【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 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(guò)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)。智能電能表硬件設(shè)計(jì)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(duì)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(shí)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(gè)主要用途。根據(jù)智能電能表控制功能和測(cè)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(cè)量信號(hào)變換成電信號(hào)的元器件或裝置。它作為信息獲取的工具和手段，在測(cè)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(hào)。這主要是電信號(hào)較容易地進(jìn)行放大、反饋、濾波、積分、微分、存儲(chǔ)及遠(yuǎn)距離傳送等操作。 信號(hào)調(diào)理信號(hào)調(diào)理裝置是通過(guò)電子線路來(lái)實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)處理，一般包括放大、濾波、整形、檢波、信號(hào)轉(zhuǎn)換等功能環(huán)節(jié)。信號(hào)調(diào)理的目的是對(duì)傳感器輸出的電信號(hào)進(jìn)行必要的處理以滿足信號(hào)處理后繼環(huán)節(jié)的需要，使其輸出信號(hào)適應(yīng)A/D轉(zhuǎn)換等環(huán)節(jié)的工作。信號(hào)調(diào)理可以改善信號(hào)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(hào)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(hào)應(yīng)是數(shù)字信號(hào)，因此，在智能電能表的輸入通道中加入能把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)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(hào)不是頻率量而是數(shù)字碼時(shí)，才用到A/D轉(zhuǎn)換器。使用A/D轉(zhuǎn)換器時(shí)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(hào)對(duì)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(shí)時(shí)性要求，對(duì)快速信號(hào)必須考慮采樣/保持電路。在選用A/D時(shí)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(jì)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(hào)通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換，將離散時(shí)刻輸出的控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成為離散模擬信號(hào)，為實(shí)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(jì)中主要考慮的問(wèn)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(shí)，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(jiǎn)單，價(jià)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(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。目前國(guó)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(jì)采用RS232接口。1. 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(duì)地對(duì)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(dòng)器與TTL電路連接必須經(jīng)過(guò)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(shí)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):2. 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(duì)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(lái)說(shuō)，可以有多達(dá)256個(gè)PCI功能器件同時(shí)掛到一個(gè)PCI總線上。但由于總線負(fù)載問(wèn)題，同一個(gè)PCI總線上只能掛4到8個(gè)器件。價(jià)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(shí)上的總線標(biāo)準(zhǔn)。3. 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(shí)間的應(yīng)用包括PC電話和其他語(yǔ)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。4. 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(jì)的。纜線型1394總線可支持63個(gè)器件。纜線越長(zhǎng)它所能夠處理的數(shù)據(jù)率就越低。一般長(zhǎng)度為幾米，IEEE1394和USB都是串行協(xié)議，然而USB和IEEE1394比其競(jìng)爭(zhēng)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(jì)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(shí)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(jì)需要有一個(gè)細(xì)致全面的過(guò)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(jì)的有關(guān)特點(diǎn)，并進(jìn)行定義和說(shuō)明，以作為軟件設(shè)計(jì)的根據(jù)。在此基礎(chǔ)上寫(xiě)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(yǔ)言或高級(jí)語(yǔ)言譯成處理器能處理的機(jī)器代碼。查錯(cuò)和調(diào)試是智能電能表軟件設(shè)計(jì)中找出并改正邏輯錯(cuò)誤或與硬件有關(guān)的程序錯(cuò)誤的關(guān)鍵。在所有的工作完成之后還要進(jìn)行文件編制。圖4 智能電能表的典型結(jié)構(gòu)圖如圖4所示智能電能表的軟件結(jié)構(gòu)按功能可分為準(zhǔn)備程序、鍵功能程序和系統(tǒng)控制程序。同時(shí)，為了與軟件結(jié)構(gòu)相配合，還必須將程序存儲(chǔ)器(ROM)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM)實(shí)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(cè)量控制系統(tǒng)，因此智能電能表在許多場(chǎng)合都是與計(jì)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(chǎng)合所受到干擾也各不相同，當(dāng)儀器在運(yùn)行時(shí)所受到的干擾超過(guò)一定限度時(shí)就會(huì)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(chǎng)，因此在設(shè)計(jì)智能電能表時(shí)要注意智能電能表的抗干擾設(shè)計(jì)。微機(jī)測(cè)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(wú)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(gè)頻率段的干擾，仍有一些干擾會(huì)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(yùn)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(hào)中的虛假信號(hào)，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(yùn)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(duì)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(duì)主程序進(jìn)行監(jiān)視；T0中斷監(jiān)視T1中斷。第三章 電源模塊設(shè)計(jì)電源模塊由變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓、四部分組成使干擾脈沖的數(shù)量和幅度有所減少，并加裝專用的電源監(jiān)控電路由于智能電表要求能夠停電喚醒，智能電表的電源供給: 一是由火線和零線的主電壓提供電源，另一部分是由在主電源無(wú)效的情況下提供備用鋰電池電源，以滿足電表 時(shí)鐘芯片和液晶顯示的需要 電表提供多種省電模式: 睡眠深度睡眠掉電深度掉電，以滿足各種優(yōu)先級(jí)中斷的喚醒。電源電路是整個(gè)系統(tǒng)能穩(wěn)定工作的前提和關(guān)鍵，系統(tǒng)中的各個(gè)單元電路都需要使用直流電源供電，本設(shè)計(jì)采用自制電源供電方式，將220V交流市電通過(guò)電源變壓器變換成交流低壓，再經(jīng)過(guò)橋式整流電路整流和濾波，在固定式三端穩(wěn)壓器的兩端形成一個(gè)并不十分穩(wěn)定的直流電壓，此直流電壓經(jīng)過(guò)W7805的穩(wěn)壓和電容的頻率補(bǔ)償，便在穩(wěn)壓電源的輸出端產(chǎn)生了精度高、穩(wěn)定度好的直流輸出電壓。自制電源原理如圖5所示：圖5 +5V直流電源的設(shè)計(jì) 前端電路調(diào)理模塊的設(shè)計(jì)對(duì)于系統(tǒng)的前端電壓調(diào)理部分，我們采用變比為2mA/2mA的電流互感器和高精度電阻作為輸入電路部分電路如圖6所示。系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用220V的市電電壓輸入，首先外接Rx=110k電阻得到2mA的電流，然后通過(guò)變比為2mA/2mA的互感器，然后在二次側(cè)連接1個(gè)125Ω的定值電阻得到所需的輸入電壓，可以為CS5460A提供電壓信號(hào)，不超出芯片的測(cè)量范圍。當(dāng)然電阻R2值可以根據(jù)不同的電壓來(lái)調(diào)整。并加入RC濾波網(wǎng)絡(luò)對(duì)信號(hào)初步濾波，并加入放抖動(dòng)電容保護(hù)芯片。 電流調(diào)理部分采用變比2000：1 的電流互感器，然后經(jīng)一精密電阻將電流信號(hào)轉(zhuǎn)變成電壓信號(hào)。并加入RC濾波網(wǎng)絡(luò)對(duì)信號(hào)初步濾波，并加入放抖動(dòng)電容保護(hù)芯片。經(jīng)變換后的補(bǔ)測(cè)信號(hào)以差模電壓的形式接到CS5460A的模擬信號(hào)輸入端。由于互感器角差的影響，可能造成輸入信號(hào)的相移，使功率測(cè)量的誤差增大。而CS5460A 具有相位補(bǔ)償功能（176。至+176。的相位補(bǔ)償，176。），可以大大減小互感器角差的影響。圖6前端調(diào)理電路第四章 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)智能電表的功能眾多，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，如 12月歷史電量數(shù)據(jù)事件記錄數(shù)據(jù)凍結(jié)量數(shù)據(jù)等 所選用的存儲(chǔ)芯片必須容量夠大，可靠性高，保存時(shí)間長(zhǎng)，功耗低 所以采用的存儲(chǔ)單元不僅應(yīng)具有低功耗待機(jī)工作電流小，而且需要有存儲(chǔ)容量大擦寫(xiě)次數(shù)多過(guò)電能表使用年限數(shù)據(jù)保存時(shí)間長(zhǎng)的特點(diǎn)。Ⅰ、AT24C01簡(jiǎn)介 AT24C01是美國(guó)ATMEL公司的低功耗CMOS串行EEPROM，它內(nèi)含2568位存儲(chǔ)空間，具有工作電壓寬（～）、擦寫(xiě)次數(shù)多（大于10 000次）、寫(xiě)入速度快（小于10ms）等特點(diǎn)。AT24C01中帶有片內(nèi)尋址寄存器。每寫(xiě)入或讀出一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)后，該地址寄存器自動(dòng)加1，以實(shí)現(xiàn)對(duì)下一個(gè)存儲(chǔ)單元的操作。所有字節(jié)都以單一操作方式讀取。為降低總的寫(xiě)入時(shí)間，一次操作可寫(xiě)入多達(dá)8字節(jié)的數(shù)據(jù)。圖7為AT24C01的引腳圖。各引腳功能如下：圖7 AT24C01的引腳圖SCL:串行時(shí)鐘。在該引腳的上升沿時(shí)，系統(tǒng)將數(shù)據(jù)輸入到每個(gè)EEPROM器件，在下降沿時(shí)輸出。SDA：串行數(shù)據(jù)。該引腳為開(kāi)漏極驅(qū)動(dòng)，可雙向傳送數(shù)據(jù)。