}

}

目前，智能电网已成为世界电网发展的共同趋势。本文根据智能电网高级量测 体系中智能电表的技术要求，设计了三相多用户全电子集中式智能电表。 论文依据智能电表应具有的性能指标以及技术特征，提出了多用户智能电表的 总体设计方案，进行了系统硬件和软件设计。系统以ＳＴＣＩＯＦ０８ＸＥ单片机为核心，采 用电能计量专用芯片ＡＴＴ７０２８Ａ实现电量数据采集，扩展了显示电路、远程通信电路、 数据存储电路、时钟及校时电路等，完成了单相３６户或三相１２户的电量、功率、 电压、电流等参数的测量、显示、存储，实现了电功率计时计量、预付费、阶梯电 量计量、即时双向通信、远程供电控制等多种功能。采用数据加密存储，提高数据 的可靠性；采用自动校时方法保证时钟高精度运行，采用ＤＬＴ－６４５《多功能电能表 通信规约》协议实现电表通信兼容性；采用通信波特率自动识别技术提高数据通信 的灵活性。 通过对Ｃ相用户性能实际测量，验证了智能电表设计的正确性，具有较大的实 用价值。

关键词：智能电网；集中式多用户电表；ＳＴＣＩＯＦ０８ＸＥ单片机；电能计量； 远程通信

Ａｔ ｐｒｅｓｅｎｔ，ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ

ｈａｓ ｂｅｃｏｍｅ ｔｈｅ ｃｏｍｍｏｎ ｔｒｅｎｄ ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ ｔｒｅｎｄ ｏｆ

ｐｏｗｅｒ面ｄ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ

ｔｈｅ ｓｅｎｉｏｒ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ’Ｓ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｔｏ

ｔｈｅ ｓｍａｒｔ ｍｅｔｅｒｓ ｉｎ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ

ｐｏｗｅｒ面ｄ，ｔｈｅ

ｔｈｒｅｅ―ｐｈａｓｅ ｍｕｌｔｉ－ｕｓｅｒ ｆｕｌｌ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ

ｃｅｎｔｒａｌｉｚｅｄ ｓｍａｒｔ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｐａｐｅｒ．

Ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｍｅｔｅｒ＇ｓ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｉｎｄｅｘ

ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ，ｔｈｅ

ｓｍａｒｔ ｍｅｔｅｒ＇ｓ

ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ’Ｓ ｈａｒｄｗａｒｅ

ｓｏｆｔｗａｒｅ ｄｅｓｉｇｎ．Ｔｈｅ ＳＴＣ １ ０Ｆ０８ＸＥ ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ

ａｓ ｔｈｅ ｃｏｒｅ，ｔｈｅ ＡＴＴ７０２８Ａ ｓｐｅｃｉａｌ

ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ，ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｓｈｏｗ ｃｉｒｃｕｉｔ，ｒｅｍｏｔｅ ｃｌｏｃｋｉｎｇ ｃｉｒｃｕｉｔ ｈｏｕｓｅｈｏｌｄｓ

ｐｏｗｅｒ ｍｅａｓｕｒｅｄ ｃｈｉｐ ｒｅａｌｉｚｅｄ ｐｏｗｅｒ ｄａｔａ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｃｉｒｃｕｉｔ，ｄａｔａ ｓｔｏｒａｇｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ａｎｄ ａｎｄ

ｔｈｒｅｅ－ｐｈａｓｅ ｔｗｅｌｖｅ ｆａｍｉｌｉｅｓ

ｅｘｐａｎｄｅｄ，ｔｈｅ

ｓｉｎｇｌｅ－ｐｈａｓｅ ｔｈｉｒｔｙ－ｓｉｘ

ｐｏｗｅｒ，ｐｏｗｅｒ，ｖｏｌｔａｇｅ，ｃｕｒｒｅｎｔ

ａｎｄ ｏｔｈｅｒ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ

ｄｉｓｐｌａｙｅｄ，ｓｔｏｒｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｔｉｍｉｎｇ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ，ｐｒｅｐａｉｄ，ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｉｎｓｔａｎｔ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｒｅｍｏｔｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｒｅ ｉｍｐｒｏｖｅｓ ｔｈｅ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ

ｐｏｗｅｒ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ， ｈｉ曲

ｒｅａｌｉｚｅｄ．砀ｅ

ｄａｔａ ｅｎｃｒｙｐｔｉｏｎ ｓｔｏｒａｇｅ

ｍｅｔｈｏｄ ａｓｓｕｒｅｓ ｔｈｅ ｃｌｏｃｋ’Ｓ

ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ，ｔｈｅ ＤＬＴ－６４５”ｍｕｌｔｉ?ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｐｒｏｔｏｃｏｌｓ”ｒｅａｌｉｚｅｓ ｔｈｅ

ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ

ｒａｔｅ ｃｏｒｒｅｃｔｎｅｓｓ ｏｆ

ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ

ｃｏｍｐａｔｉｂｉｌｉｔｙ，ｔｈｅ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｂａｕｄ

ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｍｐｒｏｖｅｓ ｔｈｅ ｆｌｅｘｉｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｄａｔａ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ．

ｐｈａｓｅ Ｃ ｕｓｅｒ

ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ

ｏｆ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ，ｔｈｅ

ｔｈｅ ｓｍａｒｔ ｍｅｔｅｒ ｄｅｓｉｇｎ ｉｓ ｖｅｒｉｆｉｅｄ ａｎｄ ｈａｓ ｇｒｅａｔ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｖａｌｕｅ．

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｍａｒｔ ｇｒｉｄ；ｃｅｎｔｒａｌｉｚｅｄ ｍｕｌｔｉ－ｕｓｅｒ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｍｅｔｅｒ；ＳＴＣＩＯＦ０８ＸＥ ＭＣＵ； ｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ；ｒｅｍｏｔｅ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ

第一章引言…．………………………………．．．．．．．．……．…１

１．１智能电表的选题背景及现状…………………………………．

１．１．１智能电网……………………………………………． １．１．２电能表的发展方向……………………………………．． １．２智能电表的研究进展与动态…………………………………．

１．２．１国外智能电表的发展动态………………………………．．

１．２．２我国智能电表的发展…………………………………… １．３课题研究的主要内容及解决的主要问题………………………… 第二章系统的硬件设计．．．…．．………．．………………………．．５ ２．１系统总体设计思想…………………………………………５ ２．２系统的关键技术和性能指标…………………………………．５ ２．３系统的硬件设计…………………………………………．．５ ２．３．１ ＣＰＵ单元电路…………………………………………．６ ２．３．２采集电路……………………………………………．８ ２．３．３时钟模块……………………………………………１１ ２．３．４通信电路……………………………………………１３ ２．３．５存储器电路…………………………………………．１４ ２．３．６显示电路……………………………………………１６ ２．３．７看门狗电路…………………………………………．１６ ２．３．８供电通断控制电路……………………………………．１７ ２．３．９电源电路……………………………………………１９ 第三章系统的软件设计…．．…．…………．．．．．．．．………………２１ ３．１主程序…………………………………………………２１ ３．２数据加密………………………………………………．２２ ３．３存储区规划……………………………………………．．２２ ３．４显示子程序……………………………………………．．２５ ３．５时钟授时子程序…………………………………………．２５ ３．６通信子程序……………………………………………．．２７ 第四章软件校表及实验数据……………………………………．２９ ４．１电压有效值……………………………………………．．２９ ４．２电流有效值……………………………………………．．３０ ４．３其他参数的校正…………………………………………．３２ 第五章系统可靠性设计…．………………………．．…………．．３３ ５．１硬件系统的可靠性设计……………………………………．３３

５．１．１常规抗干扰措施………………………………………３３ ５．１．２采用大规模集成电路取代单一功能电路……………………．３３ ５．１．３采用电波表时钟模组进行时钟校验，消除系统时钟误差………．．３３

５．１．４独立的看门狗电路……………………………………．．３３ ５．２软件系统的可靠性设计…………．：…………………………３３ ５．２．１数据安全措施…………………………………………３３ ５．２．２指令冗余、软件陷阱等措施………………………………３３

结论………．．．．．．．．．．．…．…．．．．．．．…．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．３５ 参考文献…．．．．．………．．．．．．．．．．．．．．…．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．…．．３７ 攻读学位期间的研究成果…．．．．．………．．．．．．．．．．…．．．…．．…．．．．．３９ 附件．．．．．．．．．……………．…………．．．．．．．．．．．．…………．．４１

计量电路板Ａ………………………………………………．．４１

计量电路板Ｂ………………………………………………．．４２ 主板电路…………………………………………………．．４３

通断控制电路………………………………………………．４４

致谢……．．…．………．．．．．．…………．……．…．．…．．．．．．．．４５ 学位论文独创性声明、学位论文知识产权权属声明．．．．…．．……．……．．４７

第一章引言 １．１智能电表的选题背景及现状

为了适应经济、社会发展的要求，应对全球气候变化以及电网面临的重大挑战， 智能电网现在已成为世界电网发展的共同趋势。智能电网是一个以电力系统为对象， 结合新型的控制技术、信息技术和管理技术，实现从输配电到用户所有环节的智能交 流，能够科学系统地优化电力生产、传输和使用的自愈电网【５】。智能电网主要由四部 分组成：高级量测体系ＡＭＩ、高级配电运行ＡＤＯ、高级输电运行ＡＴＯ和高级资产管理 ＡＡＭ，如图１．１所示。高级量测体系ＡＭＩ包含许多技术和应用集成的解决方案，智能 电表作为其主要的组成部分，应该可以定时或即时取得用户带有时标的分时段的或 实时（或准实时）的多种计量值，如用电量、功率、电压、电流和其他信息，事实上 智能电表已成为电网的传感器【６】。在过去计量仪表的主要商业价值来源于其数据采 集与处理能力，如今则主要在于计量仪表的互操作性和系统集成。

图１．１智能电网的构架

我国的智能电网建设也已起步。我国数字化电网涵盖发电、调度、输变电、配 电和终端用户各环节，是智能电网的初级阶段【＿７１。智能电网将对集成电路技术、软 件技术、新型元器件技术、电子材料技术、网络和通信技术、存储技术、网络和信 息安全技术、显示技术、测量仪器技术、电子专业设备制造技术、导航和遥感技术 提出更高要求，同时推动我国在这些信息技术领域的核心能力得到进一步提高。随 着电力工业的发展，电能计量仪表制造行业的发展也日新月异。目前我国的电能资 源相对缺乏，电能的节约和有效合理的利用就显得非常重要。因此，对电能的精确 测量及其功能的扩展越来越受到关注和高度重视。

１．１．２电能表的发展方向

电能计量技术随着微电子技术、计算机技术、通信技术的发展，新的构思、新 的理念日新月异，以下是电能表的几种发展方向。 １、网络化电能表 ２、多用户静止式单相复费率电能表 ３、智能化住宅区的智能式电能表 ４、虚拟电能表 智能电网需要具有实时监视和分析系统目前状态的能力，这个集成的能量体系 要求数据通讯和分布式计算设施是开放式的和基于标准的，并且兼容各种各样的物 理媒介的通讯和嵌入的计算技术。因此智能电表作为其主要的组成部分，必然会得 到强力的关注，并且推动电表行业的发展。

１．２智能电表的研究进展与动态 １．２．１国外智能电表的发展动态

智能电表是在电子式电表的基础上发展而来。２０世纪７０年代，研究人员成功 研制出利用模拟或数字电路实现电能计量功能的电子式电表【９】。在此基础上，通过 不断扩展数字技术的应用，电子式电表具备了分时计费、预付费等功能。智能电表 实现了对电子式电表的全面突破，以智能芯片为核心，集成包括具有双向信息交流 功能的读表器，一套操作管理系统和数据库，构建应用计算机技术、通信技术等多 系统的交流平台，实现电功率计时计量、自动计费、即时双向通信、优化用电等功 能。 经过３０年的发展，智能电表技术实现多轮升级，功能不断扩展。欧美国家采取 了很多措施促进智能电表的发展。２００８年１１月，美国宾法尼亚州通过法案，明确 规定所有新建建筑必须安装智能电表，并对智能电表的功能界定如下：必须具有双 向数据传送功能，远程遥控开关功能，远程编程功能，自带信息存储功能，监控电 压并反馈信息功能，断电定位功能；电表必须以小时为单位进行读表，当天传递数 据，数据信息提取间隔精确到１５分钟或者更短；电表支持自动负荷控制，支持实时 定价、分时定价，并可以计算用户自发电量。英国对安装智能电表的试点用户及电 网进行优化运行效果测试，根据智能电表监视器统计数据初步测算出：由于优化用 电方式，一个普通家庭用户年电费支出削减潜力为１３％－１５％ｆ９１。英国政府预计，若 全国２６００万家庭安装智能电表，可以为用电客户和能源公司在随后的２０多年中节 省支出２５亿一３６亿英镑，减少３％－１５％的能源消耗，社会效益和环境效益明显【９１。 同时节能减排也是智能电网发展的内在动力。２００９年美国总统奥巴马提出加快智能

电网建设，促进经济复苏，促使智能电表发展的全面提速。发展情况主要体现在以 下几方面： 计量方面：文献［１２］采用ＡＴＴ７０２２Ｂ的电能专用计量芯片，实现了电流、电压的 有效值、频率以及有功功率、无功功率的准确测量。电表外围电路简单、计量精度 高。文献［１５］采用的是ＳＡＭＥＳ公司的ＳＡ９９０４Ｂ专用电能计量芯片，实现了电流、电 压等有功和无功电能参数的测量，充分利用芯片的内置功能模块，减少了外围电路。 文献［２５］利用ＡＤＥ７７６３电能计量芯片测量有功电能和视在电能达到了设计精度要 求。 通信方面：文献［１０］采用ＣＡＮ总线传输。具有通信速率高、可靠性强、连接方 便和性能价格比高等特点，总线在速度上和距离上都比ＲＳ４８５总线要优越得多。文 献［１３］采用ＬａｎＷｏｒｋｓ现场总线，通过ＬａｎＷｏｒｋｓ主控制模块通信，给用户组网提供 方便。文献［１４］采用ＧＰＲＳ的无线传输方式，数据传输速率非常高。文献［２６］采用电 力线载波通信方式，实现了从无线到有线，从近距离到远距离的通信传输功能。 可靠性方面：文献【２４］在数据采集电路和远程传输电路中都设计了光电隔离电 路和独立的看门狗电路，并且采用了两种存储器，一种是Ｘ５０４５内部的５１２字节 的非易失存储器；另一种是独立的直接与ＣＰＵ接口的非易失存储器Ｗ２４Ｃ１６。两 种存储器相互配合，配以软件措施，实现数据的非易失、高可靠存储。文献［２７】主 要是数据存储的安全防护，数据存储方面主要采用ＦＬＡＳＨ芯片和Ｅ２ｐＲＯＭ芯片， 数据的访问要通过密码。 功能方面：文献［１０】实现实时分段计量及负荷分段计量。ＭＣＵ通过ＳＰＩ通讯口 实时地访问ＡＴＴ７０２２Ｂ，起到实时监控电网中的电流电压值、有功功率、无功功率、 电能、功率因数等各类参数；文献【ｌｌ】实现复费率、最大需量计量以及停电抄表功能； 文献［１２】实现对有功、无功、视在功率、双向有功和四象限无功电能，以及电压和 电流有效值、相位、频率等电参数的准确测量。

１．２．２我国智能电表的发展

我国的智能电表研究推广时间与国际基本同步，但由于受以下几方面因素的影 响，我国智能电表技术与国外水平存在较大差距。一是核心技术缺失。高端市场基 本被国外产品占领，即使是国产品牌，芯片、电解电容、液晶显示屏（ＬＣＤ）等核 心部件均采用国外产品或技术，自有技术支撑能力薄弱；二是生产厂家分散，直接 导致研发力量不足，核心技术突破进展缓慢。目前，我国各种类型电表年产量已达２ 亿台以上，生产厂家有５００多家，产品主要以面向国内居民和工商业用户为主，而 精度要求较高的高端产品，国外产品仍占据主导地位；三是集成能力落后于国际水 平。我国智能电表生产研发的核心技术分散在电子、机械、电力等多个行业，技术

集成难度较大。即使单项专业技术接近国际水平，但由于集成环节或安装工艺存在 短板，电表产品的应用性能仍然难以满足要求。 长期以来，我国商用住房交流电度表主要为手工抄表方式，甚至有些落后地区 还在使用机械式电表。在社会走向信息化、网络化，电力系统大踏步走向现代化的 今天，手工抄表和机械式电表成为制约供电系统现代化管理的一大障碍，就是现在 使用的全电子式的智能电表大部分也是集中式单相用户电表。同时智能电网要求智 能电表能实现带有时标的多种计量，即能根据需要同时实现多种计量（如ｋＷｈ、

第二章系统的硬件设计 ２．１系统总体设计思想

智能电网要求数据通讯和分布式计算设施是开放式的和基于标准的，并且兼容 各种各样的物理媒介的通讯和嵌入的计算技术。因此根据智能电网的设计要求，该 智能电表系统总体设计框图２．１如下：

ｌ信息采集电路ｂ＝令 ｌ 显示电路ｂ＝＝ ｌ通断控制电路ｌ牟一

（ＳＴＣ １ ０Ｆ０８ＸＥ）

剖ＲＳ４８５：ｉ酥ｆｆ

图２．１系统的总体设计框图

２．２系统的关键技术和性能指标

技术关键性问题： １、数据传输、存储及其安全问题； ２、时钟精度问题。 主要的性能指标： １、额定电压：３Ｘ２２０（３８０）Ｖ，额定电流：Ｉｂ＝１５Ａ，Ｉ。＝６０Ａ； ２、智能电表脉冲常数：１６００ｉｍｐ／ＫＷｈ； ３、用电户数：１２户一３６户可选： ４、费率规范：尖、峰、谷、平； 时段设置：８个时段，每个时段的时间最少不小于３０ｍｉｎ； ５、国家校表精度二级（２．０）标准。
三项多用户智能电表的硬件设计主要包括以下几个方面：ＳＴＣＩＯＦ０８ＸＥ单片机组

成系统的控制单元；电源电路为电能计量芯片、显示模块等供电；ＡＴＴ７０２８Ａ芯片构 成系统的采集通道；电波钟表接收模组ＲＣＣＯＩＡ保证系统的时间准确性；另外还有通 信模块、存储电路、显示电路等。下面分节详细介绍。

ＳＴＣＩＯＦ０８ＸＥ单片机是宏晶科技生产的单时钟／机器周期（ＩＴ）的单片机，是高 速、低功耗、超强抗干扰的新一代８０５１单片机，指令代码完全兼容传统８０５１，但 速度快８―１２倍。内部集成高可靠复位电路，针对高速通信、智能控制、强干扰场合。 主要特性： １）增强型８０５１ＣＰＵ，１Ｔ，单时钟／机器周期，指令代码完全兼容传统８０５１ ２）应用程序存储空间８Ｋ字节

４）４４根Ｉ／０口线，根据需要可以设置为４种工作模式：准双向口，推挽，输 入，开漏。每根Ｉ／Ｏ口线驱动能力可到达２０ｍＡ ５）有Ｅ２ｐＲＯＭ功能 ６）专用复位电路和硬件看门狗 ７）２个１６位定时器 ８）外部中断ｉ／ｏ口５路，传统的下降沿中断或低电平触发中断 ９）一个独立的通用全双工异步串行口（ＵＡＲＴ），做主机时可以当２个串口使用 １０）具有在系统可编程功能（ＩＳＰ），通过串口直接下载用户程序，无需专门编 程器。 鉴于以上优点，单片机ＳＴＣＩＯＦ０８ＸＥ可以满足系统设计的要求。在本系统中单片 机ＳＴＣＩＯＦ０８ＸＥ主要完成系统的控制功能。如用电量、功率、电压、电流等多种参数 的计量；用户信息、用电量、预付费等的安全存储；用户信息、用电情况的轮流显 示等。单片机ＳＴＣＩＯＦ０８ＸＥ的电路连接如图２．２：

晶振电路采用石英晶体和电容组成并联谐振电路，电容选用３０ｐＦ的瓷片电容， 晶振为１１．０５９２ＭＨｚ。设计电路板时，晶体和电容与单片机芯片尽量靠近，以减少寄 生电容，保证振荡器稳定可靠工作。 ＳＴＣ系列单片机具有在系统可编程功能，可以直接通过串口ＩＳＰ下载程序，不 需要专门的编程器，也不必将芯片从ＰＣＢ上卸下，为程序下载和在线程序升级提供 很大便利。ＩＳＰ下载电路为一个标准ＲＳ一２３２Ｃ串口通信电路，电路设计如图２．３所

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图２．３ ＳＴＣｌ０Ｆ０８ＸＥ的ＩＳＰ功能电路

数据采集电路选用锯泉光电科技（上海）有限公司的ＡＴＴＴ０２８Ａ专用计量芯片实 现。ＡＴＴＴ０２８Ａ是一颗高精度三相有功电能计量芯片，支持软件校表以及电阻网络校 表，ＡＴＴ７０２８Ａ适用于三相三线和三相四线模式。内部集成了六路二阶ｓｉｇｍａ―ｄｅｌｔａ ＡＤＣ、参考电压电路以及所有功率、能量、有效值、功率因数以及频率测量等电路。 能够测量各相以及合相有功功率、无功功率、视在功率、有功能量【ｌｌＪ。同时还能测 量各相电流、电压有效值、功率因数、相角、频率等参数。具有ＳＰＩ接口，方便与 外部ＭＣＵ之间进行计量参数以及校表参数的传递，充分满足三相复费率多功能电能 表的要求。ＡＴＴ７０２８Ａ内部具有电压监控电路，保证加电和断电时正常工作。ＡＴＴＴ０２８Ａ 的内部结构框图如图２．４所示。

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图２．４ ＡＴＴ７０２８＾的内部结构框图

图２．５是ＡＴＴ７０２８Ａ的外围电路图。

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图２．５ ＡＴＴ７０２８Ａ芯片的外围电路

本电能表可以同时测量１２个三相户、３６个单相户的用电情况，计量电路由Ａ、 Ｂ两块计量板组成，每块ＰＣＢ板设计１８个通道，两块电路板共用电压输入信号。 三相电压采集电路设计如２．６所示，参比电压（２２０Ｖ）下，电压通道的采样电 压输出０．５Ｖ，送入ＡＴＴ７０２８Ａ相应电压输入引脚。

图２．６电压采集电路设计

电流采样电路主要由电流互感器以及三片ＣＤ４０５１组成。电流通道输入１０００ＭＶ 到２ＭＶ的信号时电流有效值的误差小于０．５％。其中一路电流采集信号的电路如下图 ２．７所示。 ＣＤ４０５１是八选一的单通道数字控制模拟电子开关，有三个二进制控制输入端Ａ、 Ｂ、Ｃ，幅值为４．５Ｖ一２０Ｖ的数字信号控制峰峰值为２０Ｖ的模拟信号。ＥＮ控制输入为 低电平，一直处于选通状态。

Ｕ１．Ａ ｌｌ Ｕｌ－Ｂ Ｕｌ―Ｃ ＣＨｌ ｌ ２ ３ ＩＮｌ ＩＮ２ ＩＮ３ ＣＯＭ ｌＯ ９

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图２．７电流通道的采集电路设计

应用ＡＴＴ７０２８Ａ应该注意的问题： ?ＡＴＴ７０２８Ａ内有效值、功率等寄存器的更新是自动进行的，所以数据读取要保 证在更新时间（约１／３ｓ）以内完成，不然数据会部分丢失【ｌ ?芯片复位后一般等待２００

Ｓ左右才能通过ＳＰＩ进行读写操作。

本系统设计的智能电表可对用户电量实现分时计量，具备复费率功能。同时， 也可按上级系统采样时间要求，采集电网相应电参数进行存储和远传。因此电表对 时间的准确性要求非常高。 系统时钟电路采用实时时钟芯片完成，但芯片时钟运行易受周围环境的影响存 在走时误差，若是网络系统应用，可由上位机定时校准以提高走时精度。而在独立 使用时，缺乏一种校时机制以克服走时误差，累积后将对分时计量产生影响。 系统时钟电路设计采用实时时钟芯片ＤＳｌ３０２和授时模块共同组成。ＤＳｌ３０２以 实时时钟方式运行，作为系统基本时基，产生系统所需秒、分、时、日、月、年的 时钟日历信号，在－４０℃一＋８５＂Ｃ环境下基本上可以保证时间的准确性。但仍受温漂、 晶振精度等影响，不能保证应用所需。 电波钟表接收模组ＲＣＣＯＩＡ是根据原子的精度来制造的计时产品。ＲＣＣ０１Ａ采用 ＣＭＥ６００５内置芯片接收原子发射台的定期信号。原子发射台定期发射信号，频率每 三千年只差一秒，所以非常准确。但电波钟表接收模组受干扰几率大，不能保证每 次都接收到信号，所以只作为ＤＳｌ３０２的校时，不作为系统时钟。

这种系统时钟设计方法既保证了时间的准确性，又可以不受环境温度的影响， 可靠性更高。 表２．１是各种授时方式在时间精度、定时精度、校频精度等方面的优劣比较。

表２．１各种授时方式的比较

授时精度 电话授时 网络授时 短波授时 长波授时 电视授时 卫星授时

＜３０ｍｓ ＜１５ｍｓ

０．５－１０ｕｓ ｌＯｕｓ

（卜１０）ｘｌＯ‘１２

系统时钟ＤＳｌ３０２的电路设计图２．８。

ＶＣＣ２ＶＣＣｌ Ｘｌ ｘ２ ＧＮＤ ＳＣＬＫ

８ ７ Ｐ２ ４―Ｊ ３．３Ｖ

图２．８ Ｉ）Ｓ１３０２时钟电路

电波表接收模组的技术原理：首先，由标准时间授时中心将标准时间信号进行 编码，利用低频载波方式将时间信号以无线电长波发播出去。电波钟表通过内置微 型无线电接收系统接收该低频无线电时码信号，由专用集成芯片进行时码信号解调， 再由计时装置内设的控制机构自动调节钟表的计时【２８Ｊ。通过这样一个技术过程，使 得所有接收该标准时间信号的钟表都与标准时间授时中心的标准时间保持高度同 步，进而全部电波钟表显示严格一致的时间。 电波钟表接收模组ＲＣＣＯＩＡ只通过两根Ｉ／Ｏ口和控制器相接，不需要任何的外围 电路，连接方便，准确性高。图２．９是电波钟表接收模组的原理图。

６ ７ ｌＯ ｌｌ ２

图２．９电波钟表接收模组电路

２．３．４．１红外通信电路 红外通信是利用９５０ｎｍ近红外波段的红外线作为传递信息的通信信道。发送端 将基带二进制信号调制为一系列的脉冲串信号，通过红外发射管发射红外信号；接 收端将接收到的光脉冲转换成电信号，再经过放大、滤波等处理后送给解调电路进 行解调，还原为二进制数字信号后输出【２９１。 红外收发电路设计如图２．１０所示。串行发出的数据信号和调制载波信号（３８ＫＨｚ 方波信号，由单片机经内部定时由Ｐ２．５输出）经７４ＨＣ０８８１Ｒ双输入与门调制后，由 红外发射管ＬＥＤ２将调制好的信号发射出去。接收模块ＴＳＯＰｌ７３８对接收到的红外信 号自动进行选频接收，并解调输出。红外通信适用于近距离人工手持抄表器进行抄 表、设置等操作。

图２．１０红外通信电路

为实现远程通信，结合单片机自身特点，系统设计了ＲＳ一４８５通信电路，也是国 家电力总局颁布的《多功能电能表通信规约ＤＬ／Ｔ６４５－２００７》约定的远程通信方式。 ＲＳ－４８５通信具有以下特点： ●ＲＳ一４８５接口信号电平与ＴＴＬ电平兼容，方便与ＴＴＬ电路连接 ?ＲＳ－４８５数据最高传输速率为ｌＯＭｂｐｓ，最大传输距离标准值为１２００米 ?ＲＳ－４８５接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干扰能力增强， 即抗噪声干扰性好 ?具有多站能力，根据接口芯片不同，在总线上允许连接３２个以上的收发器， 方便地建立设备网络 电路设计如图２．１ｌ所示。

兰；一Ｒ一垭２；ｊ∞一

图２．１１ ＲＳ．４８５通信电路

根据国家电表标准的要求，复费率电表设有尖、峰、平、谷４种费率和８个时 段，每个时段采用４种费率中的１种，把费率相同的所有时段所计量的电能累计在 一起，从而把计量的总电能分为４种不同价格的电量。该电表以五位整数一位小数 形式显示用户的用电量，显示的最大数为９９９９９．９，用电超过此值，系统自动回零。 每户分配４个字节作电量存储，可以计算电表数据存储所需的最大空间：１２（户）木３
（相）术４（Ｂ）术８（时段）爿‘４（费率）＝４６０８

电表带有定时计量功能，设定计量间隔为３０ｍｉｎ，需要４８（次）．１２（户）术３（相）

青岛大学硕士论文 爿ｃ４（费率）＝６９１２ Ｂｏ

而ＳＴＣＩＯＦ０８ＸＥ芯片的内部Ｅ２ｐＲＯＭ容量是５ＫＢ，所以无法满足设计要求，需要扩 展存储电路。ＦＭ２４Ｃ６４是８ＫＢ的铁电串行存储器，采用该铁电存储器完成存储扩展 电路的设计。 铁电存储器的特点： １）非易失性的存储特性； ２）ＦＲＡＭ读写速度快，本质上没有写延时，不存在如Ｅ２ｐＲＯＭ的最大写入次数的 问题； ３）ＦＭ２４Ｃ６４是一种串行非易失存储器，结构容量为８１９２．８位，工业标准二线 制串行接１３，与串行Ｅ２ＰＲＯＭ的功能操作相似，并且与Ｅ２ｐＲＯＭ具有相同的引脚排列。 ＦＭ２４Ｃ６４采用１２Ｃ协议，共有开始，停止，数据以及应答四个状态，时序图如图 ２．１２所示

姒―■■弋――Ｌｆ’∥■■ｎ 默―ｔ，÷ｊ鲁喜蛙霎孳：■÷

７‘。‘。? ｒ?ｔ－－． ｆ－?－?－ ｒ－?－－。

Ｉ）ｃｒｔｏ晚．＾ｃＩｃｎｏ―ｅｄｑｅ

图２．１２数据传输协议

ＦＭ２４Ｃ６４的电路连接图如图２．１３所示：ｗＰ引脚用来对内存阵列进行写保护，ｗＰ 引脚拉高后，对所有内存地址的高１／４部分进行写保护（１８００卜ｌＦＦＦＨ）。ＦＭ２４Ｃ６４不 会应答试图写入内存的数据。ＷＰ拉低后，写保护特性不起作用。ＣＰＵ通过Ｐ２．７管脚和 Ｐ２．６管脚实现时钟和数据的控制。

Ｕ４ １ ２ ３ ．４ Ａ０ Ａ１ Ａ２ ＶＤＤ ８ ７ ６ ５
Ｐ４ ４ Ｐ２ ７ Ｐ２

图２．１３ ＦＭ２４Ｃ６４存储电路

显示电路用来显示电表系统中各位用户的用户信息、用电量以及预付费情况等。 用户可以通过数字直观的了解自己的用电情况，方便快捷。 显示电路采用１０位ＬＥＤ来完成电路设计。数码管是共阳极的，为了提高数码管使 用寿命，在数码管的公共端串接了１００欧姆的电阻，加强对数码管的保护。 十位ＬＥＤ的前四位用来显示用户编号或用户户号，后六位以五位整数一位小数形 式显示用户的用电量，显示的最大数为９９９９９．９，用电超过此值，系统自动回零。显 示电路以分时方式轮流显示用户的用电信息和系统信息，每４秒钟刷新一次，更新显 示用户户号及正常情况下的用电量、预付费方式时用户剩余电量、实时日历时钟、
三Ｘ．，‘―１＿‘―Ｊ―ｌ广２＂４，、－一Ｉ－－１

Ｊｔ二＾．’Ｉ，Ｊ’，∞Ｚ＾．，ＩＪ

７Ｄ曼、’Ｄ７ｎ尘―ｒ１日，１＊、，ＩＪ／ｊ‘＾．、―“岫?Ｅ止１日』ｌ孙，―叮ｃ

前两位ＬＥＤ显示连接图如图２．１４所示。

Ｕｌｌ ＋５Ｖ Ｕ１２ ＋５Ｖ ?ＶＣＣ ＣＬＲ Ａ ＋５ １４ ９ ００ ｌ ２ ８ ７ ＧＮＤ

ＱＡ ＱＢ Ｑｃ ＱＤ ＱＥ ＱＦ ＱＧ ＱＨ

３ ４ ５ ６ ｌＯ ｌｌ １２

７ ６ ４ ２ Ｉ ９ １０

ＶＣＣ ＣＬＲ Ａ Ｂ ＣＬＫ

ＱＡ ＱＢ ＱＣ ＱＤ ＱＥ ＱＦ ＱＧ ＱＨ

３ ４ ５ ６ ｌＯ ｌｌ １２

７ ６ ４ ２ ｌ ９ １０

Ｐ０ ０Ｉ ２ －－－－－●－－一 Ｂ

ＣＬＫ ＧＮＤ ７４ＨＣｌ６４

ｇ ＤＰ Ｄｐｙ Ｂｌｕｅ－ＣＡ

Ｒ２２Ｌ 。乙１兰● ＤＰ．１ｌＪ

３． ８’ ’１００ｐ Ｐ０ ｌ

图２．１４ ＬＥＤ显示电路

如图２．１４中所示，单片机的Ｐ０．０管脚作为７４ＨＣｌ６４的串并数据移位寄存器的数捷 输入引脚，ＰＯ．１作为其时钟输入引脚，采用级联的方式进行连接。采用这种静态能 显示方式，可以减轻ＣＰＵ负担，提高ＣＰＵＩ作效率。

为提高电表的抗干扰性能，除了启用单片机ＳＴＣｌ０Ｆ０８ＸＥ内部看门狗监视程序运 行外，系统还设计了单独看门狗电路。本设计采用ＩＭＰ公司推出的ｕＰ监控系列产品 ＩＭＰ７０６。在系统中实现以下作用： （１）上电复位。上电时ＩＭＰ７０６会自动产生２００ｍｓ的复位脉冲，单片机高电平复 位。 （２）程序监视。看门狗定时器ＷＤＩ的输入ＷＤＩ，接单片机Ｐ０．７，若单片机工作 正常，ＰＯ．７在规定的１．６ｓ时间内输出一个上升沿或下降沿给ＷＤＩ，看门狗定时器 会被清零，ＷＤＩ不会发生超时溢出而产生复位信号。若单片机工作不正常，不能保

证１．６ｓ内ＷＤＩ保持高电平或低电平不变，则ＷＤＩ超时溢出并将ＷＤＯ变为低电平， 并直到看门狗定时器被清零才变为高电平，此时ＭＲ被拉低，导致ＲＥＳＥＴ输出高电 平，产生单片机复位信号。 （３）掉电监控。当电源电压出现故障时，例如当电源低于１．２５Ｖ时，ＰＦＯ引脚 为低电平，此引脚跟单片机外部中断引脚Ｐ３．４相连，则此时会产生中断信号，单片 机采取相应的动作。 ＩＭＰ７０６的硬件连接如图２．１５，ＷＤＩ检测单片机Ｐ０．７口的脉冲变化，当单片机 运行有故障，ＰＯ．７口１．６ｓ无上升沿变化时，ＷＤＯ输出低电平。由于ＷＤＯ通过二

极管接磁，相当于手动产生复位信号，使单片机复位后重新进入正常运行ｆ３５】。

ＶＣＣＲＥＳＥＴ ＭＲ
Ｄ －ＧＮＤ ｔＭ［Ｐ７０６

要实现对ＣＰＵ程序的监控，必须通过两根信号线和ＣＰＵ连接，如图２．１５所示：通 过Ｐ０．７管脚ＣＰＵ将自身正常工作的状态指示信号传递给看门狗，处于监视状态的看门 狗如果能够在一定时间内收到有效的喂狗信号，就会确认计算机工作正常，并继续 监视而不发出控制信号；如果在一定时间内没有收到有效的喂狗信号，就会确认计 算机工作失常，Ｐ３．４发出复位信号。使用ＩＭＰ７０６时应注意以下两点【３５Ｊ： ?当ＶＣＣ降至１．１Ｖ以下时，ＩＭＰ７０６的ＲＥＳＥＴ输出不稳定，此时，可在ＲＥＳＥＴ管

脚接一个１００千欧的下拉电阻，以吸收到地的杂散电荷并保持欠脚丁为低电

平。 ●ＩＭＰ７０６的电源故障电路也能监视负电源电压，当负电源电压正常时，ＰＦＯ为 低电平；当负电源变差（不够负）时，ＰＦＯ为高电平（正电源被监控的情 况于此相反）。为了触发复位，需将ＰＦＯ反相后接至ＭＲ端。

２．３．８供电通断控制电路

由于该智能电表具有预付费功能，所以该用户处于欠费状态时，系统应该能够 自动断电；续交电费后，能够自动送电。系统的自动通断电由自动控制电路实现。

控制电路主要由７４ＨＣｌ６４八位边沿触发式移位寄存器和７４ＨＣｌ４５ ＢＣＤ十进制译 码器／驱动器构成，如图２．１６所示。 供电控制数据通过７４ＨＣｌ６４数据输入端（Ａ或Ｂ）串行输入，在移位时钟（ＣＰ） 作用下输出到ＱＡ－ＱＨ作为７４ＨＣｌ４５的译码输入信号（Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ）。 如图２．１６所示：

３一 ４ ５ ６ １０ ｌ ｌ １２ １３
Ｂ Ｃ Ｄ６ Ｄ５ Ｄ４ Ｄ３

ＩＩ １００ＤＦ Ｉ｜

ＣＬＲ ＣＬＫ ＧＮＤ

ＱＤ ＱＥ ＱＦ ＱＧ ＱＨ

ＶＣＣ Ｙ６ Ａ Ｂ Ｃ Ｄ ＧＮＤ Ｙ７ ＹＯ Ｙｌ Ｙ２ Ｙ３ Ｙ４ Ｙ５ Ｙ８ Ｙ９

继电器采用磁保继电器。磁保持继电器是近几年发展起来的一种新型继电器， 也是一种自动开关。和其他电磁继电器一样，对电路起着自动接通和切断作用。当 继电器的触点需要开或合状态时，只需用正（反）直流脉冲电压激励线圈，继电器 在瞬间就完成了开与合的状态转换。通常触点处于保持状态时，线圈不需要继续通 电，仅靠永久磁铁的磁力就能维持继电器的状态不变。继电器动作表如表２．１。

继电器状态 继电器Ａ闭合，其他状态不变

Ｙ０＝０，其他为ｌ ＹＩ＝０，其他为１ Ｙ２＝０，其他为１ Ｙ３＝０，其他为１

Ｙ４＝０，其他为ｌ Ｙ５＝０，其他为１ 全为１

继电器Ａ断开，其他状态不变

继电器Ｂ闭合，其他状态不变

继电器Ｂ断开，其他状态不变

继电器Ｃ闭合，其他状态不变 继电器Ｃ断开，其他状态不变 继电器Ａ、Ｂ、Ｃ状态不变
电源是电表正常运行不可缺少的单元。该直流电源是由２２０Ｖ市电经变压、整流、 滤波、稳压而形成。实现为ＣＰＵ、数据采集模块、通信模块和显示模块等芯片的＋５Ｖ 供电。 为了保证该电源模块的正常稳定输出，电源设计采用了缺相保护措施。利用二 极管Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３的单向导通性，当三相电压的某一项或某两项缺失时，仍能保证电 源系统的稳定正常输出。电路连接图如图２．１９：
软件设计采用汇编语言可以更好的控制时序和代码空间。包含电量采集模块、 信息显示模块、数据存储模块、远程通信模块、通断控制模块等。软件设计过程中， 考虑到高可靠性要求，采用了必要的软件抗干扰措施，如软件陷阱、指令冗余、程 序运行监视、数据校验、数据备份等措施。
系统的主程序主要是ＣＰＵ控制其他子模块的正常、有序运行。主程序的流程图如 图３．１所示：
为了用户的利益，保护电量数据和用户信息不被非法篡改和盗用，因此设计了 数据加密程序。数据加密是对原来为明文的数据使用某种算法进行处理，使其成为 一段不可读的代码的过程。常用的几种加密算法有ＤＥＳ、３ＤＥＳ、ＲＳＡ、ＩＤＥＡ等。这些 加密算法可靠性高，但算法复杂，运算负担也大。 数据加密是服务端与客户端进行通信时，首先要进行双方的身份认证。只有确 定了双方的身份后，才能建立起数据传输通道。当服务端接收到对方的请求后，会 产生一随机编码，客户端会将户号和随机编码异或产生的密钥发送回服务端，服务 端经过信息解密以及验证后，若认证通过，则发送认证信息，这样双方就可以进入 实际的数据发送。图３．２是详细的实现过程。 服务端 客户端

图３．２数据的加密传输

ＡＴＴ７０２８Ａ计量芯片的参数是通过对电压、电流采样通道的电压采样值、电流采 样值经过平方、开方、数字滤波、积分等一系列的运算得到的。包括电压、电流、 功率、频率、功率因数、有功电能等参数，并将这些参数保存在专门的寄存器中， 通过ＳＰＩ接ＶＩ传送给ＣＰＵ。图３．３是ＣＰＵ读取ＡＴＴ７０２８Ａ参数的读取过程。
ＡＴＴ７０２８Ａ的初始化
ＡＴＴ７０２８Ａ的软件校正
通过ＳＰＩ接口，读取参数

图３．３参数的读取 表３．１单片机存储区分配表

００００Ｈ――０００ＦＨ

电表的基本参数（总户数、小区号、楼号、单元

号、是否预付费表、电表操作密码等）
００１０Ｈ－００５ＦＨ

时段及费率（时段的开始时间（时、分）、费率） ３６户户号存放区。每户２字节，压缩ＢＣＤ码。如

２０１室，存０２、０ｌ。

００６０Ｈ－００Ａ７Ｈ

００Ａ８Ｈ――１２Ａ７Ｈ

３６户的电量存储，４６０８字节

１２Ａ８Ｈ一１３３７Ｈ

３６户预付费情况（剩余电量），１４４字节

１３３８Ｈ―?１３ＦＦＨ

而ＳＴＣＩＯＦ０８ＸＥ芯片的内部Ｅ２ｐＲＯＭ容量是５ＫＢ，主要是保存电表的基本参数、电 量以及预付费情况等。单片机存储区分配表如表３．１。 ＦＭ２４Ｃ６４的结构容量为８１９２．８位，考虑到页写特性，分配内存地址时以４Ｂ为 基本单元。 ＦＭ２４Ｃ６４电量存储，每户４字节，压缩ＢＣＤ码，存放循序为ＸＸ、ＸＸ、ＸＸ、ＸＸ， ３６户总计１４４字节，以此为一组，按时段或采样时间存放。存放循序分配如表３．２ 所示。

ＦＭ２４Ｃｍ存储区分配表

００００Ｈ－００８ＦＨ

第一时段各户电量总值 第二时段各户电量总值 第三时段各户电量总值 第四时段各户电量总值 第五时段各户电量总值 第六时段各户电量总值 第七时段各户电量总值 第八时段各户电量总值

００９０Ｈ―０１ １ＦＨ

０１２０Ｈ－０１ＡＦＨ

０１ＢＯＨ－０２３ＦＨ

０２４０Ｈ―?０２ＣＦＨ

０２ＤＯＨ－０３５ＦＨ

０３６０Ｈ－―０３ＥＦＨ

０３ＦＯＨ――０４７Ｆｉｔ

０４８０Ｈ－０５０Ｆｉｔ

第一采样时刻电量值 第二采样时刻电量值

０５ １ ０Ｈ－０５９ＦＨ

１ＥＦＯＨ――１Ｆ７ＦＨ

第四十八采样时刻电量值

１Ｆ８０Ｈ－１ＦＦＦＩｔ

用户电量是不断变化的，因此存储区的计数值也是不断变化的。按照国家标准， 设计每隔４Ｓ刷新一次显示数据，采用‘户号．电量值’格式轮流显示相关数据。４Ｓ 定时由单片机ＴＯ来实现，定时到后清除定时标志。其流程图如图３．４所示：
ＲＣＣ０１Ａ时钟模组的采用的是ＣＭＥ６００５解码芯片。ＣＭＥ６００５是一款高度集成的 ＢＩ―ＣＭＯＳ低频接收解码芯片，是一款高灵敏度，低功耗的芯片，能解调多国电波信 号，包括美国、德国、日本、英国和瑞士等。由于我国发射信号的时间编码暂时保 密，与日本又地域临近，所以可以根据日本的时间信号编码表解码。图３．５是日本 发射信号的时间编码表。 ＲＣＣ０１Ａ时钟模组的校准方式和一般的时钟芯片如ＤＳｌ３０２的校准方式不同。它 是由国家授时中心将标准时间通过电波发送出去，计时设备接收到信号后通过解码 并校正本机时间，保持高度同步。它的时间编码包含以一分钟为单位的帧。在第五 十九秒和第零秒连续两个定点位代表一个新帧的开始。一整帧里含有以ＢＣＤ格式编 码的时间资讯包括：分、时、日、年、月、秒和六个定点位Ｐ０一Ｐ５。另外，编码里 也含有两个代表闰秒的特殊位和两个校位。

Ｔ。。ｉｎｍ幽ｅｘｆｒ∞ａｍ∽ｅ。，１话ｍ∞ｉｎ嘣ｕｔｅ，――――――――――――斗

《Ｉｎｄｅｘｃｏ∽ｔ’ｓ∞ｏ嘣）

Ｉ＿Ｉ－幽扯血幽三山址幽：山幽幽挫山２刖幽本划曲：幽扛幽她！叫ｕ １．

Ｌ啪嗡儿ｈｏｕｒｓ＿』Ｌ

ｙ―ｅａｒ－ＪⅦＬ朗ｐ一

图３．５发射信号的时间编码

在一秒的时间内，如果高电平的时间为０．５秒，则认为是“ｌ”；高电平的时间 为０．８秒，则是“０’’；高电平的时间为０．２秒，则是定点位“Ｐ”。单片机可根据这 些特征，计时采集到的高电平宽度，确定出相应时间信息。程序设计流程图如３．６ 所示。

大于０．３Ｓｄｘ于 ０．６Ｓ，则ｌ

７ｌ魍１再’传这双倨 挥黼擎；１１

电波授时受干扰因素影响，往往不能按预期设定接收有效信号，暂不能将其作 为时钟信号加以使用。可设定每天定时校正两次，校准时间可自行设定，如每天的 晚１２点，上午１０点等。

《多功能电能表通信规约ＤＬ／Ｔ６４５―２００７））为主一从结构的半双工通信方式。通

信链路的建立与解除均由主站发出的信息帧来控制，且每帧的帧起始符为６８Ｈ。因 而根据帧起始符６８Ｈ的结构特点，设计了一种波特率自适应方法。使智能电表能够 根据传送的信息帧的波特率，自动调整自己的通信波特率，实现与主站的通信。 《多功能电能表通信规约ＤＬ／Ｔ６４５―２００７》规定传输以字节为基本单位，再加上 一个起始位０、偶校验位Ｐ和停止位１共１１位，先传低位后传高位。所以帧起始符６８Ｈ 的传输格式为：００００１０１

１。由单片机的检测管脚Ｐ３．５可以得到接收信号电平变化

的时间。由这些时间可以计算出传输一位二进制码的时间ｔｂ，则主站的传输波特率 ＢＰＳ可由公式３一（１）算得，

根据波特率计算公式３一（２） ＢＰＳ＝２ｓＭＯＤ＊ｆｏｓＪ［３２．１２．（２８一初值）］ 可以得到相对应的初值，称其为预测初值。ＳＭＯＤ值可根据需要设置为Ｏ或ｌ。 误差允许范围内，根据预测初值找到标准初值，从而确定出标准的波特率。 种波特率的自适应设计方法，使产品具有互换性，即使不同厂家产品的波特 也可以实现通信。 体的ＲＳ４８５通信的波特率自适应实现过程在论文《基于特定帧起始符的波特 应设计》文中有详细的介绍。

第四章软件校表及实验数据

该三相多用户智能电表采用三相四线式接法。Ａ、Ｂ、Ｃ相对于零线都是对称的。 所以可以选择三相中的任一相测量，并记录测量结果。以下数据都是基于Ｃ相电测 量记录的。
电压有效值寄存器数值采用补码形式给出，所以实际电压的有效值为

‰＝‰幸２１０／２２３

根据电压的增益计算公式

Ｕ咖＝ｎｖＴ［Ｕ蛐搴２２３】４－（３） 否则Ｕ翰ｊｎ＜０，则

ｕ嘶＝ｎｒｒ［２２４＋‰宰２２３】４－（４）

实测电压Ｕ，＝２３４．９３Ｖ，根据上述公式可得Ｕ曲一０．１５３６。所以电压校正寄存器 的数值为ＯＥＣ５５ＥＡＨ。 电压有效值校正后的测量值如表４．１。

第４章软件校表及实验数据

表４．１电压有效值的校正

２３３．５５ ２３３．８０ ２３４．２９ ２３４．８４ ２３４．１８ ２３４．８６ ２３３．６３ ２３５．０７
２３４．６４ ２３４．１８ ２３４．１２ ２３３．８５ ２３３．９１ ２３３．８６ ２３３．１２ ２３３．２３ ２３３．１４

２２９Ｄ９８ ２２９４９Ｆ ２２８６ＤＯ ２２Ａ３Ｄ６ ２２８９９０ ２２９７Ｅ６ ２２ＢＢＥＥ ２２ＢＡ７０ ２２８７８Ｃ ２２９Ｃ５８

ＩＤ３ＣＦ６ ＩＤ３８７７

ＩＤ３Ｆ７８ ＩＤ３３ＤＥ ＩＤ３２００

２３４．８９ ２３５．０６ ２３５．１８ ２３５．０５ ２３４．４２ ２３５．２７ ２３４．１９ ２３４．４２

２３３．３２ ２３３．４２

２３３．５２ ２３３．１５ ２３３．１６ ２３３．１８ ２３３．１５ ２３３．１６ ２３３．３２

２２ＣＥ６８ ２２８８６０ ２２Ａ７７２ ２２ＣＥ６８

ＩＤＥ２３２ ＩＤＥ３４２

由表４．１可见，校正后实际测量的数据在误差允许范围内略大于实际电压。

在０２０时，标准表上读出实际输入电流有效值Ｉ，，通过ＳＰＩ口读出测量电流

有效值寄存器的值为Ｉ。 则测量电流有效值

ｋ。＝１＂２１０／２２３

根据电压的增益计算公式

青岛大学硕士论文 ４一（６）

否则‰＜０，则 ｏ＝ＩＮＴ［２２４＋ｏ?２２３】

实测电流为Ｉ＝４．３５Ａ，根据上述公式，可得电流有效值校正寄存器的值为

电流有效值校正后的测量值如表４．２。

表４．２电流有效值的校正
２７９２０ ２ＣＥ４０
２２．４２ ２２．３９ ２２．４４ ２２．４４ ２２．４１ ２２．１４ ２２．３８ ２２．５０ ２２．３６
２Ｅ８１０ ２Ｅ８００
２３．２７ ２３．２８ ２３．２９ ２３．２３
２Ｅ９８０ ２Ｅ７ＡＯ ２ＥＡ４０ ２Ｅ９２０

２ＣＥ２０ ２８２Ａ０ ２ＣＦ４０

２３．２４ ２３．２０

２３．１７ ２３．１４ ２３．２１ ２３．２４
２２．６２ ２２．４０ ２２．３８ ２２．３８ ２２．３７ ２２．４５ ２２．３６ ２２．３５ ２２．３８ ２２．３８
２ＥＢ２Ｉ ２ＥＡ２４ ２ＥＡ５６

２３．２５ ２３．３１

２３．２６ ２３．１７ ２３．１８ ２３．３ｌ
２ＣＣ４０ ２８１５０

２ＥＡｌ６ ２ＥＢ３Ｃ

２ＥＢ２３ ２ＥＡｌ２ ２ＥＣＯＩ ２ＥＢ２１
２８４５０ ２８６３０ ２Ｃ４Ａ０

２３．２８ ２３．３ｌ

第４章软件校表及实验数据

在功率因数ｃｏｓ（Ｃ）＝ｌ，即无功功率为零时进行功率增益校正。根据误差定义公 式

‰＝乜刀７０２８测量能量一真实能量）／真实能量

和功率增益补偿计算公式

尸柚＝一ｅ叫（１＋ｅｒｒ）

所以Ｃ相有功功率的功率增益为ＯＡ７８３Ｈ。 实验结果表略。

此外，还有高频脉冲输出设置寄存器、低频脉冲设置寄存器、比差补偿区域设置 寄存器等。这些寄存器的测量计算比较复杂，在本系统中并没有进行补偿。

在三相多用户智能电表的系统中，电能表需要长时间连续运行，而且系统各部 分容易受到干扰，因此设备可靠性将直接影响数据采集、电费计算的准确性和系统 的正常运行。

５．１硬件系统的可靠性设计 ５．１．１常规抗干扰措施

系统芯片的电源管脚接去耦电容用来消除高频信号的干扰。 电路设计中，尤其在绘制ＰＣＢ电路板时，要尽可能得将模拟部分与数字部分分 开；模拟地和数字地要单点连接；电源线和地线要尽可能加粗。

５．１．２采用大规模集成电路取代单一功能电路

ＡＴＴ７０２８Ａ计量芯片内部集成Ａ／Ｄ转换电路，可以通过对电压、电流信号的采集， 可以测量各相电流、电压有效值、功率因数、相角、频率等参数，不用额外的外围 电路。功耗低，体积小，性能更加可靠，便于大规模生产。

５．１．３采用电波表时钟模组进行时钟校验，消除系统时钟误差

电波表时钟模组ＲＣＣＯＩＡ比一般的时钟芯片ＤＳｌ３０２的精度更高，计时更加准确。 并且不受周围环境的影响，不用相应的补偿电路等，使用更加方便。

５．１．４独立的看门狗电路

监视系统运行，防止程序进入死循环，提高系统的可靠性。

５．２软件系统的可靠性设计

５．２．１数据安全措施
为了用户的利益，保护电量数据和用户信息不被非法篡改和盗用，采用逻辑异 或算法设计了数据加密程序。

５．２．２指令冗余、软件陷阱等措施

单片机操作时序完全由程序计数器ＰＣ控制，一旦ＰＣ因干扰程序出现错误，导 致程序脱离正常轨道，出现“乱飞＂、改变操作数数值以及将操作数误认为操作码 等。这时可以使用指令冗余的方式，例如插入一些ＮＯＰ等有效单字节指令，使程序 进入正轨。 当乱飞程序进入非程序区或表格区时，可以编软件陷阱程序，拦截乱飞程序，

本文根据智能电网高级量测体系中智能电表的技术要求，结合国家、行业相关 标准，设计了三相多用户全电子集中式智能电表，进行了相关原理图的设计和ＰＣＢ 的制作，并在单相电工作的基础上，测量了电压、电流、工作频率、功率等参数， 经过计算，基本符合设计要求。主要工作如下： ?该三相多功能智能电表采用ＳＴＣＩＯＦ０８ＸＥ单片机作为控制核心，实现电能表 的预付费、复费率、定时计量等功能可以同时实现三相１２户／单相３６户用户 的计量，集成度更高，节省空间； ●采用电波钟表接收模组ＲＣＣ０１Ａ作为系统的时间装置，消除系统时间误差。 ●数据加密算法保证数据的传输、存储安全，进一步保证用户和供电公司的 利益。 同时，该设计也有很多不足之处和不完善的地方：

实验数据做的还不够，不能更好的保证可靠性。由于实验条件的限制，实 验数据均由Ｃ相电测得。分别测量记录２０次。测量参数有电压、电流、有功 功率、功率因数、线频率等。由于电力线上的电压等可能并不稳定，所以 测量结果有一定的局限性。

●保护措施做的不够，系统可靠性有待进一步提高。

【ｌ】ＪＢ／Ｔ１０４５１―２００４．多用户静止式交流有功电能表特殊要求［Ｓ］．中华人民共和国国家发展与改
革委员会，２００４． 【２】ＪＪＧ ５９６―１９９９．电子式电能表［Ｓ］．国家质量技术监督局，２０００．

【３】ＧＢ／Ｔ１５２８４―２００２．多费率电能表特殊要求［Ｓ］．国家质量监督检验检疫局，２００３．

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【４０】Ｐｒａｓａｎｎａｎ，Ｓｏｏｒａｊ．Ａ ｍａｃｒｏ―ｍｉｃｒｏ

ｓｙｓｔｅｍ ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｆｒａｍｅｗｏｒｋ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ Ｓｍａｒｔ Ｇｒｉｄ

ｍｅｔｅｒ ｄａｔａ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍｓ ｂｙ ２０１１．

Ｓｏｏｒａｊ Ｐｒａｓａｎｎａｎ．Ｍａｓｓａｃｈｕｓｅｔｔｓ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ

Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．

【４ １】Ｎａｂｅｅｌ Ａ．鼬ｚａ，Ｓｙｅｄ ｂｒｏａｄｂａｎｄ

Ｒｅｚａ，Ｐｈｉｌｉｐ Ｊ．Ｍａｒｒａｃｃｉｎｉ．Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｃｒｏ－ｍｉｒｒｏｒ

Ｄｅｖｉｃｅ－ｂａｓｅｄ

ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ．０ｐｔｉｃｓ

Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，２０１ ｌ，１（２８４）：１０３?ｌ １１．

【４２】Ｋｅｉｔｈ Ｗｏｒｄｅｎ，Ｗｉｅｓｌａｗ Ｊ．Ｓｔａｓｚｅｗｓｋｉ，Ｊａｍｅｓ

ｓｙｓｔｅｍｓ ｍｓｅａｒｃｈ：

Ｊ．Ｈｅｎｓｍａｎ．Ｎａｔｕｒａｌ ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ ｆｏｒ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ

ｏｖｅｒｖｉｅｗ．Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ

Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，２０１ ｌ，１（２５）：４－１１．

Ｆｌｉｃｋ，Ｊｕｓｔｉｎ Ｍｏｒｅｈｏｕｓｅ．Ｃｈａｐｔｅｒ ｌ－Ｓｍａｒｔ Ｇｒｉｄ：Ｗｈａｔ Ｉｓ Ｉｔ７．Ｓｅｃｕｒｉｎｇ ｔｈｅ Ｓｍａｒｔ ＧｒｉｄＮｅ】（ｔ

Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ Ｐｏｗｅｒ Ｇｒｉｄ Ｓｅｃｕｒｉｔｙ，２０ １ ｌ：ｌ－１ ８．

【４４】Ｄａｎ―Ｃｒｉｓｔｉａｎ Ｔｏｍｏｚｅｉ，Ｊｅａｎ?Ｙｖｅｓ Ｌｅ Ｂｏｕｄｅｃ．Ｓａｔｉｓｆｉａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ Ｅｌａｓｔｉｃ Ｄｅｍａｎｄ ｉｎ ｔｈｅ Ｇｒｉｄ．Ｓｙｓｔｅｍｓ ａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ（ｃｓ．ＳＹ），２０ １ ０，２５． ［４５】Ｔｏｎｙ

Ｊｕｓｔｉｎ Ｍｏｒｅｈｏｕｓｅ．Ｓｏｃｉａｌ Ｎｅｔｗｏｒｋｉｎｇ ａｎｄ ｔｈｅ Ｓｍａｒｔ Ｇｒｉｄ．Ｎｅｘｔ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ Ｐｏｗｅｒ

Ｇｒｉｄ Ｓｅｃｕｒｉｔｙ，２０１ ｌ：１９５―２１０．

Ｊ洳ｒｖｅｎｔａｕｓｔａ，Ｓａｍｉ Ｒｅｐｏ，Ａｎｔｔｉ Ｒａｕｔｉａｉｎｅｎ，Ｊａｒｍｏ Ｐａｒｔａｎｅｎ．Ｓｍａｒｔ ｇｄｄ ｐｏｗｅｒ ｓｙｓｔｅｍ

ｃｏｎｔｒｏｌ ｉｎ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ．Ａｎｎｕａｌ Ｒｅｖｉｅｗｓ ｉｎ Ｃｏｎｔｒｏｌ，２０ １

０，２（３４）：２７７―２８８．

攻读学位期间的研究成果

攻读学位期间的研究成果

攻读学位期间发表的学术论文
１张娟，原明亭，罗昱，王晓刚．基于帧特定起始符的波特率自适应设计及实现［Ｊ］．控制
仪表与自动化装置，２０１１，３．

攻读学位期间的研究成果

首先要感谢我的导师原明亭老师。本论文是在原老师的悉心指导下完成的。从 论文选题到完成，原老师都给我很多指导，提出了很多宝贵建议，给予了很多帮助， 在此，我表示衷心的感谢。在研究生三年期间，导师渊博的学术知识、严谨的治学 态度、实事求是的工作作风、认真负责的工作态度，都对我产生了深深的影响。这 些优秀的品质必将对我今后的学习和工作产生深刻的影响。原老师做事稳重，为人 师表，将是我一生学习的楷模。 感谢我的舍友、实验室的师兄、师姐、师弟、师妹们及学院的老师同学们，他 们在课题的研究中，给予我莫大的便利和帮助，并提出了很多宝贵建议。 再次向帮助过我的所有老师、同学和朋友们表示衷心的感谢。 衷心感谢在百忙之中评阅论文和参加答辩的各位专家、教授。谢谢１

学位论文独创性声明、学位论文知识产权权属声明

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日期：加７ｚ年４月ｊ日

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日期：加／Ｚ年多月岁日

日期：≯ｌ》年６月５日

三相多用户全电子集中式智能电表的研究与设计

作者： 学位授予单位： 张娟 青岛大学}