2EX）。P2口：是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，也可作為片外存儲(chǔ)器的高8位地址總線(xiàn)，與P0口配合，組成16位片外存儲(chǔ)器單元地址。P3口：P3口是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口。P3口除了作為一般的I/O口線(xiàn)外，更重要的用途是它的第二功能。如表3-1所示：表3-1P3口引腳第二功能引腳第二功能功能說(shuō)明P3.0RXD串行口輸入P3.1TXD串行口輸出P3.2EQ\X\TO(INT0)外部中斷0輸入P3.3EQ\X\TO(INT1)外部中斷1輸入P3.4T0定時(shí)器/計(jì)數(shù)器0計(jì)數(shù)輸入P3.5T1定時(shí)器/計(jì)數(shù)器1計(jì)數(shù)輸入P3.6EQ\X\TO(WR)片外RAM寫(xiě)選通信號(hào)（輸出）P3.7EQ\X\TO(RD)片外RAM讀選通信號(hào)（輸出）（4）控制引腳RST（9腳）：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器工作時(shí)，RST引腳出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期以上高電平將使單片機(jī)復(fù)位。（29腳）：外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)端。ALE/（30腳）：地址鎖存允許信號(hào)，輸出/編程脈沖輸入引腳。/Vpp（31腳）：外部程序存儲(chǔ)地址允許輸入端/編程電壓輸入端。若CPU僅訪(fǎng)問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器（地址為0000H—FFFFH）EA端必須保持低電平（接地）。2.STC89C52外圍電路設(shè)計(jì)根據(jù)STC89C52各個(gè)引腳的功能以及輸入值，設(shè)計(jì)了如下圖3-11所示,此時(shí)VCC由USB接口提供+5V電壓。圖3-11STC89C52外圍電路3.4.3LCD1602型液晶現(xiàn)在的字符型液晶模塊已經(jīng)是單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)中最常用的信息顯示器件了。1602型LCD顯示模塊具有體積小，功耗低，顯示內(nèi)容豐富等特點(diǎn)。1602型LCD可以顯示2行16個(gè)字符，有8位數(shù)據(jù)總線(xiàn)D0～D7和RS，R/W，EN三個(gè)控制端口，工作電壓為5V，并且具有字符對(duì)比度調(diào)節(jié)和背光功能。1.LCD1602介紹(1)外型尺寸：80X36X13(LXWXH）(2)接口信號(hào)說(shuō)明1602型LCD的接口信號(hào)說(shuō)明，如表3-2所示：表3-2LCD1602接口說(shuō)明編號(hào)符號(hào)引腳說(shuō)明編號(hào)符號(hào)引腳說(shuō)明1VSS電源地9D2DataI/O2VDD電源正極10D3DataI/O3VL液晶顯示偏壓信號(hào)11D4DataI/O4RS數(shù)據(jù)/命令選擇端（H/L）12D5DataI/O5R/W讀寫(xiě)選擇端（H/L）13D6DataI/O6E使能信號(hào)14D7DataI/O7D0DataI/O15BLA背光源正極8D1DataI/O16BLK背光源負(fù)極(3)主要技術(shù)參數(shù)1602型LCD的主要技術(shù)參數(shù)如表3-3所示:表3-3LCD1602主要技術(shù)參數(shù)顯示容量16X2個(gè)字符芯片工作電壓4.5～5.5V工作電流2.0mA（5.0V）模塊最佳工作電壓5.0V字符尺寸2.95X4.35(WXH)mm(4)基本操作程序讀狀態(tài)：輸入：RS=L，RW=H，E=H 輸出：D0～D7=狀態(tài)字讀數(shù)據(jù)：輸入：RS=H，RW=H，E=H 輸出：無(wú)寫(xiě)指令：輸入：RS=L，RW=L，D0～D7=指令碼，E=高脈輸出：D0～D7=數(shù)據(jù)寫(xiě)數(shù)據(jù)：輸入：RS=H，RW=L，D0～D7=數(shù)據(jù)，E=高脈沖輸出：無(wú)(5)RAM地址映射圖控制器內(nèi)部帶有80字節(jié)的RAM緩沖區(qū)，對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖3-4所示：LCD16字X2行000102030405060708090A0B0C0D0E0F…27404142434445464748494A4B4C4D4E4F…67圖3-4RAM緩沖區(qū)對(duì)應(yīng)關(guān)系(6)狀態(tài)字說(shuō)明狀態(tài)字說(shuō)明如表3-5所示：表3-5LCD1602狀態(tài)字說(shuō)明STA7D7STA6D6STA5D5STA4D4STA3D3STA2D2STA1D1STA0D0STA0～STA6當(dāng)前地址指針的數(shù)值STA7讀寫(xiě)操作使能1：禁止；0：允許☆注意在每次對(duì)控制器進(jìn)行讀寫(xiě)操作之前，都必須進(jìn)行讀寫(xiě)檢測(cè)，確保STA7為0。(7)數(shù)據(jù)指針設(shè)置控制器內(nèi)部設(shè)有一個(gè)數(shù)據(jù)地址指針，用戶(hù)可以通過(guò)它們?cè)L問(wèn)內(nèi)部的全部80字的RAM，如表3-6所示：表3-6LCD1602指令碼功能指令碼功能80H+地址碼（0～27H，40～67H）設(shè)置數(shù)據(jù)地址指針(8)其它設(shè)置其他設(shè)置如表3-7所示：表3-7其他設(shè)置指令碼功能01H顯示清屏：1.數(shù)據(jù)指針清02.所有顯示清002H顯示回車(chē):數(shù)據(jù)指針清0(9)初始化設(shè)置顯示模式設(shè)置如表3-8所示：表3-8顯示模式指令碼功能00111000設(shè)置16X2顯示,5X7點(diǎn)陣,8位數(shù)據(jù)接口顯示開(kāi)/關(guān)及光標(biāo)設(shè)置2.LCD1602電路設(shè)計(jì)根據(jù)LCD1602各個(gè)引腳的功能以及輸入值，設(shè)計(jì)了如下電路：圖3-12LCD1602電路3.5硬件抗干擾設(shè)計(jì)在用電負(fù)荷很小時(shí)，220V的電壓與幾個(gè)μV的小信號(hào)會(huì)共集于一塊電路板上，如果電源布局不當(dāng)，有用信號(hào)會(huì)被噪聲所淹沒(méi)。本設(shè)計(jì)在布線(xiàn)布局及電路設(shè)計(jì)上的抗干擾措施有:（1）印刷電路板應(yīng)有良好的絕緣性，絕緣電阻大于1011Ω。在電路設(shè)計(jì)中，嚴(yán)格保證強(qiáng)電與弱電的隔離，除了電路有直接連接外，100V以上的強(qiáng)電印刷布線(xiàn)與弱電印刷布線(xiàn)間距離設(shè)計(jì)大于4-5mm。數(shù)字地與模擬地通過(guò)單點(diǎn)方式連接來(lái)提高抗干擾性能。（2）在每個(gè)印刷電路板入口處的電源線(xiàn)與地線(xiàn)之間并接退禍電容。并接的電容為一個(gè)容量為10μF的電解電容和一個(gè)0.1μF的非電解電容。電路板上的大中規(guī)模IC也并接一個(gè)0.01μF-0.1μF高頻電容，以減小IC對(duì)電源的影響。注意高頻電容的布線(xiàn)，連線(xiàn)靠近電源端并盡量粗短。（3）印刷線(xiàn)走線(xiàn)科學(xué)，高壓走線(xiàn)盡量短，盡量遠(yuǎn)離小信號(hào)走線(xiàn)。除了根據(jù)電流大小，盡量加大導(dǎo)線(xiàn)寬度外，采取使電源線(xiàn)、地線(xiàn)走向與數(shù)據(jù)信息傳遞方向一致，以增強(qiáng)抗噪聲的能力。布線(xiàn)時(shí)避免設(shè)計(jì)小于90度的折線(xiàn)，減少高頻噪聲發(fā)射。（4）在線(xiàn)路無(wú)法排列或只有繞大圈才能走通的情況下，干脆用絕緣“飛線(xiàn)”連接，而不用印刷線(xiàn)。（5）對(duì)印刷板上容易受干擾的信號(hào)線(xiàn)，不與產(chǎn)生干擾或傳遞干擾的線(xiàn)路長(zhǎng)距離平行鋪設(shè)。必要時(shí)可在它們之間設(shè)置一根地線(xiàn)，以實(shí)現(xiàn)屏蔽。4電參數(shù)測(cè)量模塊軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)硬件的運(yùn)行離不開(kāi)程序的驅(qū)動(dòng)和軟件的控制，硬件是基礎(chǔ)，而軟件程序則是硬件實(shí)現(xiàn)功能的手段。在本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)中，包括了MCU的初始化，液晶模塊的初始化，電量測(cè)量模塊的初始化、測(cè)量值的讀取以及液晶模塊的顯示。具體流程如下圖所示：圖4-1系統(tǒng)程序流程圖其中，ADE7754對(duì)于電量測(cè)量值的讀寫(xiě)是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵，正確的讀寫(xiě)操作可以使系統(tǒng)盡快的實(shí)現(xiàn)其功能。ADE7754的內(nèi)部有一個(gè)內(nèi)置的SPI接口，它與MCU的所有操作，包括寄存器的讀寫(xiě)均通過(guò)串行接口由SCLK、DIN、DOUT和CS四個(gè)信號(hào)來(lái)完成。ADE7754與MCU串行接口的寫(xiě)/讀時(shí)序如圖4-2、圖4-3所示：圖4-2ADE7754與MCU串行接口的寫(xiě)時(shí)序圖圖4-3ADE7754與MCU串行接口的讀時(shí)序圖SCLK輸入具有施密特觸發(fā)結(jié)構(gòu)，是串行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)鐘信號(hào)?？梢岳脮r(shí)鐘信號(hào)的上升或者下降邊沿。所有的數(shù)據(jù)傳輸在時(shí)鐘信號(hào)的作用下同步進(jìn)行。CS是片選信號(hào)，CS下降沿重設(shè)串行接口。在整個(gè)傳輸數(shù)據(jù)的過(guò)程中，CS應(yīng)置為低電平。數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中CS端變高將中斷數(shù)據(jù)傳輸。所有的通信功能通過(guò)幾個(gè)片上寄存器的設(shè)定來(lái)實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)讀操作執(zhí)行前必須有一個(gè)寫(xiě)通信寄存器的操作，所有的數(shù)據(jù)操作，不論是讀數(shù)據(jù)還是寫(xiě)數(shù)據(jù)，必須以一個(gè)寫(xiě)通信寄存器的操作開(kāi)始。芯片上電后，CS端下降沿可以把ADE7754置為通信模式。在通信模式下，ADE7754的第一個(gè)數(shù)據(jù)寫(xiě)到通信寄存器中。第一個(gè)寫(xiě)到通信寄存器中的數(shù)據(jù)，包含下一個(gè)數(shù)據(jù)的地址和下一個(gè)數(shù)據(jù)要進(jìn)行的讀/寫(xiě)操作。讀/寫(xiě)操作結(jié)束后，也就是數(shù)據(jù)傳輸完成后，ADE7754再次進(jìn)入通信模式。ADE7754串行寫(xiě)操作的過(guò)程如下:處于通信模式時(shí)，CS為低電平，寫(xiě)通信寄存器的操作首先發(fā)生。MSB必須置1，表明下一個(gè)操作為寫(xiě)操作。5個(gè)LSB說(shuō)明了寫(xiě)寄存器的地址，尋址范圍是OXOOH——OX3FH，一一對(duì)應(yīng)ADE7754內(nèi)部所有的寄存器。ADE7754開(kāi)始把數(shù)據(jù)在時(shí)鐘下降沿移入寄存器中。每次數(shù)據(jù)寫(xiě)操作寫(xiě)入一位數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)進(jìn)入串行口，有一個(gè)有限的時(shí)間間隔用來(lái)把數(shù)據(jù)從緩沖器移入片內(nèi)寄存器中。ADE7754在數(shù)據(jù)讀操作中，數(shù)據(jù)在時(shí)鐘信號(hào)SCLK的上升沿從DOUT引腳輸出。在A(yíng)ED7754通信模式下，CS低電平時(shí)，8位數(shù)據(jù)首先寫(xiě)入通信寄存器中。寫(xiě)入通信寄存器的數(shù)據(jù)的MSB位必須為0，表明下個(gè)操作為讀操作。5位LSB位為將要讀的寄存器的地址。在下個(gè)時(shí)鐘信號(hào)的上升沿開(kāi)始傳輸數(shù)據(jù)。這時(shí)DOUT端退出高阻抗?fàn)顟B(tài)，轉(zhuǎn)換為通過(guò)驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)總線(xiàn)來(lái)傳輸數(shù)據(jù)。ADE7754內(nèi)部的寄存器分為測(cè)量值寄存器、控制寄存器和狀態(tài)寄存器三大類(lèi)。通過(guò)測(cè)量值寄存器可讀出經(jīng)由芯片計(jì)算的各種參數(shù)值，包括A，B，C三相中任一相的電壓、電流、有功和視在能量寄存器，還有頻率和溫度寄存器，波形采樣寄存器，均為只讀，其中電壓和電流有效值寄存器及波形采樣寄存器長(zhǎng)度是24位，各能量寄存器均為24位，溫度寄存器為8位。在控制寄存器中設(shè)置芯片的運(yùn)行模式，在狀態(tài)寄存器中可以查詢(xún)芯片的運(yùn)行狀態(tài)，如IRQ狀態(tài)寄存器。詳細(xì)用法如下所述。4.1ADE7754初始化流程SPI串口初始化完畢，只需訪(fǎng)問(wèn)ADE7754相應(yīng)的寄存器即可完成對(duì)ADE7754的初始化。其流程如下：圖4-4ADE7754初始化流程在本系統(tǒng)中設(shè)定OPMODE為0h，MMODE為0x10，WATMODE為0x24，GAIN為0x00。4.2LCD1602初始化流程LCD1602的初始化很簡(jiǎn)單，具體過(guò)程如下：寫(xiě)指令38H寫(xiě)指令08H關(guān)閉顯示寫(xiě)指令01H顯示清屏寫(xiě)指令06H光標(biāo)移動(dòng)設(shè)置寫(xiě)指令38H寫(xiě)指令08H關(guān)閉顯示寫(xiě)指令01H顯示清屏寫(xiě)指令06H光標(biāo)移動(dòng)設(shè)置寫(xiě)指令0CH顯示開(kāi)及光標(biāo)設(shè)置4.3ADE7754的中斷ADE7754的中斷由中斷狀態(tài)寄存器STATUS和中斷使能寄存器RSTATUS共同完成。當(dāng)在A(yíng)DE7754中發(fā)生一個(gè)中斷事件時(shí)，中斷狀態(tài)寄存器的相應(yīng)位會(huì)被置1。如果中斷使能寄存器的相應(yīng)位也置1，這時(shí)IRQ的邏輯輸出變?yōu)?。為了確定中斷來(lái)源，MCU必須執(zhí)行讀取中斷狀態(tài)寄存器。當(dāng)IRQ完成讀取中斷狀態(tài)寄存器的命令時(shí)，IRQ邏輯輸出變高。假設(shè)中斷事件發(fā)生在STATUS正在讀的時(shí)間段內(nèi)，ADE7754也可以保證沒(méi)有中斷事件被丟失。如圖4-6所示，當(dāng)CS為0，串行時(shí)鐘SCLK與DIN共同作用向通信寄存器寫(xiě)入11H的讀取中斷狀態(tài)寄存器命令，之后讀取中斷狀態(tài)寄存器內(nèi)的16位數(shù)據(jù)。圖4-6中斷時(shí)序ADE7754與MCU串行接口的中斷管理時(shí)序過(guò)程中，在時(shí)間t1處，IRQ線(xiàn)變?yōu)橛行У碗娖?，表明ADE7754內(nèi)已發(fā)生一個(gè)或多個(gè)中斷事件。IRQ邏輯輸出應(yīng)與MCU的下降沿觸發(fā)外部中斷相對(duì)應(yīng)。檢測(cè)下降沿時(shí)，應(yīng)將STC89C52設(shè)置成啟動(dòng)執(zhí)行其中斷服務(wù)程序(ISR)。在進(jìn)入ISR時(shí)，所有中斷標(biāo)志可能被清除，以捕獲在當(dāng)前ISR期間發(fā)生的中斷事件。當(dāng)MCU中斷標(biāo)志被清除時(shí)，利用復(fù)位完成從狀態(tài)寄存器讀出。這將使IRQ線(xiàn)復(fù)位到邏輯高電平(t2)，狀態(tài)寄存器的內(nèi)容用來(lái)確定中斷源，以確認(rèn)應(yīng)采取的操作。若在ISR期內(nèi)發(fā)生相繼的中斷事件，則該事件便重新由所設(shè)定的MCU外部中斷標(biāo)志(t3)加以記錄。從ISR返回時(shí)，全局中斷屏蔽將被清除(在相同指令周期)，外部中斷標(biāo)志將再次引起MCU轉(zhuǎn)移到它的ISR上，這就保證MCU不會(huì)丟失任何外部中斷。圖4-7中斷管理4.4采樣同步以及采樣時(shí)間分配要準(zhǔn)確讀取各個(gè)參數(shù),必須實(shí)現(xiàn)采樣同步,否則每次采樣值將會(huì)有較大的波動(dòng)而不準(zhǔn)確。ADE7754可以利用電壓的過(guò)零次數(shù)來(lái)記錄采樣間隔,LINCYC(13h)在MMODE(0Bh)選定的電壓每次過(guò)零時(shí)都遞減1,比如當(dāng)相電壓都是50Hz,MMODE選定A相,則遞減的頻率也為50Hz。如果MMODE將三相電壓都選擇了,則遞減的頻率就為150Hz。當(dāng)LINCYC減到0,就產(chǎn)生類(lèi)型為L(zhǎng)ENERGY的中斷來(lái)通知CPU,這樣就可以實(shí)現(xiàn)采樣同步。在缺相時(shí),電壓沒(méi)有過(guò)零點(diǎn),LINCYC就不會(huì)遞減,也就不能產(chǎn)生中斷,因此必須再開(kāi)一個(gè)中斷來(lái)通知CPU該相電壓缺相。這個(gè)中斷就是SAGA、SAGB、SAGC中的一個(gè),具體是哪個(gè)就取決于MMODE所選定的電壓。該中斷產(chǎn)生的條件是在ZXTOUT(12h)*384/CLKIN秒內(nèi)還沒(méi)有檢測(cè)到MMODE所選定相電壓的過(guò)零點(diǎn),這樣就保證在缺相的情況下也能夠?qū)崿F(xiàn)采樣同步。4.5軟件抗干擾設(shè)計(jì)抗干擾在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)中是非常重要的內(nèi)容之一。在編寫(xiě)程序時(shí),為避免各階段調(diào)試中所遇到的軟件干擾問(wèn)題,即程序由于受到各種干擾而彈飛,使總線(xiàn)上的數(shù)字信號(hào)錯(cuò)亂,CPU得到錯(cuò)誤信息,使運(yùn)算操作數(shù)失真,導(dǎo)致結(jié)果出錯(cuò),并將錯(cuò)誤逐級(jí)傳遞,形成一系列錯(cuò)誤。本系統(tǒng)主要采取了三種軟件抗干擾的對(duì)策。（1）在多字節(jié)指令之后,可經(jīng)常插入兩個(gè)單字節(jié)的NOP(空操作)指令,以保護(hù)其后的指令不被拆散。因?yàn)閺楋w的程序即使落到操作數(shù)上,由于兩個(gè)空指令的存在,不會(huì)將其它指令當(dāng)操作數(shù)執(zhí)行,從而使程序入軌。為提高程序運(yùn)行效率,常在一些對(duì)程序流向起決定作用的指令前插人兩個(gè)NOP指令?？杀ＷC彈飛的程序快速入軌。（2）上述指令冗余技術(shù)使彈飛程序人軌是有條件的。首先彈飛程序必須落人程序區(qū)；其次,必須執(zhí)行到冗余指令。當(dāng)程序彈飛到非程序區(qū)(如ROM中未使用的空間)的表格區(qū)時(shí),指令冗余技術(shù)就無(wú)能為力了。這里就需設(shè)置軟件陷井,即用一條引導(dǎo)指令,強(qiáng)行將捕獲的程序引向一個(gè)指定地址,在那里有專(zhuān)門(mén)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行出錯(cuò)處理的程序。（3）當(dāng)程序彈飛到一個(gè)臨時(shí)構(gòu)成的系統(tǒng)循環(huán)中時(shí),冗余指令和軟件陷井便無(wú)能為力了。要使系統(tǒng)重新工作,通常是用人工復(fù)位和硬件“看門(mén)拘“。人工復(fù)位不及時(shí),對(duì)電能表計(jì)量與控制是不允許的。硬件“看門(mén)狗”需占用一定的硬件資源。在此,我們采用了軟件“看門(mén)狗”技術(shù)。首先,要用一個(gè)定時(shí)器溢出中斷設(shè)定為最高級(jí)中斷,只有這樣才能奪走CPU的控制權(quán),使彈飛程序離開(kāi)掉進(jìn)的死循環(huán),系統(tǒng)中的其它中斷均為較低級(jí)中斷。其次,要精確計(jì)算系統(tǒng)程序運(yùn)行最長(zhǎng)使用周期。5系統(tǒng)的調(diào)試及誤差分析系統(tǒng)的精度除了來(lái)源于自身設(shè)計(jì)的水平之外，還取決于成品之前的最后一道工序，那就是系統(tǒng)的校準(zhǔn)。作為一個(gè)測(cè)量系統(tǒng)，正常工作之前都應(yīng)當(dāng)經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的校準(zhǔn)流程。以前的此類(lèi)系統(tǒng)由于測(cè)量芯片的集成度不高，所以芯片外圍必須有模擬校準(zhǔn)電路，比如人工調(diào)整輸入電阻值來(lái)進(jìn)行校準(zhǔn)，不僅精度不好而且費(fèi)工費(fèi)時(shí)。5.1系統(tǒng)仿真由于A(yíng)DE7754芯片在PROTUES軟件中是沒(méi)有的，故只能進(jìn)行采集模塊、中央控制模塊以及顯示模塊的仿真。（1）采集模塊。輸入電壓為220V的正弦波，頻率為50Hz，相位為0，對(duì)應(yīng)示波器C的波形。此時(shí)，R5兩端的電壓將是輸入ADE7754引腳IAP和IAN的電壓，對(duì)應(yīng)示波器A和D的波形；而R6接電源的一端是輸入ADE7754引腳VAP的電壓，對(duì)應(yīng)示波器B的波形。電路圖如下所示：圖5-1采集模塊仿真圖運(yùn)行該電路，即彈出示波器的界面，此時(shí)電源電壓C為220V，A為0.43V，D為-0.43V，B為0.24V。顯示波形如下：圖5-2采集模塊仿真波形（2）中央控制模塊以及顯示模塊。由于只是進(jìn)行仿真測(cè)試，假設(shè)已經(jīng)從外部采集到了電流、電壓、功率，電能等數(shù)據(jù)，用STC89C52單片機(jī)控制LCD1602顯示所采集到的數(shù)據(jù)，故其電路圖與實(shí)際的硬件原理圖有些差異。其仿真結(jié)果如下：圖5-3顯示模塊仿真圖5.2硬件調(diào)試（1）脫機(jī)調(diào)試。在樣機(jī)加電之前，先用萬(wàn)用表等工具，根據(jù)硬件電氣原理圖和裝配仔細(xì)檢查樣機(jī)線(xiàn)路的正確性，并核對(duì)元器件的型號(hào)、規(guī)格和安裝是否符合要求。應(yīng)特別注意電源的走線(xiàn)，防止電源線(xiàn)之間的短路和極性錯(cuò)誤，并重點(diǎn)檢查擴(kuò)展系統(tǒng)中是否存在相互間的短路或與其他信號(hào)線(xiàn)的短路。對(duì)于樣機(jī)所用的電源事先必須單獨(dú)調(diào)試，檢查其電壓值、負(fù)載能力、極性等均符合要求，才能加到系統(tǒng)的各個(gè)部件上。在不插片子的情況下，加電檢查各插件上引腳的電位，仔細(xì)測(cè)量各點(diǎn)電位是否正常，尤其應(yīng)注意單片機(jī)插座上各點(diǎn)電位是否正常，若有高壓，聯(lián)機(jī)時(shí)將會(huì)損壞樣機(jī)。（2）聯(lián)機(jī)調(diào)試。通過(guò)脫機(jī)調(diào)試可排除一些明顯的硬件故障，有些故障還是要通過(guò)聯(lián)機(jī)調(diào)試才能發(fā)現(xiàn)和排除。聯(lián)機(jī)前先斷電，將單片機(jī)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的仿真頭插到樣機(jī)的單片機(jī)插座上，檢查一下開(kāi)發(fā)機(jī)與樣機(jī)之間的電源、接地是否良好。一切J下常，即可打開(kāi)電源。通電后執(zhí)行程序的讀寫(xiě)命令，對(duì)用戶(hù)樣機(jī)的存儲(chǔ)器、I/0端口進(jìn)行讀寫(xiě)操作、邏輯檢查，若有故障，可用示波器觀(guān)察有關(guān)波形(如選中的譯碼器輸出波形、讀寫(xiě)控制信號(hào)、地址數(shù)據(jù)波形以及有關(guān)控制電平)。通過(guò)對(duì)波形的觀(guān)察分析，尋找故障原因，并進(jìn)一步排除故障。由于本設(shè)計(jì)中的電參數(shù)測(cè)量部分使用的是專(zhuān)用計(jì)量芯片ADE7754，因此校準(zhǔn)功能的實(shí)現(xiàn)變得更加簡(jiǎn)單且易于實(shí)現(xiàn)。ADE7754的誤差可以做到微調(diào)，這點(diǎn)是其它計(jì)量芯片做不到的。在主機(jī)調(diào)試好后．再插上系統(tǒng)的其它外圍部件顯示屏幕、外圍電路等，對(duì)這些板進(jìn)行初步調(diào)試。本系統(tǒng)的校準(zhǔn)是在一個(gè)自耦變壓器提供可調(diào)的交流電壓中完成的，在調(diào)試的過(guò)程中會(huì)經(jīng)常發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)工作不穩(wěn)定，可能會(huì)有各級(jí)電源濾波不完善。對(duì)這些問(wèn)題一定要認(rèn)真查出原因，加以排除。5.3軟件調(diào)試軟件調(diào)試與所選用的軟件結(jié)構(gòu)和程序設(shè)計(jì)技術(shù)有關(guān)。如果采用模塊程序設(shè)計(jì)技術(shù)，則逐個(gè)模塊分別調(diào)試。調(diào)試各子程序時(shí)一定要符合現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，即入口條件和出口條件。調(diào)試的手段可采用單步或設(shè)斷點(diǎn)運(yùn)行方式，通過(guò)檢查用戶(hù)系統(tǒng)CPU的現(xiàn)場(chǎng)、RAM的內(nèi)容和I/O口的狀態(tài)以及程序執(zhí)行結(jié)果是否符合設(shè)計(jì)要求。通過(guò)檢測(cè)可以發(fā)現(xiàn)程序中的死循環(huán)錯(cuò)誤，同時(shí)也可以發(fā)現(xiàn)用戶(hù)系統(tǒng)中的軟件算法及硬件設(shè)計(jì)的錯(cuò)誤。在調(diào)試過(guò)程中不斷調(diào)整系統(tǒng)的軟件和硬件，逐個(gè)通過(guò)一個(gè)一個(gè)程序模塊。特別是本系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器分配不合適，容易出現(xiàn)錯(cuò)誤。5.4調(diào)試結(jié)果經(jīng)過(guò)調(diào)試，本樣機(jī)已經(jīng)能夠正確的顯示各個(gè)測(cè)量值，效果圖如下：圖5-4樣機(jī)效果圖由于沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)表進(jìn)行校表，故只能用萬(wàn)用表的測(cè)量值作為基準(zhǔn)，檢測(cè)系統(tǒng)的精度。其結(jié)果如表5-1、表5-2：表5-1電壓有效值測(cè)量結(jié)果次數(shù)12345測(cè)量值V228.5227.9226.2231.2232.4標(biāo)準(zhǔn)值V229229228232233相對(duì)誤差%0.30.3表5-2電流有效值測(cè)量結(jié)果次數(shù)12345測(cè)量值mA179.8178.6180.2180.9181.9標(biāo)準(zhǔn)值A(chǔ)80.180.18相對(duì)誤差%0.51.15.5誤差分析由于本系統(tǒng)的電參數(shù)測(cè)量部分使用的是專(zhuān)用計(jì)量芯片ADE7754，而且下位機(jī)設(shè)計(jì)高度集成化，所以本系統(tǒng)的測(cè)量精度主要取決于芯片使用方式的選擇以及輸入轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)。有可能引起誤差的硬件電路環(huán)節(jié)如下:（1）互感器引起的測(cè)量誤差。電壓和電流互感器存在角差和比差，會(huì)給測(cè)量精度帶來(lái)影響。互感器的電量誤差及角誤差主要是由激磁磁勢(shì)引起的。在測(cè)量中，我們認(rèn)為變比是個(gè)常量，而實(shí)際的變比除了與互感器的工作狀態(tài)、負(fù)載性質(zhì)有關(guān)外，還和鐵芯材料有關(guān)，并不是一個(gè)常數(shù)。（2）輸入轉(zhuǎn)換電路中的采樣電阻以及計(jì)量芯片本身的性能誤差。另外，ADE7754外圍電路的干擾也會(huì)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)造成影響。（3）測(cè)量?jī)x器的誤差。由于沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)電表進(jìn)行校表，而萬(wàn)用表的測(cè)量值容易受到外界環(huán)境，測(cè)量范圍，測(cè)量精度的影響，誤差較大。