三相自抄表電子式電能表的設計摘要本課題針對三相電力用戶耗電統計的問題設計了一款新型的具有自抄表功能的電子式電能表，該電能表以專業計量芯片為計量核心，依靠單片機對整個系統進行控制。通過硬件和軟件模塊的相互配合，可以穩定可靠的對電力用戶的多種電能參數進行測量，并且能夠將電能信息上傳到抄表系統。關鍵詞電子式電能表；掉電處理；自抄表；電能計量芯片DESIGNOFTHREEPHASEAUTOMATICREADINGELECTRONICPOWERMETERABSTRACTTHISPAPERPROPOSESANEWELECTRONICENERGYMETERWITHSELFMETERREADINGFUNCTIONTOCOUNTPOWERCONSUMPTIONOFTHREEPHASEELECTRICITYUSERSTHEMETERSCOREISAPROFESSIONALMEASUREMENTCHIP，ANDITCONTROLSTHEWHOLESYSTEMBYMCUTHEMETERSHARDWAREMODULESANDSOFTWAREMODULESCOMPLEMENTEACHOTHER,ITCANMEASURETHEPOWERUSERSVARIOUSENERGYPARAMETERSSTABLYANDSAFELY，ALSO，ITCANUPLOADELECTRICALENERGYPARAMETERINFORMATIONTOMETERREADINGSYSTEMKEYWORDSELECTRONICENERGYMETER；POWERDOWNPROCESSING；AUTOMATICMETERREADINGFUNCTION；ENERGYMEASUREMENTCHIP1前言11三相自抄表電子式電能表的研究背景在我國，電能作為一種清潔的二次能源是一種重要的消費品。改革開放以來，我國經濟的發展突飛猛進，電力工業生產規模不斷擴大，各行各業對電能需求量大幅提高。每年我國都在不斷擴建發電設施，更新擴建配電系統，目的是增加發電量供電量，以滿足與日俱增的生產生活用電需求。電能管理監督到戶的手段是國外個別發達國家實行電網統一管理的主要措施。電力公司對所轄地區內各電力用戶的用電信息進行采集，直接或間接對每個用戶電能的使用進行管理，這樣可以大力的提高電能管理的力度。我國也在逐漸推行這一舉措，電子式電能表就是在這種大環境下出現并開始迅速推廣。上個世紀60年代出現了時分割乘法器的功率測量原理，在這個原理基礎上各國研制出了單相和三相電子式功率電能表，那時的電子式電能表都是時分割乘法器為核心的電路系統。后來嵌入式系統進一步發展，模數轉換技術和大規模集成電路開始廣泛應用，具有集成AD轉換功能、存儲器、處理器、通信接口的專業計量芯片出現，各種性能和功能的電子式電能表逐步成為電能計量行業的主導。國際上近些年電子式電能表的發展非常快，許多歐洲發達國家以及北美等許多國家工商用電計費電能表已經實現100電子化，居民用戶的計費電能表也幾乎被電子式計量設備取代，目前很多國家已經宣布完全停止對傳統的感應式電能表的購買和安裝。電子式電能表有著諸多優點，如高精度、功能易擴展、抄表便利、可聯網通信，使各種電子式電能表設計生產行業發展迅速。在我國，電子式電能表已經占據了電能表生產行業的主要份額，有多家大型電子設備制造公司長期致力于電子式電能表的研究和生產，他們的實踐和努力為電子式電能表在我國的發展打下基礎。國家電力系統的兩網改造工程開展后，國內的電子式電能表研究機構如雨后春筍，不斷涌現，設計水平和生產工藝水平一直在不斷提高。12三相自抄表電子式電能表的發展趨勢隨著集成電路的日益發展和新器件的開發成功，電子式電能表逐步進入電力系統生產和銷售管理部門的電能計量計費第一線，電子式電能表進入千家萬戶，我國加入WTO之后，電能表產品在國際市場上嶄露頭角，我國自主研發的專業計量芯片已被國際上認可，許多我國生產的優秀芯片類型已經和世界上高端廠商生產的芯片在功能和性能上基本達到同一水平。由于專業計量芯片行業的蓬勃發展，電子式電能表的設計和生產也已經取得了質的飛躍。目前，電子式電能表制造行業已經從原來的功能單一，內部構造模式單一，核心技術相似，性能不及傳統感應式電能表的狀態逐漸發展為現在的多功能多品種，精度指標高，性能質量好，知識產權自主的形勢。不但如此，我國電子式電能表行業逐漸發展成兩個成長方向，即專一功能高性能化和多功能多兼容化。電能計量裝置是商品交易中一種特殊的計量器具，其自身技術性強，要求高，因為生產企業在單位時間內生產所消耗的電能數量巨大，電能計量裝置運行計量工作是與用戶用電同時進行的，電能計量的瞬時性和不可重復性決定做好電能計量工作格外重要。國家對電能計量裝置執行強制檢定，監管力度大，必須定期校驗，階段性的改進和更新計量裝置是我國電管部門的工作要求。13課題主要研究內容本課題是基于應用一款功能強大的電能計量芯片ATT7022A，采用以ATMEGA64為核心的單片機系統，研發的一款綜合自動抄表功能、多參數測量功能等于一體的電子式電能表。該電能表的研發方向定位于三相四線制電能測量方式，有功精度滿足O5S、02S，動態范圍10001，無功精度滿足O5S，動態范圍L000L。本課題的主要內容及安排如下1、硬件設計之初構建電子式電能表的PCB電路板，要求通過電路板能夠完成從電能信號采集、轉換、計算、顯示輸出等一系列過程。并且該設計硬件接口支持在線升級以及遠程抄表。硬件電路完成以下要求1利用電網電源供電，并且在電網掉電情況下保障系統數據安全保存，恢復供電后可重新投入使用；2具備靈活方便的用戶操作鍵盤和一目了然的信息顯示系統，建立通暢的人機交流渠道；3通信接口包括SPI通信接口和RS485通信接口，SPI接口負責對單片機進行燒寫程序，RS485負責抄表時的數據傳輸；4具備近程或遠程的通信功能，在需要的情況下，系統能夠做到抄表員不需要直接到戶讀表通過網絡便可直接讀取電量參數信息，并且可以對電表存儲器內數據進行更改；5硬件系統在常規環境下運行穩定，在硬件層面能夠抵抗一定的電磁干擾。2因為電路板設計由多個功能模塊組建，并且需要擴展遠程抄表功能，因此各個模塊間的通信和抄表通信的可靠性顯得尤為重要。在電路板設計的同時對電子設備電磁兼容技術進行研究，并將電磁兼容技術應用于電路設計。3完成電子式電能表程序設計，軟件程序可控制系統完成各個功能并且運行穩定。2電子式電能表的硬件21硬件總體設計圖1電能表硬件總體設計FIG1METERHARDWAREDESIGN本設計目的是進行三相電能檢測，因此首先將三相電流電壓分別輸入采集電路，電流與電壓信號經過互感器降壓，并且將信號進行調理輸入到計量芯片ATT7022A進行一系列處理，包括們轉換乘積運算等，ATT7022A芯片輸出的數字信號包含各種所需電參數信息，可供ATMEGA64處理，將所需參量存入片內存儲器供電能信息提取。掉電檢測部分負責系統的將電網有無供電的情況提供給單片機，判別系統是否進行掉電處理。ATMEGA64預留的引腳為抄表系統抄表時提供數據傳輸，自動抄表系統可以讀取存儲器內存儲的電量信息，還可以直接更改處理器內寄存器狀態或通過總線與片內EEPROM通信進行程序升級。設計要求能計量準確、精度高，誤差為2。電能表正常工作時，能顯示剩余點能值、已用電能值，當表內剩余電能不足20度時，能提醒用戶余電不多，及時購電，具有記憶功能，遠程抄表功能。22系統整機性能指標電能表的設計必須實現一些必須的功能，硬件和軟件水平達到國家對儀器儀表的相關要求標準。本課題設計的三相自抄表電子式電能表滿足國家電表儀器標準DLET6451997、GBT178831999、GBT152842002，部分技術指標如下表。表1三相自抄表電子式電能表的部分技術指標TAB1PARTOFTHREEPHASEAUTOMATICREADINGELECTRONICENERGYMETERSPECIFICATIONS參數名指標額定電壓3220380V額定頻率50HZ計量誤差功率1級，其它2級時鐘準確度05S23掉電數據保存時間10年1200MAH計度范圍O99999999KWH波特率1200BPSRS一485通信有效距離1200M絕緣耐壓4KV工作溫度范圍一2555相對濕度85貯存和運輸溫度一4070電池容量1200AH23電源電路的設計圖2電源電路設計FIG2POWERCIRCUITDESIGN由于電子式電能表的運行環境各種各樣，為其供電的電源電路必須能滿足在某些惡劣環境比如雷電和低溫下能安全穩定供電的要求。本設計需要一個穩定的5V直流電源為其內部元件提供直流供電。本設計提取一路電壓輸入提供直流穩壓電源，直流穩壓電源將交流輸入電壓轉變為穩定不變的直流電壓。為了滿足設計要求，應用串聯型穩壓電源電路供電，串聯型穩壓電源電路部分由變壓器、整流電路、濾波電路和穩壓電路部分構成。穩壓電路作用是將輸出電壓穩定在一定合理區間內，在這里應用了三端穩壓器7805作為穩壓器件。7805擁有諸多優點，體積小、價格低、性能穩定，使用安全可靠。運行時7085自身存在36V的壓降，變壓器二次側輸出也就是電源電路的輸入端電壓實際取值15V。在電網運行過程中，由于電網線路故障或供電設備的原因，偶爾會發生供電中斷的現象。為避免整個電子式電能表用硬件系統的癱瘓，電子式電能表在硬件設計方面都會有掉電檢測電路，軟件設計時配合掉電檢測功能程序。常見的掉電檢測電路有的是依靠系統檢測芯片為系統提供供電電源檢測，即“看門狗”電路。本設計的MCU采用的是處理能力相對較強的AVR單片機，所以硬件掉電檢測部分采用的是通過檢測電容放電信號來判斷電網是否掉電，由處理器來對掉電情況進行管理。在電路中，如果交流側電壓正常，電容C5被充電，經穩壓管穩壓后，引腳INTO輸出的是高電平信號；如果這時交流側突然斷電，電容C5放電，穩壓管沒有輸入，引腳INTO輸出的信號時低電平。單片機接收到信號后，進入相應的中斷程序，進行掉電處理。圖3具有掉電檢測功能的電源電路FIG3POWERSUPPLYCIRCUITWITHPOWERDOWNDETECTION24MCU的選擇及資源配置此處省略NNNNNNNNNNNN字。如需要完整說明書和設計圖紙等請聯系扣扣九七一九二零八零零另提供全套機械畢業設計下載該論文已經通過答辯242ATMEGA64介紹ATMEGA64單片機具有如下的一些主要特點1高性能低功耗的8位A詠處理器。2利用了RISC架構和CMOS技術，執行單條指令機器周期最低可達50LLS，工作于16MHZ時性能高達16MIPS。工作電流不超過25N認，功耗較低。3芯片內部集成64K字節的F1ASH程序存儲器擦寫壽命10000次，2K字節的EEPROM，擦寫壽命100000次，4K字節的SRAM，64K字節可選片外存儲空間，獨立鎖存位的可選BOOT代碼區。432個8位通用工作寄存器，35個中斷源8個外部中斷源。5兩個具有獨立功能和比較功能的8位定時器計數器，兩個具有獨立預分頻功能和比較捕捉功能的16位定時器計數器，8路10位ADC，兩路8位PWM，獨立片內振蕩器的可編程看門狗定時器。6具有可編程串行USART，JTAG接口，可工作與主機從機選擇模式的SPI串行接口，支持ISP下載，7具有64引腳TOFP和MLF兩種封裝形式，53個可編程IO口。8速度等級08MHZ。243處理器資源分配ATMEGA64芯片共有INTOINT78個外部中斷源，各外部中斷源做如下分配表2ATMEGA64外部中斷分配TAB2A11OCATIONOFATMEGA64SEXTERNALINTERRUPT外部中斷源功能INT0掉電檢測INT1抄表INT2計量芯片握手INT3計量芯片復位INT4按鍵中斷ATMEGA64共有兩個USART口其中USART0分配給抄表模塊，為抄表系統工作時提供數據傳輸，USART1口接顯示器串行口，對顯示器進行讀寫操作。兩個外部計數源輸入T1、T2，其中T1分配給時鐘芯片。在必要時，擴展由時鐘芯片輸出的可編程方波信號計數計時功能。SPI接口提供進行程序寫入或與ATT7022A進行通信。25計量模塊硬件設計在本設計中，計量模塊是負責對電能采樣信號值進行整理計算，最終得到所需電能參數值的部分。模塊內部的專用DSP芯片將有功功率、有功能量、無功功率、無功能量等參數計算出，并將其輸入到MCU處理單元。從而避免了在單片機程序中設置復雜參數的數學模型計算。使用專業的電能計量芯片還可以減少MCU任務量，節省大量的CPU資源，使整個系統運行更加穩定安全。251電能采集電路的設計在本設計中，計量芯片的電壓采集輸入利用電壓互感器輸入方式，電流采集輸入利用電流互感器方式。這種設計將芯片與電網進行了隔離，從而可以獲得良好的抗干擾性能。圖4電壓采集電路FIG4VOLTAGECONDITIONINGCIRCUIT上圖中VXIN與VXOUT接電網三相電壓火線和零線，圖中的參數是以220V為參考電設計，利用電壓互感器將電網高電壓輸入變換為O2V到06V的采樣信號。1在模擬輸入電路中對輸入引腳引入24V左右的輸入偏置電壓，由ATT7022的第11引腳提供偏置電壓。2為了保證測量精度，芯片ATT7022A的第5引腳外接10UF和01UF濾波電容，盡量靠近引腳。電容的接地點與電流電壓采集信號的地線盡可能短的連接在一起。3在VXIN和VXOUT輸入電路中安置12K電阻和001UF電容構成抗混疊濾波器，其結構和參數對稱，并采用溫度性能較好的元器件，保證電表獲得良好的溫度特性。4為防止外部接線錯誤，在任意一相電流與電壓反向時，ATT7022A的第40引腳REVP輸出高電平，據此可以判斷接線是否有錯。圖5電流采集電路FIG5CURRENTCONDITIONINGCIRCUIT252ATT7022A內部結構及外部電路連接圖6ATT7022A內部框圖FIG6ATT7022AINTERNALBLOCKDIAGRAMATT7022A內部集成了6路16位A，D轉換器，電流通道有效值在2MV至1V的范圍內線性誤差小于O1，電壓通道有效值在10MV至LV的范圍內線性誤差小于O1，電壓取值在O2V到O6V，電壓采樣信號小于O2V，可用電壓通道ADC增益選擇，將電壓信號適當放大，電流取值在2MV至1V，電能線性誤差小于O1。每路ADC的交流輸入由管腳VXP和VXN輸入，同時要求VXP、VXN加24V左右直流偏置電壓，該偏置電壓可以由芯片的參考電壓輸出REFOUT獲得，也可以由外部基準電壓提供。本設計采取的是利用芯片輸出的參考電壓引腳REFOUT為電能采集模塊提供直流偏置電壓。圖7ATT7022A及其外部電路設計FIG7ATT7022AANDITSEXTERNALCIRCUITDESIGN在單片機系統中，ATT7022A與單片機有6條連線。其中RESET是ATT7022A的復位線。CS、DIN、DOUT、SCLK為ATT7022A與ATMEGA64進行SPI通信的通信引腳，CS為單片機輸出的片選信號下降沿表示通信開始，上升沿表示通信結束，DIN與DOUT為SPI通信時數據輸入引腳與數據輸出引腳，SCLK為串行時鐘輸入引腳。為了避免SPI通信時電磁干擾對通信產生影響，本設計采用了在SPI傳輸線路上串聯低通濾波器的方法，低通濾波器由一個10電阻和一個10PF的電容組成，這樣可以消除SPI通信線路上可能出現的干擾或抖動。SIG為單片機與ATT7022A的握手信號引腳，在ATT7022A上電復位或重啟后，單片機必須通過SIG寫入高電平信號，ATT7022A才能與單片機進行通信。26時鐘模塊設計電子式電能表對用電用戶的電量參數測量動作都是建立在一定時間之上，因此對于每一組測量值都有一組相匹配的時間參數。時間參數是電子式電能表系統電能結算和監控的依據。電子式電能表中的實時時鐘分為硬時鐘和軟時鐘兩種。硬時鐘由獨立的實時時鐘芯片組成。能自動產生秒、分、時、日、月、年等時間數據，并能自動進行閏年補償，還具有產生定時中斷等功能。軟時鐘是指利用單片機內部或外部產生的定時中斷程序，通過對程序中定時終端的計數，計算出時間。軟時鐘的缺點是產生的日歷時鐘信息存放在MCU的RAM中當單片機系統運行出現錯誤故障時，時鐘很容易遭到破壞，存儲的時鐘信息也易丟失。硬時鐘的應用就彌補了軟時鐘的這一缺憾，硬時鐘芯片安裝在MCU外部，它的運行也相對獨立。內部帶有備用電池，運行時較穩定不易被外部因素影響。而且集成的時鐘芯片，運行的時鐘準確度比軟時鐘要高。本設計采用的是DALLAS公司生產的并行操作接口的時鐘芯片DSL2C887。DSL2C887內部具有128字節的RAM，4字節的控制與狀態寄存器，可以自動產生年、月、星期、日、時、分、秒7個時標，具有報警定時功能，方波信號輸出功能。內部配備鋰電池，無外部電源供電情況下可運行并且保存數據10年以上。由于DSL2C887計時精度高、運行穩定、不掉電、操作方便、編程簡單，使其在單片機開發領域廣泛應用。在時鐘模塊硬件連接中，MOT為模式選擇引腳，接地表示系統選擇的是INTEL模式，在1NTEL模式中DSRD引腳作用是讀允許，RW引腳作用是寫允許。AD0AD7為復用地址數據總線，在這里與單片機的PF口相連。AS為地址選通輸入引腳，地址選通上升沿有效。IRQ為中斷請求輸入，CS為片選信號輸入引腳。VCC接5V電源，當電源電壓輸入小于3V時，DSL2C887默認系統掉電，自動將電源轉換到內部自帶鋰電池上，保證時鐘程序能夠正常運行。RESET直接接VCC，從而保證了DSL2C887在掉電情況下，內部寄存器數據不受影響，時鐘繼續工作。圖8時鐘模塊硬件連接圖FIG8CLOCKMODULEHARDWARECONNECTIONDIAGRAM27自動抄表模塊的設計自動抄表功能要求將電子式電能表的測量參數信息讀取出來，對于電子式電能表，測量部分一般由MCU和電能測量模塊構成，在設計之初電子式電能表都會配備輸入輸出接口，利用上位機讀取電能表的測量參數。信號傳輸的載體方面，常用的傳送方法有利用電力線實施載波通訊傳送、利用電話網絡進行數據傳輸、利用無線方式傳送數據、利用光線方式傳送數據。綜合運行成本、運行技術難度、安全可靠性、可操作性等各方面因素考慮，本設計最終選擇應用電話網絡作為數據傳輸介質的自動抄表方式。利用電話網絡進行數據傳輸，是一個經濟有效的方案。電話網絡具有數字信號傳輸速度快、頻帶寬、傳輸距離遠、安全穩定的優點。并且電話傳輸線提供兩根數據傳輸線，符合設計RS一485通訊標準的要求。271抄表方式選擇自動抄表方式，根據應用范圍、規模大小、抄表上位機距電能表距離遠近分為近程抄表和遠程抄表，這里的上位機主要指的是手持抄表器或抄表管理計算機。由于本設計采用RS485作為通訊標準，RS485通訊標準的最遠傳輸距離是12KM，所以自動抄表的覆蓋范圍一般最遠為幾個街區，針對電能用戶的位置分散程度不一的實際情況選擇的是以小區為抄表單位的近程抄表方式。在抄表員進行抄表工作時，是以小區為單位，對于個別地理位置偏僻的零散電力用戶，可以選擇利用手持抄表器進行上門抄表。在整個抄表系統中，主要有抄表上位機手持抄表器或抄表管理計算機，電子式電能表，傳輸線纜三個部分組成圖9抄表功能實現FIG9METERREADINGFUNCTIONTOACHIEVE每戶電力用戶電表的RS485接口與該電力用戶使用的電話線纜相連接，因為每個小區都會對電話線纜的出戶端進行集中統一管理，電管部門可以在每個小區電話線集線箱設置自動抄表接入端口，這樣便建立起了抄表上位機與電力用戶的一對多的信號通道。但是在抄表過程中還應注意，TIEIA485標準特性中最大接收器和最大發送器數量都不超過32個單位，因此抄表員一次最多可采集32戶電力用戶的電能測量參數數據。272RS485通訊接口設計RS一485芯片是一類常用的通訊接口器件，許多知名半導體公司，諸如SIPEX公司、MAXIM公司、TI公司，都有相關匹配芯片生產。MAXL483芯片是一種低功耗高效能的半雙工差分收發器，完全兼容RS一485標準和RS一422標準，正常工作電流不超過20UA，非正常工作電流也不會超過O1UA。表3MAXL483管腳功能TAB3MAX1483PINSFUNCTION管腳號名稱描述1RO接收器輸出2RE接收器輸出使能低電平有效3DE發送器輸出使能高電平有效4DI發送器輸入5GND接地6A發送器輸出接收器輸入7B發送器輸出接收器輸入8VCC電源電壓475VVCC525V由于本設計中RS一485通訊傳輸介質是借助的電話線纜，與用戶電話線共用一套線纜，雖然電話線纜載波頻帶較寬，在抄表員自動抄表時，抄表信號不會對電話用戶通話產生影響。為了防止外界突發強電流強電壓對芯片造成損害，本設計中對在MAXL483芯片的A、B信道傳輸路徑上特別加入了光電隔離器件，而不是通常采用的雙絞線設計，這樣做還可以在電能表內部防止外界電磁干擾信號在傳輸路徑上對RS一485信號傳輸產生影響。圖10RS一485通信模塊內部結構FIG10THEINTERNALSTRUCTUREOFRS485COMMUNICATIONMODULE273RS485通信協議介紹解決MCU之間中長距離通信是本設計自動抄表通信模塊所考慮的主要內容，本設計中所采用的主從機通信標準為RS485標準。RS485因硬件設計簡單、控制方便、成本低廉等優點，在工業測控技術領域中被廣泛使用。RS485是由電子工業協會E認制定發布的一種平衡通信接口，被命名為TIE認485A標準。RS485總線是異步半雙工的通信總線，因此，只需有兩根傳輸線便可以進行雙向通信。信號傳輸時速率最高可達10MBPS，際應用中在信號傳輸速率不超過100KBITS時最遠傳輸距離可達1200米以上。在條總線上可連接最多10個接收器和多個發送器，是一種可以單機發送、多機接收的單向平衡傳輸規范。表4TIAEIA一485標準的特性TAB4FEATURESOFTMIA485規格TIAEIA一485傳輸模式平衡電纜艮度90KBPS4000FT1200M電纜長度10MBPS50FT15M數據傳輸速率10MBPS最大差動輸出士6V最小差動輸出士15V接收器敏感度士02V發送器負載歐姆60Q最大發送器數量32單位負責最大接收器數量32單位負責RS485協議遵循“查詢一響應”模式，在查詢消息中的功能代碼告之被選中的從設備要執行何種功能，數據段包含從設備要執行功能的任何附加信息，錯誤檢測域為從設備提供了一種驗證消息內容是否正確的方法。如果從設備產生一正常響應，在回應消息中的功能代碼是在查詢消息中的功能代碼的響應，錯誤檢測域允許主設備確認消息內容是否可用。RS485通信協議時，在其串行數據單元規定的數據格式是8N1。當設備設為以遠程終端I玎U模式通信，在消息中的每個字節包含兩個4BIT的十六進制字符。這種方式優點是在同樣的波特率下可以比其他方式傳輸更多數據。每個通訊字節的位由低到高1個起始位，1個停止位，1個奇偶校驗位無校驗則無，8個數據位最小的有效位先發送，1位邏輯1的停止位，總共11位。圖11查詢一響應模式FIG11QUERY一RESPONSEMODEL表5通訊字節格式TAB5COMMUNICATIONSBYTEFORMAT0D0DLD2D3DD5D6D7PL起始位8個數據位偶校驗位停止位使用遠程終端R1W模式，消息發送至少要以35個字符時間T1T2T3T4的停頓間隔開始，傳輸的第一個域是設備地址。設備不斷偵測總線，包括停頓時間間隔，當第一個域地址域接收到，每個設備都進行譯碼，以判斷是否發送給自己，在最后一個傳輸字符之后，一個至少35個字符時間的停頓標志了消息結束，另一個新消息在此停頓之后開始。整個消息幀必須作為一連續的流傳輸，如果在幀完成之前有超過15個字符時間的停頓，接收設備將刷新不完整的消息，并假定下一字節是一個新的消息地址域。如果一個新消息在小于35個字符時間內開始，接收設備將認為它是前一消息的延續。這將導致一個錯誤，可以在后邊的CRC域里檢測出來。設備地址域AOA5當地址位為0時，為廣播地址，同時當從控制器接收到一陣數據時，地址域相同時應響應命令，取得總線控制權，當響應命令之后，把總線控制權還給主控器。命令碼執行操作的依據。校驗碼幀開始各個字節二進制算術和，不計溢出值。前導字節在發送信息之前發送1個或多個字節FEH，以喚醒接收方。數據域發送時數據加33H，接收時數據減33H。表6RTU消息幀格式FIG6IUUMESSAGEFRAMEFORMAT起始位設備地址域命令碼數據校驗結束符T1他T3T48BIT8BITN個8BIT16BITT1T2T3T428按鍵及顯示模塊的設計按鍵和顯示模塊是用來使電子式電能表內部運行系統與用戶進行交流的通道，在電子式電能表的設計中是比較重要的部件。通過它電力用戶能夠直觀方便的讀取本用戶消耗總電能的各項參數，具備自動抄表功能的電子式電能表或者是有預付費功能的電子式電能表中，用戶也可以直觀的觀測到電管部門對用戶電費收取情況和抄表情況。通過按鍵設置，用戶也可以更改電子式電能表面向用戶的使用功能。可以說，按鍵和顯示模塊設計的好壞決定了電子式電能表給電表用戶的使用印象的好壞，也決定了設計成果成為產品后能否得到迅速普及和推廣。281液晶顯示部分現在最常用的器件是發光二極管有源顯示LED和液晶顯示LCD兩種。發光二極管有源顯示LED是需要對顯示發光二極管施加電壓的主動發光顯示器件，液晶顯示LCD是控制所施加電壓光反射的顯示器件，使用壽命一般為500050000H。LED或LCD顯示包括有控制芯片以及背光燈、存儲器、通訊串口等結構組件。常見的LCD液晶顯示器有兩種結構一種是筆畫式或稱字段式液晶顯示器；另一種是點陣式液晶顯示器，點陣式液晶顯示器又可分為點陣字符式和點陣圖形式兩類。字段式液晶顯示器由分段型的顯示器件與專用集成控制電路構成，缺點是只能顯示數字和符號。點陣式液晶顯示器有點陣字符顯示器件和專用驅動器控制器構成，可以顯示數字和中西文字符或某些圖形。圖12按鍵顯示模塊電路連接FIG12KEYPADANDDISPLAYMODULECIRCUITCONNECTION282按鍵部分常見的鍵盤分編碼鍵盤和非編碼鍵盤，在應用MCU的各種系統中，使用最多的是靠軟件編程來識別的非編碼鍵盤。非編碼鍵盤又分為獨立鍵盤和矩陣式鍵盤。為了兼顧節約單片機引腳資源與為用戶提供足夠按鍵個數的要求，本設計采用的是4水4矩陣式鍵盤。由單片機PC引腳高四位控制鍵盤的行掃描，低四位控制鍵盤的列掃描。行線接上拉電阻至高電平，某一鍵按下，行線電平狀態將由該鍵的列電平決定。列電平為低，行線輸出為低；列電平為高，則行線輸出為高，單片機通過掃描PC引腳的第四位和高四位電平信號判斷按鍵位置。3三相自抄表電子式電能表的軟件設計總方案上電開始后首先進行參數設置等初始化程序，中斷源設置包括有掉電中斷、電源恢復中斷、抄表中斷、按鍵中斷等。在ATMEGA64芯片中可設置低功耗模式，主循環結束后為了節電芯片進入低功耗模式，在發生掉電、抄表、按鍵按下等外部中斷或100MS讀計量芯片ATT7022A電量參數信息等內部中斷情況時芯片被喚醒。主程循環中進行掉電檢測、抄表檢測以及各功能模塊的相關子程序。圖13主程序流程圖FIG13MAINPROGRAMFLOWCHART31初始化模塊程序中對ATT7022A的控制分兩部分，一是定時從計量芯片參數寄存器讀取各電參量數據，包括有功功率、無功功率、視在功率、電流有效值、電壓有效值等，這部分可根據電管部門的實際要求進行有選擇的讀取；其二是對電能量進行讀取。對用戶耗電量統計是電能表最重要的功能，ATT7022A芯片中負責電能統計累加的有累加型能量寄存器，累加型能量寄存器負責對電量脈沖進行累加計算，可以從000000到FFFFFF進行累加。在使用累加能量寄存器前，在溢出位之前設置一個能量最大值EMAX，此最大值代表的是單位累加電量值0OLKWH，即累加電量大于001KWH時電量存儲單元電量值遞增1個單位。ATMEGA64在與ATT7022A進行通信時，必須對SIG握手信號進行監控，在芯片上電或外界干擾使計量芯片復位時必須由單片機對計量芯片數據進行更新，以確保計量的準確性。由于在實際應用中為了配合電力部門對電力用戶電力管理多費率的要求，可配合時鐘信息進行分時段電量累加，在能量寄存器中對電量寄存位置按時段分配，以一個小時為一個時段，一天以24進行分配。在電量存儲時，脈沖累加大于E時，當前時段的寄存器單元相應的加1。這樣抄表時便可以對用戶耗電量進行分時段讀取。圖14電能計量管理流程圖FIG14ENERGYMEASUREMENTFLOWCHART32自抄表模塊為了實現遠程自動抄表，通信協議采用的是異步串行通信協議UART。I7ART總線是種通用串行數據總線，用于異步通信。該總線雙向通信，可以實現全雙工傳輸和接收。在嵌入式設計中，UAI玎用來與PC進行通信，包括與監控調試器和其它器件。通常的微處理器都集成有1路或多路硬件UART通道，可以非常方便地實現串行通訊。在工業控制、電力通訊、智能儀表等領域中，也常常使用簡便易用的串行通訊方式作為數據交換的手段。主程序相應代碼ORG0100HMAINMOVSP,60H；堆棧設置LCALLDIRRST；執行顯示復位程序LCALLKEYRST；執行鍵盤復位程序LCALLAT24RST；執行E2PROM復位程序LCALLAT24RSTI；執行復位程序LCALLDDJCRST；設置中斷LCALLDLCSRST；設置定時器MAIN1LCALLKEY；執行掃描程序MOVA,SEERCJNEA,SEE,MAIN3MOVA,1CJMEA,SEE,MAIN2SJMPMAIN4MAINMOVA,2CJMEA,SEE,MAIN5SJMPMAIN4MAIN3MOVSEER,SEELCALLLCDRESET；執行液晶顯示器復位程序MOVA,00HLCALLLCDFILLMAIN4LCALLDIR；執行顯示程序MAIN5LCALLICK；執行檢測及讀寫程序AJMPMAINEND4本設計中的主要抗干擾措施41電源電路部分電源電路設計時，電源電路穩壓部分的電源輸入和地單點相連，并且在穩壓管輸出端接4700F的濾波電容，電源上的干擾不會與進入整個系統。電源濾波電容要靠近芯片引腳，使信號先接濾波電容再接芯片電源引腳，且走線不要過細。利用導磁性能好的材料將電源變壓器外殼進行包裹，起到嚴密的屏蔽的作用，避免漏磁。在PCB板的電源與地之間并聯510F和O0101F的去耦電容，消除電源和和地之間的脈沖電流干擾。各個模塊分立式供電，每個硬件模塊的電源都是進行單獨的變壓、穩壓、濾波，這樣既提高了供電質量，避免單一模塊掉電影響其他部分供電，又能避免各個模塊的電源和地之間的耦合干擾。42單片機部分復位引腳跨接O01F電容，對電路進行濾噪和去耦，減少電源電路波動影響復位電路動作。晶振電路與單品機時鐘引腳盡量靠近，晶振外殼接地，并且避免布線時導線從晶振兩個引腳之間穿過。單片機的電源輸入引腳接O01F和100F電容，電容盡量與引腳靠近放置。43計量芯片部分ATT7022的第5引腳為電能信號采集輸入模塊提供24V的直流偏執電壓。該連接需要進行去耦來防止信號采集模塊和電能計量模塊間的信號耦合。采取并聯10F和O1UF電容進行去耦，并且電容靠近引腳，兩個電容接地點與電能信號采集模塊的接地盡可能短的連接在一起。ATT7022內部集成了AD轉換器，在模擬信號做完數字變換后，會產生多個的頻譜峰，為濾掉不需要的O5倍與采樣頻率的高頻分量部分，ATT7022的電流信道和電壓信道正負模擬輸入引腳連接12K電阻和O01F電容，構成了抗混疊濾波電路。連接筒ATT7022與ATMEGA64的SPI信號線是在電路板上相對較長的信號線，有可能受到干擾或出現抖動，在每根信號線上都串聯電阻值10電容值10PF的RC低通濾波器消除干擾和震蕩，防止誤讀誤寫。ATT7022具有多種電源和地線，如數模轉換部分的VCC與GND、與單片機通信部分的AVCC與AGND，所有數字地和模擬地就近連接在一起，不需要分開，保證大面積接地，這樣才能減小地線上的阻抗。ATT7022脈沖輸出線接外部設備時，通常線路走線會較長，為了吸收環路上的干擾信號，引腳CF1、CF2上放置去耦電容，且電容盡量靠近芯片引腳。44其他部分在自抄表模塊部分，由于通信線纜較長，為了避免通信線路上的干擾信號或噪聲對系統造成影響，在MAXL483與信號傳輸線纜之間進行光電隔離。這種方法隔絕了大部分外界干擾信號，還可以避免干擾產生的強電流或強電壓對內部系統的損害。在地線布線時，線寬盡量加大，以減小地線上的阻抗，避免地線上產生壓降導致信號電平不平穩。所有導線布線時，如果面積允許盡量使導線間距加大，尤其注意在信號回路中導線間距避免過小，以降低導線間的分布電容。交流電能采樣部分的電路布線區域與其他模塊布線區域間隔一定距離，以降低交變電流對其他元器件的干擾影響。由于PCB采用的是雙面板，在每面布線時盡量使走線垂直相交，以減少電磁耦布線時走線盡量用弧線或45度角代替直角折線，減少線路中的高頻信號和外界的耦合。電路板的布線面積要設計合理，既不太大也不太小。面積過大會使導線走線過長，增加導線阻抗，面積過小會導致元件之間的干擾效應增強。5結論與展望本課題根據電力行業發展對電能表設計的要求，研制丌發了一款全新的應用于三相電能計量的電子式電能表。在整個設計過程中，查閱了國內外最新電子式電能表研發信息，參照了眾多電力行業電能計量標準，目的在于使研發成果更加標準化、專業化，并且在研發成功之后能夠易于推廣和普及。儀器儀表的制造標準嚴格，設備性能指標要求高，應用在電力參數計量方向的電子式電能表的性能指標好壞勢必影響到企業效益和電網管理。盡管在新型電子式電能表的的設計當中花費了相當多的努力，盡量做到各方面完善且能夠直接投入實際應用，但是由于本人閱歷和時間有限，設計尚存許多不足本文的不足1本設計的一大特色是為電子式電能表添加了自動抄表的功能，系統通過特定的傳輸協議可以與上位機進行通信，實現自動抄表動作。但是由于篇幅所限，本設計僅僅對電子式電能表部分做了相關的硬件和軟件設計，沒有對自動抄表機或抄表PC機部分做相應的研究和設計，設計需要在這一部分進行完善，構建完整統一的抄表系統。2電子式電能表在應用當中會遇到許