0 引 言
隨著城市居民住房的發(fā)展,，樓房用表需求量不斷增大，傳統(tǒng)的把多個電能表掛在一起的計量方式越來越顯出它的弊端,；即體積大，成本高,，工程造價高,，不利于新型住房的集中用電管理,。多用戶、多功能智能電表不僅能很好地解決上述問題,，還能實現(xiàn)很多智能化的功能,。
多用戶多功能智能電能表可同時計量48戶居民的用電量。該電能表采用2塊LPC2294控制,，以完成數(shù)據(jù)的通信和采集,；采用2塊ARM,，以減輕CUP的負擔(dān),，提高系統(tǒng)的多功能化和智能化,。相對于單用戶電表,，多用戶電表有多達32路以上通道，采用同一系統(tǒng)進行分時處理,，該系統(tǒng)采用12位A／D轉(zhuǎn)換芯片AD8364,，能保證數(shù)據(jù)采集的精度和速度。上位機還能實現(xiàn)與銀聯(lián)系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng),，可遠程控制用戶的用電。多用戶,、多功能電能表在靈活性,、多功能化、智能化,、精度等方面都有優(yōu)勢,。
1 測量原理
該電能表采用交流采樣方法進行數(shù)據(jù)采集，然后通過算法獲得電壓,、電流、有功功率,、功率因素等,。
將上式離散化后得：
式中用1個周期內(nèi)有限個采樣電壓數(shù)字量來代替1個周期內(nèi)連續(xù)變化的電壓函數(shù)值；△Tm為相鄰兩次采樣的時間間隔,；μm為第m一1個時間間隔的電壓采樣瞬時值；N為1個周期的采樣點數(shù),。
當(dāng)采用等間隔采樣時,，△Tm為常數(shù)△丁，同時N=(T／△T)+1,，則式(2)變?yōu)椋?br />
式(3)是根據(jù)一個周期采樣瞬時值及每周期點數(shù)計算電壓有效值的公式,。
電流計算公式：
計算有功功率的公式：
離散化后為：
式中：im,，μm為同一時刻的電流、電壓采樣值,。
2 系統(tǒng)總體方案
系統(tǒng)的硬件和軟件采用模塊化,、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計并充分考慮系統(tǒng)的擴展能力,。電能表由主控板,、通信板,、顯示板,、繼電器控制板和電源板5部分組成,。通信模塊負責(zé)遠程通信；主控板完成電能表的所有基本功能,；顯示板作為系統(tǒng)的顯示終端,；繼電器控制板完成斷電和供電控制,；電源板為整個系統(tǒng)提供穩(wěn)定安全的電流。圖1是電能表的結(jié)構(gòu)框圖,。該電能表的工作原理是：首先由32路電流互感器采樣,，再由模擬開關(guān)選通后放大濾波送入AD8364轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，同時電壓互感器采樣的電壓經(jīng)濾波送入A／D轉(zhuǎn)換器,。得到電壓和電流的數(shù)字量轉(zhuǎn)給采集CPU,。采集CPU根據(jù)瞬時電壓和瞬時電流計算瞬時功率,，并把結(jié)果送到顯示模塊予以存儲,。采集CPU與通信cUP傳遞數(shù)據(jù),，通信CPU通過cAN總線傳輸?shù)缴衔粰C,。
3 系統(tǒng)單元電路
3．1 主控板
主控板對電流電壓信號進行32路分時采集,。對采集到的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理,，得到有功功率,、無功功率,，并使精度達到0．1級標(biāo)準(zhǔn),。主控板還完成與通信板和繼電器板的數(shù)據(jù)交換。能夠安全監(jiān)控,，提供錯誤信息,，出錯保護和恢復(fù)。主控板由電源電路,，A／D前置電路,，數(shù)據(jù)采集電路，主CPU電路,，E2PROM電路等子電路組成。
3．1．1 電源電路
電源電路采用常規(guī)的變壓器降壓供電,。在變壓器輸入端,，在對輸入的電網(wǎng)電源進行預(yù)處理，如過壓保護,，過流保護,，濾波。其原理框圖見圖2,。
電源電路為整個系統(tǒng)供電,，它從根本上決定了系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性和安全性，是系統(tǒng)：EMC設(shè)計的重要部分,。電源電路能濾除外部電網(wǎng)的干擾,，同時還能防止內(nèi)部干擾竄人電網(wǎng)。提供各種保護功能,，包括過流保護,，輸出短路保護,，輸出過載保護等,。為通信板,、主控板、繼電器控制板和顯示板提供穩(wěn)定,、充足的電源供應(yīng),。當(dāng)電網(wǎng)電壓在一定范圍內(nèi)變化時,，保證內(nèi)部電壓的基本穩(wěn)定,。
3．1．2 A／D前置電路
A／D前置電路負責(zé)分時選通各路電流電壓傳感器通道,，并對信號進行放大和濾波處理,，再送入后面的A／D電路進行數(shù)據(jù)采集,。用運算放大器實現(xiàn)信號放大并完成有源濾波。多路選擇器相當(dāng)于多路電子開關(guān)，用8通道A／D芯片CD4051,，其電阻小,，帶寬大，損耗小,，接通電阻小于100 Q,。其原理框圖見圖3。
電流和電壓傳感器均由互感器組成，經(jīng)電阻取樣后全部轉(zhuǎn)換為電壓信號輸出,。為防止因傳感器損壞造成后級電路故障,，對傳感器信號進行了保護處理。32路電流取樣信號分為3組,，分別對應(yīng)三相電的A相,，B相，和C相,，而三相電壓取樣信號則與三級電流取樣信號對應(yīng),，由數(shù)據(jù)選擇器進行分時選通，以保證任一采樣時刻可以同時選通三相電流取樣信號和對應(yīng)的電壓取樣信號,。從傳感器輸出的信號一般都比較微弱,，不適合進行數(shù)據(jù)采集，采用運算放大器進行放大,，同時,，為了防止其他干擾，還要進行濾波處理,。從這一級輸出的信號達到了信號處理的要求,，就進行A／D轉(zhuǎn)換。
3．1．3 數(shù)據(jù)采集電路
數(shù)據(jù)采集由AD8364完成,，AD$8364是美國TI公司生產(chǎn)的高速,、低能耗、6通道同步采樣轉(zhuǎn)換,、單+5 V供電,、16位高速并行接口的高性能模／數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)芯片，芯片帶2．5 V基準(zhǔn)電壓源,，可用作ADS8364的參考電壓,。每片ADS8364由3個轉(zhuǎn)換速率為250 kb／s(當(dāng)外部時鐘為5 MIIz)的ADC構(gòu)成，每個ADC有2個模擬輸入通道,，每個通道都有采樣保持器,，3個ADC組成2對模擬輸人端，可同時對其中的1～2對輸入信號同時采樣保持,，然后逐個轉(zhuǎn)換,。由于6個通道可同時采樣，系統(tǒng)中由電流和電壓采樣得到的6組模擬量同時進行采集,。3個用于采集電流量,，另3個用于采集電壓量。
3．1．4 485接口電路
在要求通信距離為幾十米到上千米時,，廣泛采用RS 485串行總線標(biāo)準(zhǔn),。RS 485采用平衡發(fā)送和差分接收，因此具有抑制共模干擾的能力,。加上總線收發(fā)器具有高靈敏度,，能檢測低至200 mV的電壓，故傳輸信號能在千米以外得到恢復(fù),。RS 485采用半雙工工作方式,，任何時候只能有一點處于發(fā)送狀態(tài),，因此發(fā)送電路須由使能信號加以控制。RS 485用于多點互連時非常方便,，可以省掉許多信號線,。應(yīng)用RS 485可以聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成分布式系統(tǒng)，其允許最多并聯(lián)32臺驅(qū)動器和32臺接收器,。
3．2 顯示板
顯示板OLED顯示友好界面，全面顯示用戶信息,，采用485與主控板交換數(shù)據(jù),。該系統(tǒng)的液晶顯示器為10．4英寸，分辨率為640×480,，26萬色,。驅(qū)動采用FPGA內(nèi)設(shè)計液晶控制電路。該系統(tǒng)采用Avalon LCDController的顯示控制IP模塊,，可以非常方便地將其移植到Altera公司的CYCLONE系列FPGA中，占用6 000個左右的LE,，能實現(xiàn)非常豐富的功能,。
3．3 通信板
通信板完成CAN到232的協(xié)議轉(zhuǎn)換,，能正確解釋指令和數(shù)據(jù),，并具有差錯和糾錯功能。通信板應(yīng)包括如下通信功能模塊,，即CAN到232的轉(zhuǎn)換模塊、以太網(wǎng)接口模塊,、串行接口模塊、并行接口模塊,。
3．4 繼電器控制板
繼電器完成斷電和供電控制,。
3．5 電源板
由于整個屏幕顯示器的工作功耗為50 W左右，故需要采用效率較高的開關(guān)電源,。該電源設(shè)計方案的效率達到87％。電源板原理框圖見圖4,，它由38～180 V直流輸入,、輸入濾波器、AC／DC變換,、過流過壓保護,、輸出濾波器,、后級穩(wěn)壓電路組成。
輸入濾波器電路見圖5,。輸入電路中串入一個繼電器,，可以實現(xiàn)與監(jiān)控裝置同步開關(guān)機。V19為防雷擊二極管,；V2為一個整流橋,，當(dāng)輸入的電源線正負接反時，該電源能正常工作,。
4 軟件設(shè)計
軟件系統(tǒng)由操作系統(tǒng),、底層驅(qū)動以及應(yīng)用軟件組成。
操作系統(tǒng)采用Microc／OS-Ⅱ嵌入式實時多任務(wù)操作系統(tǒng),。Microc／OS-Ⅱ嵌入式實時多任務(wù)操作系統(tǒng)是一個基于搶占式的實時多任務(wù)內(nèi)核，可固化,、可剪裁,，具有高穩(wěn)定性和可靠性。除此以外,，Microc／OS-Ⅱ的鮮明特點就是源碼公開,，便于移植和維護。底層驅(qū)動程序主要包括FPGA硬件部分,，如顯示驅(qū)動,、A／D轉(zhuǎn)換驅(qū)動、數(shù)字I／O驅(qū)動,、串口通信驅(qū)動,、485總線驅(qū)動、422總線驅(qū)動,、CAN總線驅(qū)動,、USB電路驅(qū)動、以太網(wǎng)接口驅(qū)動,、Ic卡接口驅(qū)動,、語音輸出驅(qū)動、SDRAM接口驅(qū)動,、FLASH接口驅(qū)動等,。
應(yīng)用軟件是指為實現(xiàn)系統(tǒng)的特定功能所編制的信息采集、處理,、輸出,、顯示程序。這部分軟件的開發(fā)是軟件工作的主要內(nèi)容,。應(yīng)用軟件按照結(jié)構(gòu)化,、模塊化,、通用化的設(shè)計原則進行程序結(jié)構(gòu)設(shè)計，整個程序從結(jié)構(gòu)上分為幾大模塊：數(shù)據(jù)輸入處理模塊,、事件捕獲模塊,、事件處理模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊,，它們主要由主程序在初始化時生成,，在系統(tǒng)退出時結(jié)束。在4個模塊之下可按照功能分為更細小的模塊,，以至于實現(xiàn)單一功能的子程序和函數(shù),，具體結(jié)構(gòu)見圖6所示。輸入處理模塊主要負責(zé)將外部的數(shù)據(jù)和信號處理與外部設(shè)備的數(shù)據(jù)連接,；事件捕獲模塊主要監(jiān)視,、識別并報告各外部事件的發(fā)生，之后以消息的格式通知主控程序,，激活事件處理模塊中的相應(yīng)過程,，響應(yīng)外部事件。該模塊要求高可靠性,、高實時性,，以及保證不丟失任何外部事件；事件處理模塊是軟件功能實現(xiàn)的主體,，它由許多松散耦合在一起的功能模塊組成,，在外部事件的觸發(fā)下執(zhí)行特定的流程，實現(xiàn)一定的功能,；數(shù)據(jù)存儲模塊主要用于存儲一些重要的運行數(shù)據(jù),，一方面作為事后分析，更重要的是存儲一些有用的數(shù)據(jù),，這樣在系統(tǒng)重新啟動之后,，可以保證有效的數(shù)據(jù)不至于丟失。對于這個復(fù)雜的系統(tǒng),，需要協(xié)調(diào)完成各方面的工作,，采用2塊ARM，以實現(xiàn)這個系統(tǒng)的控制,，分別協(xié)調(diào)完成通信和采集方面的工作,。
4．1 采集部分
采集程序流程圖如圖7所示。采集程序完成系統(tǒng)的初始化和對電流電壓采樣,、通信,、顯示等子程序的調(diào)用。開始進行開機循檢，采集后需要判斷系統(tǒng)是否過流,，當(dāng)發(fā)生斷電時，要進行斷電顯示,。
4．2 通信部分
通信程序流程圖如圖8所示,，通信部分要處理采集的數(shù)據(jù)和處理中斷。通信部分軟件流程如下：
(1)通信部分CPU進行開機循檢判斷是否有系統(tǒng)錯誤,，如果有錯誤則報警顯示,；
(2)沒有錯誤則等待中斷，電能表收到中斷后判斷中斷類型是采樣中斷,，還是通信中斷,，如果是采集數(shù)據(jù)中斷，發(fā)出接收采集數(shù)據(jù)應(yīng)答信號,；
(3)電能表收到采集數(shù)據(jù)后將該數(shù)據(jù)與用戶用電比較,，判斷是否欠費，如果欠費,，發(fā)出斷電信號,，并送顯示，否則發(fā)送讀數(shù)據(jù)命令,，存儲數(shù)據(jù),；
(4)通信中斷時，可能是要查詢用戶的預(yù)付費,，當(dāng)要查詢用戶,，開始讀外部存儲器，之后將結(jié)果發(fā)送到上位機,，當(dāng)要預(yù)付費,，發(fā)出送外部存儲器命令；
(5)完成中斷后轉(zhuǎn)到等待下一中斷,，循環(huán)上述過程,。
5 結(jié) 語
該系統(tǒng)分析了多用戶只能電表的軟件和硬件設(shè)計。該表以LPC2294為核心,，實現(xiàn)了對電網(wǎng)電壓,、電流、電能等參數(shù)的計量和數(shù)據(jù)傳輸,。該電表能同時測量多達48戶的用電量,，并能與銀聯(lián)聯(lián)網(wǎng)管理用戶的用電量。