具有遠(yuǎn)程抄表功能的單相電子式電能表設(shè)計

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)采用專用計量芯片設(shè)計電量計量采集電路，只具有電能計量功能，難于實現(xiàn)分時計量、預(yù)付費(fèi)、定時供電控制[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，不僅能實現(xiàn)對多個用戶的電能計量，而且還具有分時計量、遠(yuǎn)程集中抄表、預(yù)付費(fèi)、定時供電控制等功能。

2 帶有RS-485 總線接口的單相電能表設(shè)計

　　電能表主要由電能計量單元、單片機(jī)系統(tǒng)和輸出部分組成。電能計量單元主要由電流、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接口通訊可同時進(jìn)行而互不干擾，RS-485總線自動抄表系統(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

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部分組成，電路如圖2所示，具體是由NE555時基電路、紅外發(fā)光二極管及外圍元件組成。其中NE555時基電路和電阻R51、R52和電容C21,構(gòu)成一個載波頻率為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，NE555振蕩；當(dāng)NE555的4腳輸入低電平“0”時，NE555停止振蕩[5]。

2.1.2 RS-485通訊接口電路設(shè)計

　　RS-485通訊電路通過3個光耦器件對單片機(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，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，光敏三極管截止，輸出為高電平“1”；當(dāng)輸入為高電平“1”時，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)。但是這個電路沒有匹配電阻，在通訊總線設(shè)計中應(yīng)根據(jù)實際情況進(jìn)行匹配電路的設(shè)計。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)計和選擇485轉(zhuǎn)換芯片要特別注意這個問題，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、幀信息縱向校驗碼及幀結(jié)束符等7個域組成。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

3.1 電能表軟件系統(tǒng)主程序設(shè)計

　　電能表軟件系統(tǒng)主程序如圖4所示。包括整個程序初始化部分、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

　　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，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，同時如果要返回數(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量芯片中，也就是電流信號輸入電能計量芯片中的通道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、能夠計量正、反向有供電能、四象限無功電能，并具有分時計費(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)率等多項功能，總測量誤差小、功耗低、計費(fèi)準(zhǔn)確，適用于多用戶集中控制的場合。