【正文】 制型紅外光接口，而非接觸式紅外光接口，載波頻率為38KHz，傳輸速率為2400bPs。2．數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)鏈路負責數(shù)據(jù)終端設(shè)備與電表裝置之間通信鏈路的建立。本協(xié)議為主－從結(jié)構(gòu)的半雙工通信方式。手持單元或其它數(shù)據(jù)終端為主站，電表裝置為從站。通信鏈路的建立與解除均由主站發(fā)出的信息幀來控制。每幀由幀起始符、從站地址域、控制碼、數(shù)據(jù)長度、數(shù)據(jù)域、幀信息縱向校驗碼及幀結(jié)束符等7個部分組成。每部分由若干字節(jié)組成。(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。，先傳低位，后傳高位。 字節(jié)傳輸序列 （2）幀格式表41 信息幀格式說明代碼字節(jié)數(shù)幀起始符68H1地址域A0A56控制碼C1數(shù)據(jù)長度域L1數(shù)據(jù)域DATA隨控制碼而變檢驗碼CS1結(jié)束符16H1(a)幀起始符68H：標識一幀信息的開始(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。(c)控制碼C：。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)。讀數(shù)據(jù)時L200，寫數(shù)據(jù)時L50，L=0表示無數(shù)據(jù)域。(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。傳輸時發(fā)送方按字節(jié)進行加33H處理，接收方按字節(jié)進行減33H處理。(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。(g)結(jié)束符16H：標識一幀信息的結(jié)束。其值為16H＝00010110B。(3)傳輸1) 前導字節(jié)：在發(fā)送幀信息之前，先發(fā)送1～4個字節(jié)FE，以喚醒接收方。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)。3) 傳輸響應(yīng)：每次通信都是由主站向按信息幀地址域選擇的從站發(fā)出請求命令幀開始，請求的從站根據(jù)命令幀中控制碼的要求作出響應(yīng)。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。4）差錯控制：字節(jié)校驗為偶校驗，幀校驗為縱向信息校驗和，接收方無論檢測到偶校驗出錯或縱向校驗和出錯，均放棄該信息幀，不予響應(yīng)。5）傳輸速率初始速率：1200bps。標準速率：300，600，1200，2400，4800，9600bps。每次通信中只允許改變一次通信速率。 (4)應(yīng)用層應(yīng)用層詳細描述了在進行讀數(shù)據(jù)、讀后續(xù)數(shù)據(jù)、重讀數(shù)據(jù)、寫數(shù)據(jù)、廣一播校時、寫設(shè)備地址、更改通訊速率、修改密碼以及最大需量清零時，主站請求幀格式以及從站在各種情況下應(yīng)答的幀格式。 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)。接收數(shù)據(jù)時，各個通信設(shè)備的接收中斷將接收的數(shù)據(jù)放到各自的接收緩沖區(qū)，等待任務(wù)級通信處理調(diào)用規(guī)約分析對其進行處理；發(fā)送數(shù)據(jù)時，將所需發(fā)送的數(shù)據(jù)進行打包放在發(fā)送緩沖區(qū)中，等待發(fā)送中斷將發(fā)送緩沖區(qū)內(nèi)容發(fā)出。 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)顯示預設(shè)的內(nèi)容。鍵盤模塊通過直接掃描單片機I/O端口是否為低電平來判斷是否有鍵按下，如果有，找對應(yīng)鍵的操作功能。按鍵判斷前，須進行去抖措施，防止干擾造成誤操作。其流程圖如下。 這部分主要是有關(guān)ATT7022B的程序設(shè)計[25]。其程序流程圖如下:ATT7022B串口初始化包括配置寄存器、控制寄存器的設(shè)定以及校準寄存器的初始化。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)。計算完電流后，可以將所得電流值與預先設(shè)置的限定電流值比較，若用戶電流大于限定值，則通過斷開繼電器，給用戶斷電，保護線路安全。復費率電表有峰、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。[22]具體過程為：1）在主程序中讀費率時間到達的標志，讀出費率時段。2）判斷是在哪個時段，是否有效。3）記錄時段號，查找當前費率，將對應(yīng)的總功電量、以及正向有功電量和正向無功電量存儲到相應(yīng)位置。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。智能測量系統(tǒng)工作的可靠性大部分取決于抗干擾設(shè)計。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。[18] 形成干擾的基本要素包括各種產(chǎn)生干擾的器件，設(shè)備，信號源等。主要為電磁干擾。干擾按照其來源不同分為外部干擾和內(nèi)部干擾。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。電能表本身的CPU，存儲器及其他外圍電路都是容易收到干擾的對象。 干擾容易降低電能表的計量精度，導致數(shù)據(jù)采集誤差的增大，干擾還能夠使CPU復位，導致計量脈沖的丟失，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。干擾會引起輸入\輸出接口的狀態(tài)變化，在電能表中，因為模擬電路和數(shù)字電路都在系統(tǒng)中使用，不同回路間相互會引進干擾，尤其是工頻干擾。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。 2）電源和地線盡量設(shè)計較粗的導線，而且平行鋪線。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。4）硬件看門狗IMP813L電路，可以提供周期性檢測，在此期間內(nèi)，一定要給出喂狗信號，否則看門狗將產(chǎn)生復位操作，使CPU復位。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。軟件系統(tǒng)的可靠性設(shè)計能很大程度上抑制外來干擾。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。通過軟件系統(tǒng)的可靠性設(shè)計，達到最大限度的降低干擾對系統(tǒng)的影響，確保CPU及時發(fā)現(xiàn)因干擾導致程序出現(xiàn)的錯誤，并使系統(tǒng)恢復到正作狀態(tài)或及時報警的目的。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。軟件是在程序存儲器的未使用的區(qū)域中，加上若干條空操作和無條件跳轉(zhuǎn)指令，軟件跳轉(zhuǎn)指令指向程序“跑飛”處理子程序的入口地址。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。除程序未用區(qū)域，還可以在程序段之間（如子程序之間及一段處理程序完成后）及一頁的末尾處插入軟件陷阱，效果會更好。 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位操作，確保程序不會跑飛。4）延時去抖由于本系統(tǒng)中使用按鍵，所以延時去抖處理是必要的，每次檢測按鍵端口的狀態(tài)，延時去抖后，再檢測按鍵值與前一次相同，確定按鍵端口態(tài)處于穩(wěn)定，這時可以讀出狀態(tài)值。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。課題涉及電測、計算機、通信、信息處理等多學科領(lǐng)域，是理論結(jié)合實際，技術(shù)研究與工程設(shè)計緊密結(jié)合的實際課題。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)。本文將多功能電能表整體設(shè)計分成3部分：系統(tǒng)硬件各個模塊部分，軟件各個模塊部分，系統(tǒng)抗干擾設(shè)計部分。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。系統(tǒng)從硬件與軟件兩個方面進行了看干擾設(shè)計，盡量保證系統(tǒng)運行穩(wěn)定性。本系統(tǒng)完整實現(xiàn)了帶有RS485通信與紅外通信、復費率等功能的多功能電能表。由于個人的閱歷、實踐經(jīng)驗有限，以及主觀性綜合考慮欠妥等，在課題研究設(shè)計和論文闡述中也存在一些不足。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)。智能儀表一般需要工作在各種各樣的環(huán)境中，由于各種因素造成電表運行環(huán)境的溫差很大，溫度帶來的計量誤差在以后的高精度表中是不能忽略的，因此溫度誤差自動補償功能在高精度表中是必不可少的。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。兼容問題有待進一步研究和加強。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。此課題雖為多功能電能表設(shè)計，但由于時間及個人能力所限，有待擴展的功能較多，如反竊電研究、預付費等功能可以開發(fā)。 當前GPRS無線通訊技術(shù)的發(fā)展相當迅速，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。目前越來越多的大功率非線性用電設(shè)備的使用，使電網(wǎng)污染非常嚴重，已威脅到電表的計量精度，對諧波的測量也就成為必然。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。目前，世界各國電網(wǎng)關(guān)口和工商用戶電能表基本上已全部更新為電子式電能表。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?，F(xiàn)在，電子式液晶顯示電能表的技術(shù)基礎(chǔ)已經(jīng)相當成熟，居民用表實行單相復費率、三相復費率表改造也是當務(wù)之急。當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)量相當巨大，具有相當深遠的應(yīng)用前景。參考文獻[1] 孫方漢．電能計量及其管理．北京：中國水利水電出版社，2005 [2] 黃偉．電能計量技術(shù)．北京：中國電力出版社，2004 [3] 鄭堯．電能計量技術(shù)手冊．北京：中國電力出版社，2002[4] 雷文．電能計量．北京：中國電力出版社，2004[5] 康廣庸．電能計量裝置故障接線分析模擬與檢測．北京：中國水利水電出版社，2007[6] 邱炳正．交流電能表錯誤接線100例解析．第三版．北京：中國計量出版社，2005 [7] ：中國電力出版社，2003[8] ：[華東理工大學碩士學位論文].上海：華東理工大學，2003[9] ：中國電力出版社，1998[10] TLC1543C/I/Q10Bit AnalogTODigital Converter with Serial Control and 11 Analog Inputs[11] ：[合肥工業(yè)大學碩士學位論文].合肥：合肥工業(yè)大學，2004 [12] 珠海炬力集成電路設(shè)計有限公司．ATT7022應(yīng)用手冊[13] 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