1 引言

　　電能表作為體現(xiàn)電力部門經(jīng)濟(jì)效益的唯一計(jì)量器具,，需要其能正確反映供電與用電的情況。目前,，一般的家用全電子式的電能表[1,2]，大多數(shù)采用專用計(jì)量芯片設(shè)計(jì)電量計(jì)量采集電路,，只具有電能計(jì)量功能,，難于實(shí)現(xiàn)分時(shí)計(jì)量、預(yù)付費(fèi),、定時(shí)供電控制[3,4]等功能,。在一些用電集中的場所，給施工,、抄表,、控制等帶來困難。該文設(shè)計(jì)一種單相遠(yuǎn)程多用戶多功能智能化電能表,，采用一塊微處理器,、RS485總線，不僅能實(shí)現(xiàn)對多個(gè)用戶的電能計(jì)量，而且還具有分時(shí)計(jì)量,、遠(yuǎn)程集中抄表,、預(yù)付費(fèi)、定時(shí)供電控制等功能,。

2 帶有RS-485 總線接口的單相電能表設(shè)計(jì)

　　電能表主要由電能計(jì)量單元,、單片機(jī)系統(tǒng)和輸出部分組成。電能計(jì)量單元主要由電流,、電壓采樣和專用電能表芯片（ADE7755）構(gòu)成,，它的任務(wù)是完成電量累積、儲存,，并同時(shí)將電量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的脈沖分別輸出或送入單片機(jī)（PIC16C63）進(jìn)行處理,。單片機(jī)系統(tǒng)是一個(gè)智能數(shù)據(jù)采集處理和控制單元，它的任務(wù)是接收并存儲各用戶電量,，經(jīng)處理后控制顯示器,，顯示各用戶電量，控制對外通信,，完成抄表或遙控等功能,。輸出部分主要包括顯示器和對外通信、控制接口等,。紅外通訊和RS-485接口通訊可同時(shí)進(jìn)行而互不干擾,，RS-485總線自動(dòng)抄表系統(tǒng)的電能表， 單片機(jī)可讀取電能表的數(shù)據(jù),，然后將電能表數(shù)據(jù)傳到電力部門的電能管理系統(tǒng)中,。系統(tǒng)原理框圖1如示。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

2.1 通信電路設(shè)計(jì)

2.1.1 紅外通訊接口硬件電路

　　紅外通訊的硬件由發(fā)射電路和接收電路兩個(gè)部分組成,，電路如圖2所示,，具體是由NE555時(shí)基電路、紅外發(fā)光二極管及外圍元件組成,。其中NE555時(shí)基電路和電阻R51,、R52和電容C21,構(gòu)成一個(gè)載波頻率為f的振蕩器,。通常固定電容C21調(diào)節(jié)R51或R52的阻值來改變載波頻率值,。在實(shí)際電路中，我們選取載波頻率f為38kHz ,。微控器(MCU)的串行通訊口TXD輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)入NE555時(shí)基電路的4腳,，并控制NE555的起振和停振,。NE555的4腳輸入高電平“1”時(shí)，NE555振蕩,；當(dāng)NE555的4腳輸入低電平“0”時(shí),，NE555停止振蕩[5],。

2.1.2 RS-485通訊接口電路設(shè)計(jì)

　　RS-485通訊電路通過3個(gè)光耦器件對單片機(jī)電路和RS-485總線電路進(jìn)行隔離,提高系統(tǒng)的抗干擾能力。光電耦合器件是把發(fā)光器件(如發(fā)光二極管)和光敏器件(如光敏三極管)組裝在一起,，通過光線實(shí)現(xiàn)耦合構(gòu)成電-光和光-電的轉(zhuǎn)換器件,。當(dāng)電信號送入光電耦合器的輸入端時(shí)，發(fā)光二極管通過電流而發(fā)光,，光敏元件受到光照后產(chǎn)生電流,，CE導(dǎo)通；當(dāng)輸入端無信號,，發(fā)光二極管不亮,，光敏二極管截止，CE不通,。對于數(shù)字量,，當(dāng)輸入為低電平“ 0”時(shí)，光敏三極管截止,，輸出為高電平“1”,；當(dāng)輸入為高電平“1”時(shí)，光敏三極管飽和導(dǎo)通,，輸出為低電平“0”,。電路中的TVS1管為隧道二極管并聯(lián)在RS-485總線A、B線兩端,防止尖端電壓沖擊,對電路進(jìn)行瞬態(tài)保護(hù)作用,，R46和R47為偏置電阻,進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)失效保護(hù),。但是這個(gè)電路沒有匹配電阻，在通訊總線設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行匹配電路的設(shè)計(jì),。RS-485通訊電路中JP2接口是要進(jìn)行瞬變脈沖和靜電干擾的,，在設(shè)計(jì)和選擇485轉(zhuǎn)換芯片要特別注意這個(gè)問題，電路如圖3所示,。

2.2 通訊協(xié)議

2.2.1 規(guī)約的主要內(nèi)容

（1）物理層

　　紅外通信,、RS-485總線

（2）鏈路層

　　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,，電能表為從站,。每個(gè)電能表均有各自的地址編碼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(yàn)碼及幀結(jié)束符等7個(gè)域組成,。每部分由若干字節(jié)組成,。

(3)應(yīng)用層

　　可分為對讀數(shù)據(jù),、寫數(shù)據(jù)、寫設(shè)備地址,、修改密碼等的規(guī)定,。

2.2.2 主站發(fā)布正常通信命令類型及信道中數(shù)據(jù)傳輸格式

（1）主站讀數(shù)據(jù)集合

　　主站讀數(shù)據(jù)集合如表1所示。

圖2 紅外發(fā)射和接收電路

圖3 RS-485通訊接口電路

（2）主站向從站編程數(shù)據(jù)

　　主站向從站編程數(shù)據(jù)如表2所示,。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 電能表軟件系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)

　　電能表軟件系統(tǒng)主程序如圖4所示,。包括整個(gè)程序初始化部分、顯示刷新處理部分,、通訊幀命令處理部分,、電量運(yùn)算及儲存部分、電量結(jié)算處理部分以及其他事件處理部分,。整個(gè)程序是通過查詢方式執(zhí)行的,，通過查詢電表事件發(fā)生的條件情況，判斷電能表事件是否發(fā)生,，來執(zhí)行相應(yīng)的操作,，這種執(zhí)行方式只要保證CPU的執(zhí)行速度足夠快，是能夠保證事件響應(yīng)的時(shí)效性的,。

圖4 電能表軟件系統(tǒng)主程序框圖

3.2 通信主程序設(shè)計(jì)

　　在通訊處理模塊算法中,，它包含通訊接收幀事件和通訊發(fā)送幀事件，當(dāng)程序查詢到通訊接收幀完標(biāo)志置位時(shí),，通訊接收幀事件發(fā)生,，程序進(jìn)行通訊格式的判斷，如果通訊格式正確,，再進(jìn)行通訊地址的比較,，如果通訊幀中的地址域是本機(jī)地址或廣播地址，表示是對本機(jī)通訊,，則程序進(jìn)行通訊命令的解釋及執(zhí)行,，同時(shí)如果要返回?cái)?shù)據(jù)幀，置通訊發(fā)送標(biāo)志,，準(zhǔn)備好發(fā)送數(shù)據(jù)幀,，則通訊發(fā)送數(shù)據(jù)幀事件發(fā)生，啟動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù),。

4 單相電能表系統(tǒng)測量誤差分析

4.1 電流回路測量誤差

　　由于電流回路中存在電能計(jì)量芯片中,，也就是電流信號輸入電能計(jì)量芯片中的通道1運(yùn)算放大器中，一般取運(yùn)算放大器的輸入電流為零[6,7],，所以其電流回路的等效電路為圖5所示,。

圖5 電流通道電路

　　由于電阻是線性元器件，其誤差也為線性誤差,，可以進(jìn)行線性補(bǔ)償為零                      即
　　所以 由R5決定,。如取R5精度為0.5%,，則電流回路測量誤差。

4.2 電壓回路測量誤差

　　由電壓回路等效電路如圖6所示,。

圖6 電壓通道等效電路

　　由 ,，

　　設(shè)R1、R2,、R3的測量誤差精度為0.5%,，所以電壓回路測量誤差。

4.3 測量誤差

　　由芯片ADE7755測量誤差精度為0.1%,， 為ADE7755的測量誤差,， 所以。

4.4 電能總測量誤差

　　由于系統(tǒng)測量回路是由電流回路,、電壓回路,、ADE7755所構(gòu)成，所以系統(tǒng)總誤差為電流回路測量,、電壓回路測量及ADE7755測量的合成誤差,。

　　總測量誤差。

5 結(jié)論

　　該智能表控制系統(tǒng)經(jīng)過測試表明,，性能穩(wěn)定,、能夠計(jì)量正、反向有供電能,、四象限無功電能,，并具有分時(shí)計(jì)費(fèi)、數(shù)據(jù)存儲,、異常監(jiān)測,、遠(yuǎn)方通信、遠(yuǎn)程集中抄表,、預(yù)付費(fèi),、多費(fèi)率等多項(xiàng)功能，總測量誤差小,、功耗低,、計(jì)費(fèi)準(zhǔn)確，適用于多用戶集中控制的場合,。