【正文】 電子式電能表結(jié)構(gòu)圖如圖 ,首先通過 V取樣與 I 取樣電路檢測出負(fù)載的電壓值和電流值 ,然后經(jīng)過乘法器轉(zhuǎn)換成功率數(shù)據(jù) (P=VI。采樣分直流和交流采樣兩種。 當(dāng)采樣輸入信號為正弦波時，測量時域、頻域信號的算法有導(dǎo)數(shù)算法、半周 期算法等。 對于大多數(shù)電子式電能表，電能計量的原理基本相同，主要包括對電壓和電流的實時采樣，將采樣得到的電壓和電流值相乘，計算出有效值、有功功率、無功功率等。計量單位是千瓦小時 (簡稱度 )。根據(jù)上面所說得到 RC500 接口電路如圖 。 MF RC500 的 ALE 為帶施密特觸發(fā)器的地址鎖存使能信號 ,接單片機(jī)的地址鎖存信號。 MF RC500 的 NRD／ NDS 為帶施密特觸發(fā)器的讀禁止，數(shù)據(jù)選通禁止信號，接單片機(jī)的讀信號 RD。 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 23 圖 天線部分電路圖 射頻讀寫模塊 RC500 的接口電路 MF RC500 的 AD0~AD7 為帶施密特觸發(fā)器的雙向數(shù)據(jù)和地址復(fù)用總線，接單片機(jī)AT89C52 的 AD0~AD7。小環(huán)天線有方形、圓形、橢圓形、三角形等，本系統(tǒng)采用方形設(shè)計。然后，通過同軸線纜即可無損失且無輻射地將功率從讀寫器末級傳送到匹配電路。閱讀器又具有一定的源阻抗。 一般的天線設(shè)計要達(dá)到如下要求： (1)使天線線圈的電流最大，用于產(chǎn)生最大的磁通量； (2)功率匹配，以最大程度地利用產(chǎn)生磁通量的可用能量； (3)足夠的帶寬，以便無失真地傳送用數(shù)據(jù)調(diào)制的載波信號。為了驅(qū)動天線， MF RC500 通過 TX1 和 TX2 端提供 6MHz 的能量載波，并根據(jù)寄存器的設(shè)定對發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制得到發(fā)送的信號。 TVDD為發(fā)送器電源電壓。 VMID:為模擬參考電壓。然后數(shù)據(jù)發(fā)送到并行接口由微控制器進(jìn)行讀取。天線拾取的信號經(jīng)過天線匹配電路送到 RX 腳。根據(jù)寄存器的設(shè)定對發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制得到發(fā)送的信號。 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 22 第三章 硬件設(shè)計 射頻讀寫 模塊設(shè)計 RC500 的天線設(shè)計 非接觸式天線使用以下 4個管腳：如表 。 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 21 本設(shè)計中使用一個 9 針的連接器，其引腳排列功能如表 。限為 2V。 圖 RS232串口 接口的電氣 特性：在 RS232C 中任何一條信號線的電壓均為負(fù)邏輯關(guān)系。 RS232C標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，驅(qū)動器允許有 2500pF 的電容負(fù)載，通信距離將受此電容限制，例如：采用 150pF/m 的通信電纜時，最大通信距離為 15m；若每米電纜的電容量減小，通信距離可以增加。 RS232C 總線標(biāo)準(zhǔn)設(shè)有 25 條信號線，包括一個主通道和一個輔助通道，在多數(shù)情況下主要使用主通道，對于一般雙工通信，僅需幾條信號線就可實現(xiàn)，如一條發(fā)送線、一條接收線及一 條地線。 RS232C 是美國電子工業(yè)協(xié)會 EIA（ Electronic Industry Association）制定的一種串行物理接口標(biāo)準(zhǔn)。 (8)VDD:為正電源輸入，范圍是 ~。 (6)OSC:外接決定掃描周期的電容端。 (5)ENB:使能端。 (3)DATA:數(shù)據(jù)輸入端。 (1)a ~ g ， h:段碼及小數(shù)點驅(qū)動端， NPN 發(fā)射極輸出。當(dāng) ENB 由高變底時， MC14499 的寄存器開始接受串行數(shù)據(jù)。 MC14499 能接受 20 位數(shù)據(jù)的串行輸入， 16 位用作四位 LED 顯示， 4 位用作小數(shù)點顯示。此器件主要有 1 個 20位移位寄存器、 1 個鎖存器、 1 個多路輸出器。 MC14499 簡介及工作原理 MC14499 是由 MOTOROLA 公司生產(chǎn)的高集成度 LED 顯示驅(qū)動器，采用動態(tài)掃描方式顯示驅(qū)動 4 個 LED 數(shù)碼管。因此，用 MC14499 組成單片機(jī)的顯示電路，具有占用單片機(jī)軟件資源小，不再再外加電路即可與單片機(jī)協(xié)調(diào)工作，使用靈活方便，電路簡單可靠等特點。 圖 24LC256 引腳圖 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 19 顯示模塊的選擇 MC14499 驅(qū)動、掃描、時鐘于 一體。所有封裝皆為無鉛（霧錫）封裝。大部分容量為 128 位到 16 千位的器件還提供 5 引腳 SOT23 封裝。 功能性地址線允許連接到同一條總線上的器件數(shù)目最多可達(dá) 8個。A 和 1mA。該系列器件支持 2線串行接口，以 x8位存儲器塊進(jìn)行組合。 存儲器選擇 存儲器選擇 24LC256EEPROM。當(dāng)這個平均有功功率信息進(jìn)一 步被累加，就能獲得電能計量信息。這個過程中所有的信號處理都是由數(shù)字電路完成的，因此具有優(yōu)良的溫度和時間蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 18 穩(wěn)定性。為了得到有功功率分量（即直流分量），只要對瞬時功率信號進(jìn)行低通濾波就行了。電流通道中的 HPF濾掉電流信號中的直流分量，從而消除了由于電壓或者電流失調(diào)所造成的有功功率計算上的誤差。 ADE7755 的模擬輸入結(jié)構(gòu)具有寬動態(tài)范圍，大大簡化了傳感器接口（可以與傳感器 直接連接），也簡化了抗混疊濾波器的設(shè)計。電源檢測電路對模擬電壓連續(xù)監(jiān)控 ,如果其值低于 4土 ,ADE7755將被復(fù)位 ,以保證器件在上電和斷電時能正確啟動。 F1 和 F2 表示平均有功功率 ,可用來直接驅(qū)動機(jī)電式計數(shù)器或微處理器 (MCU)接口。 HPF 輸出的數(shù)字量與電壓通道 ADC 轉(zhuǎn)換后的數(shù)字 量相乘后再經(jīng)過一個低通濾波器 (LPF),以便提取有功功率分量。 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 17 ADE7755 的工作原理 圖 AD7755 內(nèi)部結(jié)構(gòu) ADE7755 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 所示 ,ADE7755 主要包括兩路 16位 Z 一△ ADC, 用于將電流傳感器和電壓傳感器輸出的電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。 ? F2， F1，低頻邏輯輸出引腳，其輸出頻率反映平均有功功率的大小。 ? CF，頻率較驗輸出引腳。該引腳應(yīng)連接到印刷電路板的數(shù)字接地面，數(shù)字接地面是所有數(shù)字電路（如機(jī)械或數(shù)字計數(shù)器、微控制器和 LED 顯示器的接地參考點。該輸出的邏輯狀態(tài)隨 CF 輸出脈沖同時變化。時，該引腳輸出邏輯高電平。 ? NC，懸空。 ? CLKOUT，如上所述，可把一個石英晶體接在 CLKIN 和 CLKOUT 之間，提供一個時鐘源。 ? CLKIN，外部時鐘可從該引腳接入，也可把一個石英晶體接在 CLKIN 和 CLKOUT 之間，提供時鐘源，規(guī)定時鐘頻率為 。 ? S1， S0，這兩個引腳的邏輯輸入用來選擇數(shù)字 /頻率轉(zhuǎn)換系數(shù)， 這為電度表的設(shè)計提供了很大靈活性。 ? SCF，校驗頻率選擇。為了有效地抑制噪聲，模擬接地面與數(shù)字接地面只應(yīng)有一點連接。 ? AGND，這是 模擬電路（即 ADC 和基準(zhǔn)源）的接地參考點，該引腳應(yīng)連接到印刷電路板的模擬接地面。無論用內(nèi)部還是外部基準(zhǔn)源，該引腳都應(yīng)使用 10181。8%，典型溫度系數(shù)為 30ppm/℃。 ? REFIN/OUT,基準(zhǔn)電壓的輸入、輸出引腳。 ? RESET 復(fù)位引腳。兩個引腳內(nèi)部都有 ESD 保護(hù)電路，這兩個引腳能承受177。這兩個引腳相蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 16 對于 AGND 的最大信號電平為177。 470mV。 ? NC（ 6號引腳），與 6腳短接 ? V1P， V1N，通道 1（電流通道）的正、負(fù)模擬輸入引腳。 5%，當(dāng)使電源的紋波和噪聲減小到最低程度，該引腳應(yīng)使用 10181。 ? AVDD，模擬電源引腳。當(dāng)該引腳輸入 高電平時，通道 1（電流通道）內(nèi)的 HPF 被選通，該濾波器所涉及的相位響應(yīng)在 45Hz 至 1kHz 范圍內(nèi)在片內(nèi)已得到補償。 5%，該引腳應(yīng)使用 10181。 ADE7755 引腳功能 ADE7755 有 24只引腳 ,以 DIP 和 SSOP 形式封裝 （ 1） 管腳排列圖如下： 圖 ADE7755 管腳排列圖 （ 2） 管腳功能說明 ? DVDD，數(shù)字電源引腳。 9%。它只在 ADC 和基準(zhǔn)電路中使用了模擬電路，其他的信號處理都由數(shù)字電路完成，這使得在惡劣的環(huán)境下仍然可以保持極高的準(zhǔn)確度和長時間的穩(wěn)定性，通過引腳 F F2 以低頻形式輸出有功功率的平均值，可以直接驅(qū)動機(jī)電式計數(shù)器，或者與微控制器接口，從引腳 CF 以高頻形式輸出有功功率的瞬時值，用于電能計量表的校準(zhǔn)。 表 并行接口 名稱 類型 功能 D0 ? D7 帶施密特觸發(fā)器的 I/O 雙向數(shù)據(jù)總線 A0 ? A2 帶施密特觸發(fā)器的 I/O 地址線 NWR/RNW 帶施密特觸發(fā)器的 I/O 寫禁止 /只讀 NRD/NDS 帶施密特觸發(fā)器的 I/O 讀禁止 /數(shù)據(jù)選通禁止 NCS 帶施密特觸發(fā)器的 I/O 片選禁止 ALE 帶施密特觸發(fā)器的 I/O 地址鎖存使能 IRQ 輸出 中斷請求 電能計量模塊選用 ADE7755。如表 。 (4)串行信號開關(guān) :串行信號開關(guān)用于橋接芯片數(shù)字電路和模擬電路兩部分 ,兩部分電路的輸入 / 輸出和外部應(yīng)用所需的輸入 / 輸出可以靈活組合。 (3)復(fù)位管腳 : RSTPD為復(fù)位管腳，該管腳禁止了內(nèi)部電流源和時鐘并使 MF C500從微控制器總線接口脫開。 (2)輔助管腳 : MF RC500的第 27腳 AUX為輔助管腳可選擇內(nèi)部信號驅(qū)動該管腳。 通過快速片內(nèi)緩沖區(qū)連接到 OSCIN和 OSCOUT。這使得最大操作距離可達(dá) 100 mm，接收器可以檢測到并解碼非常弱的應(yīng)答信號 MF RC500 管腳及其引腳功能簡介 MF RC500 管腳如圖 。當(dāng)與 Mifare Standard和 Mifare通信時 ,使用高速 CRYPTOI流密碼單元和一個可靠的非易失性密匙 存儲器 。支持的幀包括 CRC和 奇偶校驗 。即使采用成本非常低的器件也能滿足高速非接觸式通信的要求。 MF RC500的并行微控制器接口自動檢測連接的 8位并行接口的類型。 FIFO緩沖區(qū)、中斷 、數(shù)據(jù)處理單元、狀態(tài) 控制單元 、安全和密碼控制單元、模擬電路接口及天線接口。方便的并行接口可直接連接到任何 8 位微處理器，這樣給讀卡器終端的設(shè)計提供了極大的靈活性。數(shù)字部分處理 ISO14443A 幀和錯誤檢測。內(nèi)部的發(fā)送器部分不需要增加有源電路就能夠直接驅(qū)動操作近距離的天線（可達(dá) 10cm）。該芯片利用了先進(jìn)的調(diào)制和解調(diào)概念，完全集成了在 下所有類型的被動非接觸式通信方式和協(xié)議。射頻芯片是非接觸式讀寫器的關(guān)鍵部分。非接觸式 IC 卡是根 據(jù)射頻電磁感應(yīng)原理產(chǎn)生的，它的讀寫操作只需將卡片放在讀寫器附近一定的距離之內(nèi)就能實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，無需任何接觸，使用中非常方便、快捷、不易損壞，因此，在公交、門禁、校園、企事業(yè)人事管理、娛樂場所等方面得到廣泛的應(yīng)用。 MF RC500 的簡介及其原理 在 IC 卡讀寫機(jī)具領(lǐng)域中，可以降低成本的部分主要是讀寫器具有的核心讀寫模塊。在這個電容另一端，接有一個單向?qū)щ姷碾娮颖?，將電容?nèi)的電荷送到另一個電容內(nèi)存儲。這是與射頻卡實現(xiàn)無線通信的核心模塊，也是讀寫器讀寫 Mifare 卡的關(guān)鍵接口芯片。它是一個小型的最大操作距離達(dá) 100mm 的Mifare 讀 /寫設(shè)備的核心器件，其功能包括調(diào)制、解調(diào)、產(chǎn)生射頻信號、安全管理和防碰撞機(jī)制。并且操作簡單，可以與任何單片機(jī)兼容，所以我們選擇 MF RC500 做為讀 /寫模塊。該讀卡 IC 系列利用了先進(jìn)的調(diào)制和解調(diào)概念，完全集成了在 下所有類型的被動非接觸式通信方式和協(xié)議。目前我國引進(jìn)的射頻 IC 卡主要有 PHILIPS 公司的 Mifare 和 ATMEL 公司的 Temic 卡。 射頻讀寫模塊的選擇 非接觸 IC 卡是根據(jù)射頻電磁感應(yīng)原理，它的讀寫操作只需將卡片放在讀寫器附近一定的距離之內(nèi)就能實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，無需任何接觸，使用非常方便、快捷、不易損壞。 ALE/PROG 管腳當(dāng)訪問外部程存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時， ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低 8 位字節(jié)。 表 P3 口的端口第二功能 端口引腳 第二功能 RXD 串行輸入口 TXD 串行輸出口 INTO 外中斷 0 INT1 外中斷 1 TO 定時 /計數(shù)器 0 T1 定時 /計數(shù)器 1 WR 外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通 RD 外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通 RST 管腳為復(fù)位輸入。此時，被外部拉低的 P3 口將用上拉電阻輸出電流。 P3 口輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流） 4 個 TTL 邏輯門電路。在訪問 8 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器時， P2 口輸出 P2 鎖存器的內(nèi)容。對端口 P2 寫“ 1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口，作輸入口使用時，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流。 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 11 圖