基于ARM多用戶(hù)智能電能表設(shè)計(jì)

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(gè)電能表掛在一起的計(jì)量方式越來(lái)越顯出它的弊端；即體積大，成本高，工程造價(jià)高，不利于新型住房的集中用電管理。多用戶(hù)、多功能智能電表不僅能很好地解決上述問(wèn)題，還能實(shí)現(xiàn)很多智能化的功能。
    多用戶(hù)多功能智能電能表可同時(shí)計(jì)量48戶(hù)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(fù)擔(dān)，提高系統(tǒng)的多功能化和智能化。相對(duì)于單用戶(hù)電表，多用戶(hù)電表有多達(dá)32路以上通道，采用同一系統(tǒng)進(jìn)行分時(shí)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(jī)還能實(shí)現(xiàn)與銀聯(lián)系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，可遠(yuǎn)程控制用戶(hù)的用電。多用戶(hù)、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(shì)。

1 測(cè)量原理
    該電能表采用交流采樣方法進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，然后通過(guò)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(gè)周期內(nèi)有限個(gè)采樣電壓數(shù)字量來(lái)代替1個(gè)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(shí)間間隔；μm為第m一1個(gè)時(shí)間間隔的電壓采樣瞬時(shí)值；N為1個(gè)周期的采樣點(diǎn)數(shù)。
    當(dāng)采用等間隔采樣時(shí)，△Tm為常數(shù)△丁，同時(shí)N=(T／△T)+1，則式(2)變?yōu)椋?br />

式(3)是根據(jù)一個(gè)周期采樣瞬時(shí)值及每周期點(diǎn)數(shù)計(jì)算電壓有效值的公式。
    電流計(jì)算公式：

計(jì)算有功功率的公式：

離散化后為：

式中：im，μm為同一時(shí)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(jì)并充分考慮系統(tǒng)的擴(kuò)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(fù)責(zé)遠(yuǎn)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(gè)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(kāi)關(guān)選通后放大濾波送入AD8364轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，同時(shí)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(shí)電壓和瞬時(shí)電流計(jì)算瞬時(shí)功率，并把結(jié)果送到顯示模塊予以存儲(chǔ)。采集CPU與通信cUP傳遞數(shù)據(jù)，通信CPU通過(guò)cAN總線傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。

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3 系統(tǒng)單元電路
3．1 主控板
    主控板對(duì)電流電壓信號(hào)進(jìn)行32路分時(shí)采集。對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到有功功率、無(wú)功功率，并使精度達(dá)到0．1級(jí)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(cuò)誤信息，出錯(cuò)保護(hù)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(duì)輸入的電網(wǎng)電源進(jìn)行預(yù)處理，如過(guò)壓保護(hù)，過(guò)流保護(hù)，濾波。其原理框圖見(jiàn)圖2。

電源電路為整個(gè)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(jì)的重要部分。電源電路能濾除外部電網(wǎng)的干擾，同時(shí)還能防止內(nèi)部干擾竄人電網(wǎng)。提供各種保護(hù)功能，包括過(guò)流保護(hù)，輸出短路保護(hù)，輸出過(guò)載保護(hù)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(shí)，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(fù)責(zé)分時(shí)選通各路電流電壓傳感器通道，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大和濾波處理，再送入后面的A／D電路進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。用運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)信號(hào)放大并完成有源濾波。多路選擇器相當(dāng)于多路電子開(kāi)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(jiàn)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(hào)輸出。為防止因傳感器損壞造成后級(jí)電路故障，對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行了保護(hù)處理。32路電流取樣信號(hào)分為3組，分別對(duì)應(yīng)三相電的A相，B相，和C相，而三相電壓取樣信號(hào)則與三級(jí)電流取樣信號(hào)對(duì)應(yīng)，由數(shù)據(jù)選擇器進(jìn)行分時(shí)選通，以保證任一采樣時(shí)刻可以同時(shí)選通三相電流取樣信號(hào)和對(duì)應(yīng)的電壓取樣信號(hào)。從傳感器輸出的信號(hào)一般都比較微弱，不適合進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采用運(yùn)算放大器進(jìn)行放大，同時(shí)，為了防止其他干擾，還要進(jìn)行濾波處理。從這一級(jí)輸出的信號(hào)達(dá)到了信號(hào)處理的要求，就進(jìn)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(guó)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(gè)轉(zhuǎn)換速率為250 kb／s(當(dāng)外部時(shí)鐘為5 MIIz)的ADC構(gòu)成，每個(gè)ADC有2個(gè)模擬輸入通道，每個(gè)通道都有采樣保持器，3個(gè)ADC組成2對(duì)模擬輸人端，可同時(shí)對(duì)其中的1～2對(duì)輸入信號(hào)同時(shí)采樣保持，然后逐個(gè)轉(zhuǎn)換。由于6個(gè)通道可同時(shí)采樣，系統(tǒng)中由電流和電壓采樣得到的6組模擬量同時(shí)進(jìn)行采集。3個(gè)用于采集電流量，另3個(gè)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(shí)，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(cè)低至200 mV的電壓，故傳輸信號(hào)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(shí)候只能有一點(diǎn)處于發(fā)送狀態(tài)，因此發(fā)送電路須由使能信號(hào)加以控制。RS 485用于多點(diǎn)互連時(shí)非常方便，可以省掉許多信號(hào)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(tái)驅(qū)動(dòng)器和32臺(tái)接收器。
3．2 顯示板
    顯示板OLED顯示友好界面，全面顯示用戶(hù)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(wàn)色。驅(qū)動(dòng)采用FPGA內(nèi)設(shè)計(jì)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(gè)左右的LE，能實(shí)現(xiàn)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(zhuǎn)換，能正確解釋指令和數(shù)據(jù)，并具有差錯(cuò)和糾錯(cuò)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(gè)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(kāi)關(guān)電源。該電源設(shè)計(jì)方案的效率達(dá)到87％。電源板原理框圖見(jiàn)圖4，它由38～180 V直流輸入、輸入濾波器、AC／DC變換、過(guò)流過(guò)壓保護(hù)、輸出濾波器、后級(jí)穩(wěn)壓電路組成。
    輸入濾波器電路見(jiàn)圖5。輸入電路中串入一個(gè)繼電器，可以實(shí)現(xiàn)與監(jiān)控裝置同步開(kāi)關(guān)機(jī)。V19為防雷擊二極管；V2為一個(gè)整流橋，當(dāng)輸入的電源線正負(fù)接反時(shí)，該電源能正常工作。

4 軟件設(shè)計(jì)
    軟件系統(tǒng)由操作系統(tǒng)、底層驅(qū)動(dòng)以及應(yīng)用軟件組成。
    操作系統(tǒng)采用Microc／OS-Ⅱ嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)。Microc／OS-Ⅱ嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)是一個(gè)基于搶占式的實(shí)時(shí)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(diǎn)就是源碼公開(kāi)，便于移植和維護(hù)。底層驅(qū)動(dòng)程序主要包括FPGA硬件部分，如顯示驅(qū)動(dòng)、A／D轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)、數(shù)字I／O驅(qū)動(dòng)、串口通信驅(qū)動(dòng)、485總線驅(qū)動(dòng)、422總線驅(qū)動(dòng)、CAN總線驅(qū)動(dòng)、USB電路驅(qū)動(dòng)、以太網(wǎng)接口驅(qū)動(dòng)、Ic卡接口驅(qū)動(dòng)、語(yǔ)音輸出驅(qū)動(dòng)、SDRAM接口驅(qū)動(dòng)、FLASH接口驅(qū)動(dòng)等。

應(yīng)用軟件是指為實(shí)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(kāi)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(jì)原則進(jìn)行程序結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，整個(gè)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(chǔ)模塊，它們主要由主程序在初始化時(shí)生成，在系統(tǒng)退出時(shí)結(jié)束。在4個(gè)模塊之下可按照功能分為更細(xì)小的模塊，以至于實(shí)現(xiàn)單一功能的子程序和函數(shù)，具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖6所示。輸入處理模塊主要負(fù)責(zé)將外部的數(shù)據(jù)和信號(hào)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(shí)別并報(bào)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(guò)程，響應(yīng)外部事件。該模塊要求高可靠性、高實(shí)時(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)一定的功能；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊主要用于存儲(chǔ)一些重要的運(yùn)行數(shù)據(jù)，一方面作為事后分析，更重要的是存儲(chǔ)一些有用的數(shù)據(jù)，這樣在系統(tǒng)重新啟動(dòng)之后，可以保證有效的數(shù)據(jù)不至于丟失。對(duì)于這個(gè)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(shí)現(xiàn)這個(gè)系統(tǒng)的控制，分別協(xié)調(diào)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(duì)電流電壓采樣、通信、顯示等子程序的調(diào)用。開(kāi)始進(jìn)行開(kāi)機(jī)循檢，采集后需要判斷系統(tǒng)是否過(guò)流，當(dāng)發(fā)生斷電時(shí)，要進(jìn)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(jìn)行開(kāi)機(jī)循檢判斷是否有系統(tǒng)錯(cuò)誤，如果有錯(cuò)誤則報(bào)警顯示；
    (2)沒(méi)有錯(cuò)誤則等待中斷，電能表收到中斷后判斷中斷類(lèi)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(hào)；
    (3)電能表收到采集數(shù)據(jù)后將該數(shù)據(jù)與用戶(hù)用電比較，判斷是否欠費(fèi)，如果欠費(fèi)，發(fā)出斷電信號(hào)，并送顯示，否則發(fā)送讀數(shù)據(jù)命令，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)；
    (4)通信中斷時(shí)，可能是要查詢(xún)用戶(hù)的預(yù)付費(fèi)，當(dāng)要查詢(xún)用戶(hù)，開(kāi)始讀外部存儲(chǔ)器，之后將結(jié)果發(fā)送到上位機(jī)，當(dāng)要預(yù)付費(fèi)，發(fā)出送外部存儲(chǔ)器命令；
    (5)完成中斷后轉(zhuǎn)到等待下一中斷，循環(huán)上述過(guò)程。

5 結(jié) 語(yǔ)
    該系統(tǒng)分析了多用戶(hù)只能電表的軟件和硬件設(shè)計(jì)。該表以LPC2294為核心，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電網(wǎng)電壓、電流、電能等參數(shù)的計(jì)量和數(shù)據(jù)傳輸。該電表能同時(shí)測(cè)量多達(dá)48戶(hù)的用電量，并能與銀聯(lián)聯(lián)網(wǎng)管理用戶(hù)的用電量。