【正文】 第一章 智能電能表概述 智能電能表是以微處理器或微控制器芯片(如單片機(jī))為核心的可以存儲大量的測量信息并具有對測量結(jié)果進(jìn)行實時分析、綜合和做出各種判斷能力的儀器。智能電能表一般具有自動測量功能，強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，進(jìn)行自動調(diào)零和單位換算功能，能進(jìn)行簡單的故障提示，具有操作面板和顯示器，有簡單的報警功能。 從結(jié)構(gòu)上來說，智能電能表是一個專用的微型計算機(jī)系統(tǒng)，它主要由硬件和軟件兩部分組成。 硬件部分主要包括信號的輸入通道，微控制器或微控制器及其外圍電路、標(biāo)準(zhǔn)通信接口、人機(jī)交換通道，輸出通道。輸入通道和輸出通道用來輸入輸出模擬量信號和數(shù)字量信號，它們通常由傳感器元件、信號調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器等組成。微控制器及其外圍電路用來存儲程序、數(shù)據(jù)并進(jìn)行一系列的運算和處理，通常包括程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器、輸入輸出接口電路等組成。人機(jī)交換通道是人與儀器相互溝通的主要渠道，它主要由鍵盤、數(shù)碼撥盤、打印機(jī)、顯示器等組成。標(biāo)準(zhǔn)通信接口電路用于實現(xiàn)儀器與計算機(jī)的聯(lián)系，以使儀器可以接受計算機(jī)的程控指令，目前用于智能電能表的通信接口主要有GPIB、RS232C等。 智能電能表的軟件部分主要包括監(jiān)控程序和接口管理程序兩部分。其中監(jiān)控程序面向儀器面板鍵盤和顯示器，通過鍵盤操作輸入并存儲所設(shè)置的功能、操作方式與工作參數(shù)。通過控制工/0接口電路進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)定的設(shè)置。對數(shù)據(jù)存儲器所記錄的數(shù)據(jù)和狀態(tài)進(jìn)行各種處理。以數(shù)字、字符、圖形等形式顯示各種狀態(tài)信息以及測量數(shù)據(jù)的處理結(jié)果。接口管理程序主要面向通信接口，其內(nèi)容是接受并分析來自通信接口總線的各種有關(guān)功能、操作方式與工作參數(shù)的程控操作碼，并通過通信接口輸出儀器的現(xiàn)行工作狀態(tài)及測量數(shù)據(jù)的處理結(jié)果，以響應(yīng)計算機(jī)的遠(yuǎn)控命令。與傳統(tǒng)電能表相比，智能電能表具有以下幾個主要特點: ①測量精度高，可以利用微處理器執(zhí)行指令的快速性和A/D轉(zhuǎn)換的時間短等特點對被測量進(jìn)行多次測量，然后求其平均值，就可以排除一些偶然的誤差與干擾，還可以通過數(shù)字濾波，剔除粗大誤差和隨機(jī)誤差的方法提高測量精度。 ②能夠進(jìn)行間接測量，智能電能表可以利用內(nèi)含的微處理器通過測量幾種容易測量的參數(shù)，間接地求出某種難以測量的參數(shù)。 ③能夠自動校準(zhǔn)，智能電能表在使用前進(jìn)行自動校準(zhǔn)，在測量過程中進(jìn)行校準(zhǔn)，從而減少誤差。 ④具有自動修正誤差的能力。 ⑤具有自診斷的能力，智能電能表若發(fā)生了故障，可以自檢出來，儀器本身還能協(xié)助診斷發(fā)生故障的根源。 ⑥能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的控制功能。 ⑦允許靈活地改變儀器的功能。 ⑧智能電能表一般都配有GPIB或RS232等接口，使智能電能表具有可程控操作的能力。從而可以很方便地與計算機(jī)和其他儀器組成用戶需要的多種功能的自動測量系統(tǒng)，來完成更復(fù)雜的測試任務(wù)。第二章 智能電能表的設(shè)計方法 智能電能表的硬件設(shè)計方法智能電能表中均含有微處理器或微控制器，在微處理器或微控制器的外圍進(jìn)行設(shè)備的擴(kuò)展如程序存儲器ROM、數(shù)據(jù)存儲器RAM、鍵盤、顯示器、報警裝置和通信口。作為一個完整的智能電能表還應(yīng)包括輸入通道和輸出通道。智能電能表實際上是一個微型計算機(jī)系統(tǒng)，它是具有微處理器或微控制器的，并有標(biāo)準(zhǔn)總線接口的新型儀器。不同功能的智能電能表由不同部件組合而成。智能電能表的監(jiān)控程序固化在程序存貯器EPROM、ROM、EEPROM等中，被測參量通過傳感器將非電量變換成電量，然后經(jīng)過信號處理和模數(shù)轉(zhuǎn)換后變?yōu)槲⑻幚砥髂苤苯幼R別的數(shù)字信號。所采集的數(shù)據(jù)或從鍵盤上輸入的數(shù)據(jù)以及經(jīng)過一定的算法運算后的數(shù)據(jù)均暫存于片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器RAM中。智能電能表的控制部分一般分兩種情況，一是微處理器接受鍵盤輸入的命令后，不需經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換器，直接由接口輸出控制信息和數(shù)據(jù)信息，去控制一些執(zhí)行機(jī)構(gòu)。微處理器鍵盤LCD/LEDA/D轉(zhuǎn)換信號調(diào)理傳感器被測量參量報警裝置ROM或EPROM或EEPROMSRAM或DRAM或NVSRAM或FLASHMemoryD/A驅(qū)動器模擬執(zhí)行裝置RS232（接口）智能電能表硬件設(shè)計各功能環(huán)節(jié)如下: 微處理器或微控制器微處理器和微控制器在智能電能表中都是智能電能表的心臟，它們的結(jié)構(gòu)、特性對智能電能表的性能影響很大。微處理器也是一種通用器件，如果給予足夠的外部支持電路和處理時間，它幾乎可以完成任何任務(wù)，數(shù)據(jù)處理和控制是微處理器的兩個主要用途。根據(jù)智能電能表控制功能和測量功能的不同選用合適的單片機(jī)作為智能電能表的核心，從而提高智能電能表的整體性能。 傳感器傳感器是將外界輸入的被測量信號變換成電信號的元器件或裝置。它作為信息獲取的工具和手段，在測量控制型智能電能表中占據(jù)了極其重要的地位。傳感器能轉(zhuǎn)換信息存在的能量形式，通常是將其他能量形式轉(zhuǎn)換成電量形式，以便進(jìn)一步加工處理，傳感器的輸出往往總是電信號。這主要是電信號較容易地進(jìn)行放大、反饋、濾波、積分、微分、存儲及遠(yuǎn)距離傳送等操作。 信號調(diào)理信號調(diào)理裝置是通過電子線路來實現(xiàn)模擬信號處理，一般包括放大、濾波、整形、檢波、信號轉(zhuǎn)換等功能環(huán)節(jié)。信號調(diào)理的目的是對傳感器輸出的電信號進(jìn)行必要的處理以滿足信號處理后繼環(huán)節(jié)的需要，使其輸出信號適應(yīng)A/D轉(zhuǎn)換等環(huán)節(jié)的工作。信號調(diào)理可以改善信號質(zhì)量，還可以補(bǔ)償傳感器的非線性，提高信噪比，增強(qiáng)信號的環(huán)境抗干擾能力等。 A/D轉(zhuǎn)換器微處理器能處理的信號應(yīng)是數(shù)字信號，因此，在智能電能表的輸入通道中加入能把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的芯片即A/D轉(zhuǎn)換器。但并不是所有的輸入通道都要加入A/D轉(zhuǎn)換器，而是只有模擬量輸入通道，而且輸入微處理器的信號不是頻率量而是數(shù)字碼時，才用到A/D轉(zhuǎn)換器。使用A/D轉(zhuǎn)換器時應(yīng)先根據(jù)輸入通道的總誤差，選擇A/D轉(zhuǎn)換器的精度及分辨率。根據(jù)信號對象的變化率及轉(zhuǎn)換精度要求，確定A/D轉(zhuǎn)換速度，以保證智能電能表的實時性要求，對快速信號必須考慮采樣/保持電路。在選用A/D時還應(yīng)考慮智能電能表所處的環(huán)境選擇A/D轉(zhuǎn)換器的環(huán)境參數(shù)。不同A/D轉(zhuǎn)換器有不同的輸出狀態(tài)，應(yīng)根據(jù)計算機(jī)的接口特性選擇輸出狀態(tài)。 D/A轉(zhuǎn)換器微處理器輸出的數(shù)字控制信號通過D/A轉(zhuǎn)換，將離散時刻輸出的控制信號轉(zhuǎn)換成為離散模擬信號，為實現(xiàn)智能控制創(chuàng)造了必要條件。在D/A轉(zhuǎn)換接口設(shè)計中主要考慮的問題是D/A轉(zhuǎn)換芯片的選擇、數(shù)字量的碼輸入及模擬量的極性輸出、參考電壓電流源、模擬電量輸出的調(diào)整與分配等。選擇D/A芯片時，主要考慮芯片的性能、結(jié)構(gòu)及應(yīng)用特性。在性能上必須滿足D/A轉(zhuǎn)換的技術(shù)要求:在結(jié)構(gòu)和應(yīng)用特性上應(yīng)滿足接口方便，外圍電路簡單，價格低廉等要求。 智能電能表的通信接口智能電能表一般都設(shè)置有通信接口，以便能夠?qū)崿F(xiàn)程控、方便地構(gòu)成自動測試系統(tǒng)。目前國際上采用的智能電能表的標(biāo)準(zhǔn)接口有GPIB，RS232等,本設(shè)計采用RS232接口。 RS232C標(biāo)準(zhǔn)通信接口RS232C總線標(biāo)準(zhǔn)接口是目前最常用的串行通信總線接口，其邏輯電平是對地對稱的，與TTL、MOS邏輯電平完全不同。邏輯0電平規(guī)定為+5~+15V之間，邏輯1電平是5V~15v之間。因此，RS232C驅(qū)動器與TTL電路連接必須經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換芯片有MC1488，75188(從TTL到RS232C的電平轉(zhuǎn)換)。MC1489，75189(從RS232C到TTL的電平轉(zhuǎn)換)。還有MAXIM的MAXZOZ、MAX232等等。在當(dāng)今的信息化時代，用于其他信息裝置的通信技術(shù)也同樣可用于嵌入式智能電能表。它主要有這樣一些通信技術(shù): PCI總線PCI總線技術(shù)為CPU和板上外設(shè)之間提供方便的高速通信連接，工作頻率為33MHz()。PCI對于連接到它上面的器件是具有即插即用的高速總線。從理論上來說，可以有多達(dá)256個PCI功能器件同時掛到一個PCI總線上。但由于總線負(fù)載問題，同一個PCI總線上只能掛4到8個器件。價廉的PCI芯片組和廣泛應(yīng)用的PCI外設(shè)可以促使PCI總線成為嵌入式領(lǐng)域的事實上的總線標(biāo)準(zhǔn)。 USB總線通用串行總線(USB)是一種外設(shè)總線標(biāo)準(zhǔn)。它為所有的USB外設(shè)提供一種通用的連接，其數(shù)據(jù)率為12Mbits/S。USB特別適合于需要高數(shù)據(jù)率和易于即插即用的應(yīng)用。需要保證帶寬和有限執(zhí)行時間的應(yīng)用包括PC電話和其他語音及視頻通信應(yīng)用。除了這些新的多媒體設(shè)備外，USB也用于傳統(tǒng)的I/O設(shè)備。 IEEE1394高速串行總線IEEE1394是高速串行總線，其數(shù)據(jù)率為25400Mbits/s，它是作為通用外設(shè)串行總線而設(shè)計的。纜線型1394總線可支持63個器件。纜線越長它所能夠處理的數(shù)據(jù)率就越低。一般長度為幾米，IEEE1394和USB都是串行協(xié)議，然而USB和IEEE1394比其競爭技術(shù)由更大的技術(shù)互補(bǔ)性，USB屬于低帶寬到中帶寬，而IEEE1394屬于中到高帶寬。 智能電能表的軟件設(shè)計方法智能電能表硬件電路確定之后，儀器的主要功能由軟件實現(xiàn)。相應(yīng)的軟件有采集、采集控制、數(shù)據(jù)處理、顯示、結(jié)果打印等。智能電能表的軟件設(shè)計需要有一個細(xì)致全面的過程。一般先是清楚的列出智能電能表系統(tǒng)各系統(tǒng)部件與軟件設(shè)計的有關(guān)特點，并進(jìn)行定義和說明，以作為軟件設(shè)計的根據(jù)。在此基礎(chǔ)上寫出軟件的功能流程圖，程序流程圖。再將程序流程圖的一列操作用機(jī)器碼或匯編語言或高級語言譯成處理器能處理的機(jī)器代碼。查錯和調(diào)試是智能電能表軟件設(shè)計中找出并改正邏輯錯誤或與硬件有關(guān)的程序錯誤的關(guān)鍵。在所有的工作完成之后還要進(jìn)行文件編制。置A轉(zhuǎn)移上電復(fù)位初始化系統(tǒng)測試正常？提示符顯示鍵掃描鍵按下？散轉(zhuǎn)01鍵功能程序N鍵功能程序02鍵功能程序鍵功能程序準(zhǔn)備程序命令狀態(tài)查詢條件控制轉(zhuǎn)移系統(tǒng)控制程序循環(huán)轉(zhuǎn)移等待轉(zhuǎn)移復(fù)位轉(zhuǎn)移、鍵功能程序和系統(tǒng)控制程序。同時，為了與軟件結(jié)構(gòu)相配合，還必須將程序存儲器(ROM)和數(shù)據(jù)存儲器(RAM)實現(xiàn)規(guī)劃。 智能電能表的抗干擾方法智能電能表是以微處理器為核心的微機(jī)測量控制系統(tǒng)，因此智能電能表在許多場合都是與計算機(jī)控制系統(tǒng)或DCS(集散控制系統(tǒng))聯(lián)系在一起的。智能電能表在不同的應(yīng)用場合所受到干擾也各不相同，當(dāng)儀器在運行時所受到的干擾超過一定限度時就會嚴(yán)重影響智能電能表的可靠性，甚至嚴(yán)重影響工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場，因此在設(shè)計智能電能表時要注意智能電能表的抗干擾設(shè)計。微機(jī)測控系統(tǒng)的抗干擾技術(shù)在智能電能表的抗干擾技術(shù)中是同樣適用的，主要分為硬件抗干擾技術(shù)和軟件抗干擾技術(shù)。硬件抗干擾技術(shù)主要包括濾波技術(shù)(無源濾波和有源濾波)、去耦技術(shù)、屏蔽技術(shù)、隔離技術(shù)、接地技術(shù)等。竄入智能電能表的干擾，其頻譜往往很寬，且具有隨機(jī)性，采用硬件抗干擾方法，只能抑制某個頻率段的干擾，仍有一些干擾會侵入系統(tǒng)。因此，除了采取硬件抗干擾方法外，還要采取軟件抗干擾措施。為確保CPU中的程序正常運行，常常采用如下抗干擾措施:軟件濾波(數(shù)字濾波技術(shù))可以剔除模擬輸入信號中的虛假信號，求取真值； 除了可以使用硬件看門狗電路強(qiáng)制單片機(jī)從死機(jī)狀態(tài)回復(fù)到正常運行外，還可以采用軟件看門狗電路或軟硬結(jié)合的看門狗技術(shù)。軟件看門狗技術(shù)的基本思路是:在主程序中對T0中斷服務(wù)程序進(jìn)行監(jiān)視。在T1中斷服務(wù)程序中對主程序進(jìn)行監(jiān)視；T0中斷監(jiān)視T1中斷。第三章 智能電能表的硬件設(shè)計電能表是一種計量某一段時間內(nèi)通過的電能的累積值的表計。電子式電能表，也稱為靜止式電能表，它也就是“電流和電壓在固態(tài)(電子)器件中作用而產(chǎn)生與瓦時數(shù)成比率輸出的儀表”。這里主要介紹根據(jù)智能小區(qū)家庭型用戶電能計量系統(tǒng)的要求設(shè)計的一種智能型多功能復(fù)費率電能表。復(fù)費率電能表是一種根據(jù)用電的峰時、平時、谷時各時段的設(shè)定值計算用戶總的用電量和峰時、平時、谷時的用電量的電能表，使供電局能實施峰時、平時、谷時各時段不同的計費標(biāo)準(zhǔn)。用經(jīng)濟(jì)手段鼓勵用戶在低谷時段用電。這也正好符合電力計費系統(tǒng)提出的分時段計費的要求