【正文】 始(b)地址域A0～A5：地址域由6個字節(jié)構(gòu)成，可以為表號、資產(chǎn)號、用戶號、戶自行決定。(e)數(shù)據(jù)域DATA：數(shù)據(jù)域包括數(shù)據(jù)標識和數(shù)據(jù)、密碼等，其結(jié)構(gòu)隨控制碼的功能而改變。其值為16H＝00010110B。收到命令幀后的響應(yīng)延時Td：20ms≤Td ≤500ms,字節(jié)之間停頓時間Td：20ms≤Td ≤500ms。每次通信中只允許改變一次通信速率。 顯示、鍵盤模塊本設(shè)計采用的是LED數(shù)碼管顯示，顯示處理子程序，在主循環(huán)中每次刷新一次顯示數(shù)據(jù)，另外通過掃描按鍵來決定顯示內(nèi)容，沒有按鍵按下時，顯示循環(huán)顯示預(yù)設(shè)的內(nèi)容。 這部分主要是有關(guān)ATT7022B的程序設(shè)計[25]。復(fù)費率電表有峰、平、谷三個時段，分別對應(yīng)一天中不同的時間控制，分別記錄在不同的電能計量存儲單元中，每當(dāng)定時時鐘過一分鐘時，進行費率區(qū)間的判斷，然后將計量值存儲。費率轉(zhuǎn)換流程如圖：5 抗干擾設(shè)計 電子式電能表要求連續(xù)在電網(wǎng)上運行，其可靠性必須保證，否則會引起嚴重后果，而且電子式電能表容易受到電網(wǎng)干擾，因為本身都是電子器件，在電壓波動很大或者突然斷電的情況下，更容易丟失數(shù)據(jù)甚至死機或毀壞電表內(nèi)元器件。主要為電磁干擾。 干擾容易降低電能表的計量精度，導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集誤差的增大，干擾還能夠使CPU復(fù)位，導(dǎo)致計量脈沖的丟失，干擾有時會引起CPU中RAM區(qū)的內(nèi)容發(fā)生改變，使程序代碼跑飛，干擾有時會引起鐵電存儲器讀寫錯誤，可能會修改數(shù)據(jù)或者把內(nèi)部某個區(qū)的內(nèi)容完全丟失。3）所有引出脈沖端子都使用光耦進行隔離，可以切斷公共阻抗回路以避免長線感應(yīng)和共模干擾，并且也具有很強的抑制電磁干擾的能力，同時可以使系統(tǒng)遭受雷擊等高電壓的破壞。一般使用的方法有軟件陷阱、設(shè)置程序運行狀態(tài)標志、數(shù)據(jù)備份、輸出端口刷新、軟件看門狗等。如果程序跳到這些未用區(qū)域，就會執(zhí)行無條件跳轉(zhuǎn)指令，轉(zhuǎn)到相應(yīng)的程序出錯“跑飛”處理程序。6 結(jié)論與展望本課題針對目前電力系統(tǒng)的需求，設(shè)計了一款運行穩(wěn)定、可靠性高、通用性好、抗干擾能力強的多費率、高精度、長壽命多功能電子式電能表。在軟件設(shè)計過程中采用模塊化設(shè)計，功能模塊增減靈活性設(shè)計，各功能模塊實現(xiàn)分時處理的程序設(shè)計思想。主要存在以下幾點：系統(tǒng)只留有與監(jiān)測中心的計算機通信的接口，上位機程序有待補充，最好能夠發(fā)展智能化的專家處理系統(tǒng)。系統(tǒng)顯示采用了LED顯示，顯示資源有限，可以研究使用LCD液晶顯示。因此，多功能電能表在今后改進的方向應(yīng)該從這兩個方向入手。當(dāng)前正處于一個機械式電能表向電子式電能表轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵時期，更換數(shù)量相當(dāng)巨大，具有相當(dāng)深遠的應(yīng)用前景。居民用表也在逐步實現(xiàn)電子化，而我國企業(yè)、居民使用的電能表大多是機械型計度器式的，即使有部分份額的電子式電能表也是采用電子計量而機械計度器顯示的方式。 當(dāng)前GPRS無線通訊技術(shù)的發(fā)展相當(dāng)迅速，而新型的電能表的自動抄表也是一個研究的主要方向，將日漸成熟的GPRS無線通訊模塊加入到多功能電子式電能表當(dāng)中，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的無線傳輸，無線自動抄表將會有很大的應(yīng)用前景。本課題設(shè)計過程中，由于時間和試驗條件等因素限制，暫時還未實現(xiàn)此功能。本系統(tǒng)完整實現(xiàn)了帶有RS485通信與紅外通信、復(fù)費率等功能的多功能電能表。本文針對目前電能表的發(fā)展和研究方向，結(jié)合國內(nèi)外目前在多功能電能表領(lǐng)域中普遍采用的解決方案，從基于ATT7022B專用計量芯片系統(tǒng)設(shè)計入手，在分析用戶需求的基礎(chǔ)上，提出了多功能電能表的詳細設(shè)計方案，并簡單實現(xiàn)了該系統(tǒng)。 3）軟件看門狗看門狗電路在系統(tǒng)中已經(jīng)有硬件支持，這里提到的軟件看門狗，是和協(xié)同工作的，也就是在關(guān)鍵周期性執(zhí)行程序模塊中，可以設(shè)計多個軟件看門狗標志，在定時程序中，不斷掃描這些標志，看是否正常的運行，如果連續(xù)幾個周期沒有運行到該模塊，也即程序發(fā)生異常，可以使用硬件看門狗進行復(fù)位操作，確保程序不會跑飛。1）軟件陷阱在程序存儲器中總會有一些區(qū)域沒有使用，如果因干擾導(dǎo)致單片機的指數(shù)器PC值被錯置，程序跳到這些未用的程序存儲空間，系統(tǒng)就會出錯。5）變壓器隔離措施，另外，變壓器初級輸入端并接壓敏電阻，以提高抗壓作用。硬件抗干擾技術(shù)是系統(tǒng)設(shè)計首選的抗干擾措施，它能有效的保護系統(tǒng)，干擾給系統(tǒng)帶來的影響，在本系統(tǒng)中主要有：1）在硬件電路設(shè)計時，嚴格區(qū)分開模擬部分和數(shù)字部分。外部干擾是指與儀表結(jié)構(gòu)無關(guān)，是由外部環(huán)境和使用條件決定的，在電表所在系統(tǒng)中，主要指無線電干擾，雷電干擾，交流電動機和發(fā)電機的起動等；內(nèi)部干擾主要由電能表硬件設(shè)計布局及生產(chǎn)工藝決定，例如模擬數(shù)字部分的共地設(shè)計，多點接地的電位差引起的干擾，耦合電容，尖峰脈沖等干擾。本文分析了電子式電能表干擾的主要來源，并在硬件和軟件的設(shè)計中采用了多種抗干擾措施。2）判斷是在哪個時段，是否有效。ATT7022B即單片機通過SPI總線向芯片發(fā)送控制命令及數(shù)據(jù)。按鍵判斷前，須進行去抖措施，防止干擾造成誤操作。 通信響應(yīng)流程圖系統(tǒng)為每個通信設(shè)備(包括一個RS485和一個紅外)劃分一塊接收緩沖區(qū)和發(fā)送緩沖區(qū)。5）傳輸速率初始速率：1200bps。2) 傳輸次序：所有數(shù)據(jù)項均先傳送低位字節(jié)，后傳送高位字節(jié)。(f)校驗碼CS：從幀起始符開始到校驗碼之前的所有各個字節(jié)的模256的和，即各字節(jié)的二進制算術(shù)和，不計超過256的溢出值。D7=0：由主站發(fā)出的命令幀D7=1：由從站發(fā)出的命令幀D6=0：從站正確應(yīng)答D6=1：從站對異常信息的應(yīng)答D5=0：無后續(xù)數(shù)據(jù)幀D5=1：有后續(xù)數(shù)據(jù)幀 控制碼格式D4～D0：請求及應(yīng)答功能碼00000：保留00001：讀數(shù)據(jù)00010：讀后續(xù)數(shù)據(jù)00011：重讀數(shù)據(jù)00100：寫數(shù)據(jù)01000：廣播校時01010：寫設(shè)備地址01100：更改波特率01111：修改密碼10000：最多需量清零(d)數(shù)據(jù)長度L：L為數(shù)據(jù)域的字節(jié)數(shù)。(1)字節(jié)格式每字節(jié)含8位二進制碼，傳輸時加上一個起始位(0)、一個偶校驗位和一個停止位(1)，共11位。手持單元或其它數(shù)據(jù)終端為主站，電表裝置為從站。有效傳輸距離不小于1200 m。[20] 串行通信協(xié)議 1．物理層本層規(guī)定了數(shù)據(jù)終端設(shè)備或手持單元與電能表裝置之間的物理接口、接口的物理和電氣特性，負責(zé)物理媒體上信息的接收和發(fā)送。本設(shè)計中系統(tǒng)功能模塊由上電初始化模塊、通訊模塊、按鍵模塊、顯示模塊、電量處理模塊、事件記錄模塊、時段投切模塊、低功耗處理模塊組成。缺點是占用硬件資源較多，處理速度和效率沒有匯編高。單片機的開發(fā)流程如下：1. 程序編寫：可以在開發(fā)環(huán)境里錄入程序2. 編譯程序：負責(zé)把程序翻譯成機器碼 3. 程序下載：把機器碼下載到仿真板或開發(fā)系統(tǒng)上 開發(fā)環(huán)境支持匯編語言和C語言。軟件調(diào)試一般是聯(lián)機調(diào)試，經(jīng)常采用PC+在線仿真器+編程器或PC+模擬仿真軟件+編程器兩種方法[13]。輸出端的電容C2用于消除輸出電壓中的高頻噪聲，可取小于1μF的電容。在實際應(yīng)用中，電源的輸出端及一般接數(shù)十至數(shù)百微法的電解電容．本設(shè)計中全橋后選用1000μF/16v, LM78M05后用470μF/10v。濾波電路經(jīng)過單項橋式整流電路整流以后的到得是單相脈動電壓，包含有直流分量和交流分量。整流電路及其二極管的選擇本設(shè)計中采用三相橋式整流電路，每相整流電路由四只二極管組成。本設(shè)計中選用參數(shù)為20K681的壓敏電阻，當(dāng)電網(wǎng)電壓過高時電阻動作，可有效保護電路。電壓互感器TTT3的二次電壓分別經(jīng)過全波整流器BGBGBG3整流，再經(jīng)過LA、LB進行濾波處理得到+15V左右穩(wěn)定的電壓，三端電壓穩(wěn)壓器LM78M05將電壓變換成滿足單片機系統(tǒng)要求的+5V電壓。還有，由于它采用的是開關(guān)技術(shù)，因此如果在實驗室測試時可能會引起測試電源的波形畸變，造成測試不準確，甚至引起測試電源自激。由于電能表屬于不間斷工作的電力計量產(chǎn)品，對計量準確性、可靠性和抗干擾特性等有嚴格要求，因而其電源部分也是電子式電能表設(shè)計的關(guān)鍵部分。除了復(fù)位鍵由硬件響應(yīng)之外，其它用戶按鍵都連接在單片機的I/O口，儀表內(nèi)運行的軟件則通過查詢I/O口的狀態(tài)判斷某鍵是否被按下。友好的人機接口對于裝置的使用和維護非常重要，[23]本設(shè)計中的相關(guān)單元主要包括:鍵盤和LED顯示器。三個10KΩ的電阻為通信線提供上拉電阻。因此，選擇晶振時，應(yīng)該使其標稱負載電容盡量接近6pF，以得到最為精確的時鐘信號。DS1302具有以下一些特點：，主電源掉電后自動切換到備用電源，備用電源引腳提供涓流充電功能；、分、時、日、星期、月、年的能力，且可以進行自動閏年調(diào)整；，芯片外圍電路簡單；－；8位暫存數(shù)據(jù)存儲RAM，擴展了系統(tǒng)的RAM空間，兩種數(shù)據(jù)傳送方式：單字節(jié)傳送和多字節(jié)傳送。實時時鐘/日歷電路提供秒、分、時、日、星期、月、年的信息。 實時時鐘電路 時鐘芯片DS1302電能表要實現(xiàn)復(fù)費率功能，需要以時間為基準進行復(fù)費率數(shù)據(jù)處理，所以準確的實時鐘必不可少。(5)特強光及電場干擾屏蔽。TFMS5380特點：(1)單一的接收器和前置放大器的組合。第三行為BGI發(fā)射極的波形，當(dāng)TXD數(shù)據(jù)為0時有連續(xù)的脈沖串，而TXD數(shù)據(jù)為1時無脈沖出現(xiàn)。這樣就達到了用串行口TX輸出的串行數(shù)據(jù)信號直接調(diào)制載波,進行紅外數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪康摹Ｒ虼诵枰獙?shù)據(jù)“載”在頻率較高的載波信號上進行調(diào)制。[20] 紅外通信模塊[21]紅外通信以紅外線作為介質(zhì)來傳送數(shù)據(jù)信息，由紅外接收器和紅外發(fā)射器來完成信號的無線收發(fā)。本設(shè)計中選取電容均為10μF的電解電容。使用DCDC器件可以產(chǎn)生一組與微處理器電路完全隔離的電源輸出，用于向RS485收發(fā)器電路提供+5V電源。如果在總線上所有發(fā)送器被禁止，則接收器輸出邏輯0，這會誤認為通信幀的起始引起工作不正常。由于RS485通信載體一般采用雙絞線。另外，它的輸入阻抗為RS485標準輸入阻抗的2倍（≥24ＫΩ），故可以在總線上連接64個收發(fā)器。為了有效可靠地實現(xiàn)RS232與RS485之間的轉(zhuǎn)換，在該設(shè)計中，使用了TI公司生產(chǎn)的一種RS485接口芯片75LBC184,它使用單一電源Vcc，電壓在＋3～＋，能完成TTL與RS485之間的轉(zhuǎn)換。接收器接收平衡線上的電平范圍通常在200mV至6V之間。RS485具有多點、雙向通信能力，即允許多個發(fā)送器連接到同一條總線上，同時增加了發(fā)送器的驅(qū)動能力和沖突保護特性，擴展了總線共模范圍。： 圖 存儲器接線圖 通信模塊設(shè)計電能表經(jīng)通信模塊與外界進行數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)抄表數(shù)據(jù)傳輸、預(yù)置系統(tǒng)參數(shù)等功能。它的性能指標完全達到設(shè)計要求，解決了儀表中的設(shè)計憂慮。而AT24C16只有一百萬次讀寫。在存貯器領(lǐng)域中，F(xiàn)M24C16應(yīng)用逐漸被推廣和認可，尤其是大容量存貯器，它的優(yōu)良特性遠高于同等容量的EEPROM。因此儀表必須提供滿足上述要求的存儲手段。當(dāng)外部MCU通過SPI寫入較表數(shù)據(jù)后，SIG將立即變?yōu)楦唠娖?。注意CS、SCLK、DIN所串電阻和所并電容要盡量靠近芯片，DOUT所串電阻和所并電容要盡量靠近單片機。 ATT7022B與單片機的接口 ATT7O22B與單片機有6條連線，其中四條為SPI接口線:CS、SCK、DIN、DOU，一條ATT7022B的復(fù)位控制線RESET，一條握手信號線SIG。（2）電流輸入電流輸入采用元星TA20型精密交流電流互感器[17]，該系列電流互感器采用環(huán)氧樹脂灌封結(jié)構(gòu)，輸入線圈為內(nèi)置式，次級引線引出，安裝迅速、使用方便，體積小，精度高，電壓隔離能力強、安全可靠。該方式采用了互感器，可以將芯片與電網(wǎng)進行有效地隔離，從而獲得良好的抗干擾性。(以單相為例)： 圖 (a) 電壓采樣采用電流互感器圖 (b) 電流采樣單端輸入 電能表電壓電流采樣電路(1)電壓輸入電壓輸入采用元星電子公司生產(chǎn)的TV31B02型電流型電壓互感器[16]。一般電壓電流采樣有兩種方法：一是采用精密電阻輸入變換電路，進行分壓分流得到小電壓小電流；二是采用電壓電流互感器。GND：數(shù)字地引腳VDD：。 REVP：輸出端，當(dāng)檢測到任意相的有功功率為負時，輸出高電平。SCLK：輸入端口，SPI串行時鐘輸入（上升沿放數(shù)據(jù)，下降沿取數(shù)據(jù)）。REFOUT：，用作外部信號的直流偏置。V2P/V2N、V4P/V4N、V6P/V6N為輸入電壓信道的正、負模擬輸入引腳。有功、無功電能脈沖輸出CFCF2 提供瞬時有功、無功功率信息，可以直接接到標準表，進行誤差校正。電能測量單元的任務(wù)就是保證在各種負載條件下和各種電源質(zhì)量時，都能以較高的精度準確的測量有功電能量。而單片機的輸入最低允許電壓為4V，從而產(chǎn)生復(fù)位信號。WDI，看門狗輸入、輸出，控制內(nèi)部看門狗定時器。本設(shè)計選用帶有看門狗定時器和降壓檢測功能的低價格監(jiān)控芯片IMP813L[14]。其接線如圖（）所示： 為了通訊中波特率能為整數(shù)，根據(jù)單片機相關(guān)資料選擇相匹配的兩個電容容量均為30pF。欲使CPU僅訪問外部程序存儲器(地址為OOOOHFFFFH),端必須保持低電平(接地)。當(dāng)復(fù)位時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。其將通用的微處理器和Flash存儲器結(jié)合在一起，特別是可反復(fù)擦寫的Flash存儲器可有效地降低開發(fā)成本。 3個16位定時器/計數(shù)器216。 三級加密程序存儲器 216。 兼容MCS—51指令系統(tǒng)216。常用的8位單片機有很多種:如Intel公司的8051，8031系列及ATMEL公司的89系列[13]。主電源模塊采用通用的LM78M05。電能計量模塊包括電能采樣外圍電路，互感器分壓采樣。本文的后續(xù)章節(jié)將對系統(tǒng)總體方案、硬件模塊和軟件流程進行詳細深入的介紹。電能計量采用ATT7022B[12]，該芯片是三相電能專用計量芯片，其內(nèi)部集成了七路二階sigmadelta型AD轉(zhuǎn)換器。總之，采用數(shù)字乘法器來實現(xiàn)電能計量時，電路里必須有A/D轉(zhuǎn)換器，