【正文】 one of this tariff system. The paper first introduced energy meter development39。s goal function， pared to the advantages and disadvantages of various system construction39。s design. According to need of function， TI39。s MCU and design energy meter39。s circuit and improve the system39。s precision： the use of LCD module III provides friendly peoplemachine interface： In the analysis of current monly used system work construction and the disadvantage and advantage of the embedded turning on plan ， the topic determine the system39。s own need， carried on the approprite cutting out to TCP/IP protocol stack not only simplified the TCP/IP protocol but also satisfied the work munication39。 目前 ， 全國一些省份存在電力供應(yīng)不足 ， 這不但阻礙了經(jīng)濟(jì)的發(fā)展 ， 也妨礙了人民的生活 。 電能表是當(dāng)前電量計量和經(jīng)濟(jì)結(jié)算的主要工具 ， 隨著現(xiàn)代檢測技術(shù)、電氣與電子技術(shù)的不斷發(fā)展 ， 使人們能 夠開發(fā)出功能更多、準(zhǔn)確度更高的電能計量裝置 。 數(shù)字儀表的發(fā)展歷程 儀表技術(shù)的發(fā)展過程和一般事物發(fā)展的趨勢一樣 ， 經(jīng)歷了一個從低級到高級的過程 。 二十世紀(jì)五十年代 ， 儀表技術(shù)發(fā)展取得突破 ， 數(shù)字技術(shù)的出現(xiàn)使得各種數(shù)字儀表得以問世 ， 將模擬儀表的精度、分辨力 和測量速度提高了好幾個數(shù)量級 ， 為實現(xiàn)測試自動化打下 堅實的基礎(chǔ) 。 進(jìn)入七十年代 ， 計算機(jī)技術(shù)進(jìn)一步滲入 ， 使儀表在傳統(tǒng)的時域與頻域之外 ， 出現(xiàn)了數(shù)據(jù)域測試 ， 被測系統(tǒng)的信息載體為二進(jìn)制數(shù)據(jù)流 ，儀表前面板向鍵盤化方向發(fā)展 。 它 2 內(nèi)含微處理器 ， 以微處理器為核心 ， 具有信息、處理、數(shù)據(jù)處理、顯示記錄、傳輸與測 量過程自動控制等一系列功能 ， 甚至還具有輔助專家推斷分析與決策 ， 人們習(xí)慣上把這種儀表稱為智能儀表 。 智能儀表憑借其體積小、功能強(qiáng)、功耗低等優(yōu)勢 ， 迅速地在科研領(lǐng)域和運用領(lǐng)域得到廣泛的運用 。 智能儀表一般具有自動測量的功能和強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力 ， 具有進(jìn)行自動調(diào)零和單位換算的功能 。 從結(jié)構(gòu)上看 ， 智能儀表是一個專用的微控制系統(tǒng) 。 被測參量傳感器多路模擬開關(guān)放大電路A / D轉(zhuǎn)換單片機(jī)D A C驅(qū)動器模 擬執(zhí) 行裝 置通 信 接 口E E P R O MR A M鍵 盤 顯 示 器 打 印 機(jī) 報 警 設(shè) 備圖 11 智能儀表的系統(tǒng)框圖 硬件部分包括輸入通道、微控制器及其外圍模塊、標(biāo)準(zhǔn)通信接口和輸出通道 。 智能儀表的軟件部分主要包括測控程序和接口管理程序兩部分 。 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的各種有關(guān)功能操作方式與工作參數(shù)的程序操作碼 ， 并通過通信接口輸出儀表的實時工作狀態(tài)及測量數(shù)據(jù)的處理結(jié)果 ， 響應(yīng)計算機(jī)的遠(yuǎn)程控制命令 。 儀表的整個測量過程如鍵盤掃描、量程選擇、開關(guān)啟動閉合、數(shù)據(jù)的采集、傳輸與處理以及顯示和打印都用單片機(jī)來控制操作 ，實現(xiàn)測量過程的自動化 。 包括自動調(diào)零、自動故障與狀態(tài)檢測、自動校準(zhǔn)、自 動診斷及量程自動轉(zhuǎn)換等 。 這是智能儀表的主要優(yōu)點之一 。 4. 測量精度高 。 5. 具有友好的人機(jī)界面 ， 智能儀表通過使用鍵盤代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀表中的切換開關(guān) ， 操作人員只需通過鍵盤輸入命令 ， 實現(xiàn)預(yù)定功能 。 6. 具有可程控操作的能力 ， 智能儀表一般配有 GPIB， RS232， RS485 以及現(xiàn)場總線等標(biāo)準(zhǔn)的通信接口 ， 可以很方便地和計算機(jī)或其他儀表組成用戶需要的多種功能的測量系統(tǒng) ， 來完成復(fù)雜的測試任務(wù) 。 自從二十世紀(jì)五十年代末第一塊集成 電路問世以來 ， 集成電路從在一個芯片上只有幾個晶體管發(fā)展到今天有幾十億個晶體管的規(guī)模 。 過去一塊 PCB 板、一個機(jī)箱、一個機(jī)柜的儀表 ， 今天可以集中在單個芯片上 ， 系統(tǒng)設(shè)計已經(jīng)從傳統(tǒng)的 PCB 設(shè)計進(jìn)展到專用 VLSI 芯片的設(shè)計 ， 這對儀表技術(shù)的智能化有著重大影響 。 專用集成電路 ASIC 的出現(xiàn) ， 為這一要求的實現(xiàn)奠定了基礎(chǔ) 。 2. 計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展對儀表智能化的影響 自從迅猛發(fā)展的計算機(jī)技術(shù)及微電子技術(shù)滲透到儀表技術(shù)領(lǐng)域 ， 便使該領(lǐng)域的面貌不斷更新 。 數(shù)據(jù)信息也稱為數(shù)字信息 或數(shù)值信扁、 文字字符信息又統(tǒng)稱為非數(shù)字信息 。 3. 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展對儀表智能化的影響 5 進(jìn)入二十一世紀(jì) ， 以 Inter 為代表的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的迅速發(fā)展及相關(guān)技術(shù)的 日益完善 ， 突破了傳統(tǒng)通信方式的時空限制和地域障礙 ， 使更大范圍內(nèi)的通信變得十分容易 ， Inter 擁有的硬件和軟件資源正在越來越多的領(lǐng)域中得到 應(yīng)用 ， 與 此同時 ， 高性能、高可靠性、低成本的網(wǎng)關(guān)、路由器、中繼器及網(wǎng)絡(luò)接口芯片等網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)設(shè)備的不斷進(jìn)步 ， 又方便了 Inter、不同類型測控網(wǎng)絡(luò)、企業(yè)網(wǎng)絡(luò)間的互聯(lián) 。 伴隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展 ，Inter 技術(shù)正在逐漸向智能儀表設(shè)計領(lǐng)域滲透 ， 實現(xiàn)智能儀表基于 Inter 的通訊能力以及對設(shè)計好的智能儀表進(jìn)行遠(yuǎn)程升級、功能重置和系統(tǒng)維護(hù) 。 虛擬儀表由計算機(jī)硬件、應(yīng)用軟件和儀表硬件三 部分構(gòu)成 ， 通過軟件將計算機(jī)硬件資源與儀表硬件有機(jī)融合為一體 ， 把計算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和儀表硬件的測量、控制能力結(jié)合在一起 ， 通過軟件實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的 顯示、存儲以及分析處理 。 虛擬儀表的主要特征是 ： 1. 靈活性 。 隨著測量需要的變化 ，用戶可以方便地增加硬件或軟件組成部分 ， 或者重新配置現(xiàn)有的硬件與軟件組成部分 。 虛擬儀表既有儀表硬件的功能 ， 又有計算機(jī)硬件的功能 ， 更有 計算機(jī)軟件的功能 ， 現(xiàn)有硬件發(fā)展迅速 ， 軟件技術(shù)也在不斷發(fā)展 ， 所以虛擬儀表比傳統(tǒng)儀表功能大為增強(qiáng) ： 6 3. 使用方 便 ， 易于維護(hù) 。 虛擬儀表由需要部分專用硬件和軟件 ， 目前比較貴 ， 但是由于虛擬儀表主要采用量大面廣的普通計算機(jī)硬件和強(qiáng)大而成熟的軟件環(huán)境 ， 可實現(xiàn)靈活的儀表功能而具有重用性 ， 所以具有優(yōu)異的性能價格比和良好的應(yīng)用前景 。 國內(nèi)外電能表技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀 1. 電能表概述 1880 年 ， 湯姆斯 .愛迪生根據(jù)電解原理發(fā)明了電能表 ， 但它只適用于對直流電 能的測量 。 1889 年 ， 人們根據(jù)意大利的費拉里斯教授提出的感應(yīng)式電能表原理成功地制造出了交流電能表 即感應(yīng)式電能表 。 到十九世紀(jì)末 ， 經(jīng)過諸多科學(xué)家的努力 ， 研究出較完整的感應(yīng)式電能表制造理論 。 二十世紀(jì)六十年代 ， 為了擴(kuò)充電能表的使用功能 ， 出現(xiàn)了感應(yīng)式脈沖電能表 。 但并沒根本上改變感應(yīng)式電能表的缺點 。 電子式電能表利用電子線路把單相或三相交流功率轉(zhuǎn)換成脈沖或其它數(shù)字量 。 熱電變換型利用電能的熱效應(yīng)產(chǎn)生熱量 ， 再利用熱 電元件把熱能轉(zhuǎn)換成一個正比于電功率的電信號 ， 熱電變換型電能檢測方式成本較高 ， 適用于制造高精度儀表 ， 7 不適合大規(guī)模生產(chǎn) 。 時分割乘法器型電能表因其成本低 ， 精度好而得到廣泛運用 ， 但一般適用于生產(chǎn)普通電能表 ， 它的主要障礙在于功能擴(kuò)展比較困難 。 模擬 /數(shù)字型電能表在精度、功能擴(kuò)展、啟動電流、頻率的響應(yīng)等方面都適于研制開發(fā)多功能電能表 ， 因此獲得廣泛運用 。 2. 我國電能表技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀 我國 20 世紀(jì) 70 年代開始用電子式電能表 ， 先是依靠進(jìn)口 ， 到 8090 年代國內(nèi)已經(jīng)能夠生產(chǎn) %級電子式電能表 。 在市場經(jīng)濟(jì)下 ， 人們對電能的計量的準(zhǔn)確度越來越高 ， 對用電的管理要實現(xiàn)智能化和自動化 ， 這些都是感應(yīng)式電能表無能為力的 。 3. 國外電能表技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀 國外電能表技術(shù)的發(fā)展主要集中在電子式電能表的計量芯片上 ， 而計量芯片的核心是乘法算法的實現(xiàn)方式 。 電能表未來的發(fā)展趨 勢是計 量部分模塊化 ， 并能直接給出所有高精度的測量參數(shù) ， 以及控制部分功能擴(kuò)展 。 本章小結(jié) 本選題所要研制的單相多功能電能表擬解決以往此類電表普遍存在的精度差、功能有限、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本偏高等問題 ， 本課題選擇美國德州儀表公司 (TI)的 MSP430單片機(jī)作為電能表的微處理器 ， MSP430 是超低功耗的 16 位單片機(jī) ， 采用精簡指令集 。 本單相多功能電表由輸入轉(zhuǎn)換部分、單片機(jī)部分、通信部分和輸出部分組成 。 在研制過 程中 ， 精度、可靠性、功耗是側(cè)重點 ， 并充分考慮產(chǎn)品化的需要 ， 采取了一些有利于推廣的措施 。 第 二 章 總體方案 10 電能表實際上就是一個自動化測控系統(tǒng) ， 設(shè)計時需要一個總體設(shè)計方案 ， 以便后面具體設(shè)計工作的開展 。 它與計量的區(qū)別在于 ： 計量是以確定值為目的的一組操作 。 按被測量值的獲取方法 ， 測量可以分為三類 ： 直接測量、間接測量和組合 測量法 。 間接測量法是通過對被測量有函數(shù)關(guān)系的二個或三個以上的相關(guān)量的測量而得到被測量值的測量方法 。 電能參數(shù)的測量 電壓、電流測量 周期性電壓、電流的瞬時值是隨時變化的 ， 所以一般用有效值表征它們的作功能力并度量其“大小” ， 如電流有效值的定義是一個周期性電流的作功能力和直流電流的作功能力相比 ， 則有 ： 在相同時間 T內(nèi)周期電流 I流過電阻 R 所做的功與直 流電流 I 流過電阻所做功相等 ， 就稱此直流電流的量值為此周期電流的有效值 。 根據(jù)周期性連續(xù)函數(shù)有效值的定義 ， 將電壓、電流函數(shù)離散化 ， 得 ??? Nn nuNV 1 2 )(1 (式 23) )(1 1 2 niNI Nn??? (式 24) 式中 u(n)和 I(n)分別表示被測電壓、電流信號離散采樣值 。 在含有儲能元件電感 L或電容 C 的正弦交流電路里 ， 電阻元件 (以及反電動勢負(fù)載 )的端電壓與端電流方向總是相同的 ， 其瞬時功率都為正 ， 它把電能轉(zhuǎn)化成其它形式的能量 。 所以 ， 儲能元件能量的轉(zhuǎn)換是雙向的、 12 可逆的 ， 在一個 周期內(nèi)的平均功率等于 O。 無功功率反映了儲能元件 L 或 C在一周期內(nèi)能量交換的規(guī)模 ， 即電能與磁場能或電場能交換的規(guī)模 ， 其規(guī)模大小用能量交換的最大速率來表示 。 式 (25)經(jīng)離散化可得 ??? Nn ninuNP 1 )()(1 （式 26） 注意 ((26)式對正弦電路是完全適用的 。 為功率因數(shù) ， 它反映了有功功率與視在功率 S=叮的比值 ， 而在物理上功體現(xiàn)為正弦的電壓波形與電流波形之間的相位差 。 表示 ， 在這種情況下如何求得非正弦電路的無功功率 。 2. 視在功率法 實際運用中 ， 電網(wǎng)還存在一些諧波成分 ， 用式 (210 )計算無功功率將產(chǎn)生較大誤差 ， 因此應(yīng)該用下述方法進(jìn)行無功功率的計算 。 多費率電能表的原理 多費率電能表又稱為分時計費電能表或復(fù)費率電能表 ， 它可按預(yù)定的峰、谷、平時段的劃分 ， 分別計量高峰、低谷、平段的用電量 ， 從而對不同時段的用電量采用不同的電價 。 多 功能電能表的費率結(jié)構(gòu)按照電能表的技術(shù)要求 ， 主要規(guī)定了不同的費率結(jié)構(gòu) ，采用不同的費用結(jié)算方式 ， 對電能表來說 ， 需要存儲費率結(jié)構(gòu)的各種數(shù)據(jù)表格 ， 包括日費率表、周費率表、季節(jié)費率表和節(jié)假日費率表等 ， 這些表格不是孤立存在 ，而是一個有機(jī)的整體 ， 通過軟件判斷 ， 選擇合適的費率 ， 實現(xiàn)分時計費的功能 。 t 時刻 tUUn ?sin? 則電流為 )sin( ?? ?? tIin （ 式 212） tt ?? 時刻電壓采樣值 )s in (1 ?? ??? tUU n （ 式 213） tt ?? 時刻電壓采 樣值 )