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，以完成數據的通信和采集；采用2塊ARM，以減輕CUP的負擔，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轉換芯片AD8364，能保證數據采集的精度和速度。上位機還能實現與銀聯(lián)系統(tǒng)聯(lián)網，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據采集，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個周期內有限個采樣電壓數字量來代替1個周期內連續(xù)變化的電壓函數值；△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。
當采用等間隔采樣時，△Tm為常數△丁，同時N=(T／△T)+1，則式(2)變?yōu)椋?br />
式(3)是根據一個周期采樣瞬時值及每周期點數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、標準化設計并充分考慮系統(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是電能表的結構框圖。該電能表的工作原理是：首先由32路電流互感器采樣，再由模擬開關選通后放大濾波送入AD8364轉化為數字量，同時電壓互感器采樣的電壓經濾波送入A／D轉換器。得到電壓和電流的數字量轉給采集CPU。采集CPU根據瞬時電壓和瞬時電流計算瞬時功率，并把結果送到顯示模塊予以存儲。采集CPU與通信cUP傳遞數據，通信CPU通過cAN總線傳輸到上位機。
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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。對采集到的數據進行數據處理，得到有功功率、無功功率，并使精度達到0．1級標準。主控板還完成與通信板和繼電器板的數據交換。能夠安全監(jiān)控，提供錯誤信息，出錯保護和恢復。主控板由電源電路，A／D前置電路，數據采集電路，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，在對輸入的電網電源進行預處理，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設計的重要部分。電源電路能濾除外部電網的干擾，同時還能防止內部干擾竄人電網。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。當電網電壓在一定范圍內變化時，保證內部電壓的基本穩(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電路進行數據采集。用運算放大器實現信號放大并完成有源濾波。多路選擇器相當于多路電子開關，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，經電阻取樣后全部轉換為電壓信號輸出。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，由數據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，不適合進行數據采集，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轉換。
3．1．3 數據采集電路
數據采集由AD8364完成，AD$8364是美國TI公司生產的高速、低能耗、6通道同步采樣轉換、單+5 V供電、16位高速并行接口的高性能模／數轉換器(ADC)芯片，芯片帶2．5 V基準電壓源，可用作ADS8364的參考電壓。每片ADS8364由3個轉換速率為250 kb／s(當外部時鐘為5 MIIz)的ADC構成，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串行總線標準。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。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。應用RS 485可以聯(lián)網構成分布式系統(tǒng)，其允許最多并聯(lián)32臺驅動器和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與主控板交換數據。該系統(tǒng)的液晶顯示器為10．4英寸，分辨率為640×480，26萬色。驅動采用FPGA內設計液晶控制電路。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，能實現非常豐富的功能。[!--empirenews.page--]
3．3 通信板
通信板完成CAN到232的協(xié)議轉換，能正確解釋指令和數據，并具有差錯和糾錯功能。通信板應包括如下通信功能模塊，即CAN到232的轉換模塊、以太網接口模塊、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電源。該電源設計方案的效率達到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，可以實現與監(jiān)控裝置同步開關機。V19為防雷擊二極管；V2為一個整流橋，當輸入的電源線正負接反時，該電源能正常工作。
4 軟件設計
軟件系統(tǒng)由操作系統(tǒng)、底層驅動以及應用軟件組成。
操作系統(tǒng)采用Microc／OS-Ⅱ嵌入式實時多任務操作系統(tǒng)。Microc／OS-Ⅱ嵌入式實時多任務操作系統(tǒng)是一個基于搶占式的實時多任務內核，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。底層驅動程序主要包括FPGA硬件部分，如顯示驅動、A／D轉換驅動、數字I／O驅動、串口通信驅動、485總線驅動、422總線驅動、CAN總線驅動、USB電路驅動、以太網接口驅動、Ic卡接口驅動、語音輸出驅動、SDRAM接口驅動、FLASH接口驅動等。
應用軟件是指為實現系統(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容。應用軟件按照結構化、模塊化、通用化的設計原則進行程序結構設計，整個程序從結構上分為幾大模塊：數據輸入處理模塊、事件捕獲模塊、事件處理模塊、數據存儲模塊，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，以至于實現單一功能的子程序和函數，具體結構見圖6所示。輸入處理模塊主要負責將外部的數據和信號處理與外部設備的數據連接；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過程，響應外部事件。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，實現一定的功能；數據存儲模塊主要用于存儲一些重要的運行數據，一方面作為事后分析，更重要的是存儲一些有用的數據，這樣在系統(tǒng)重新啟動之后，可以保證有效的數據不至于丟失。對于這個復雜的系統(tǒng)，需要協(xié)調完成各方面的工作，采用2塊ARM，以實現這個系統(tǒng)的控制，分別協(xié)調完成通信和采集方面的工作。
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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、顯示等子程序的調用。開始進行開機循檢，采集后需要判斷系統(tǒng)是否過流，當發(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據和處理中斷。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，如果是采集數據中斷，發(fā)出接收采集數據應答信號；
(3)電能表收到采集數據后將該數據與用戶用電比較，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)送讀數據命令，存儲數據；
(4)通信中斷時，可能是要查詢用戶的預付費，當要查詢用戶，開始讀外部存儲器，之后將結果發(fā)送到上位機，當要預付費，發(fā)出送外部存儲器命令；
(5)完成中斷后轉到等待下一中斷，循環(huán)上述過程。
5 結 語
該系統(tǒng)分析了多用戶只能電表的軟件和硬件設計。該表以LPC2294為核心，實現了對電網電壓、電流、電能等參數的計量和數據傳輸。該電表能同時測量多達48戶的用電量，并能與銀聯(lián)聯(lián)網管理用戶的用電量。
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