智能ic多功能電表的設(shè)計(jì)——畢業(yè)論文

1、<p>　　武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）</p><p>　　智能IC多功能電表的設(shè)計(jì)</p><p>　　學(xué)院（系）：自動(dòng)化學(xué)院</p><p>　　專業(yè)班級(jí)：電氣</p><p><b>　　學(xué)生姓名：</b></p><p><b>　　指導(dǎo)教師：

2、</b></p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　智能電網(wǎng)的迅猛發(fā)展直接推動(dòng)了智能電表的快速更新?lián)Q代。最早使用的電表是機(jī)械式電表，通過磁場(chǎng)對(duì)轉(zhuǎn)盤產(chǎn)生的力矩轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)盤計(jì)費(fèi)，這種電表弊端極多，磁場(chǎng)很容易受到外界環(huán)境的干擾，導(dǎo)致電能計(jì)量不精確，靈敏度和穩(wěn)定性很差。其后興起的電子式電能表拋棄了早先的機(jī)械式計(jì)量方式，利用集成電路進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，

3、很大程度上提高了計(jì)量的精度，同時(shí)大大減小了電能表的體積。隨著近年來電子技術(shù)的飛速發(fā)展，電路集成化程度更高，出現(xiàn)了單片機(jī)、DSP、ARM等微處理器，人們將這些智能化集成芯片應(yīng)用于電表中，使之具有更強(qiáng)大的功能。</p><p>　　本文設(shè)計(jì)了一款具有功率檢測(cè)、顯示功能，并能讀取IC卡信息，能對(duì)電量進(jìn)行管理的智能多功能電表。本設(shè)計(jì)以DSP微處理器作為核心，將采樣得到的電參量進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，可存儲(chǔ)測(cè)量結(jié)果，并通過網(wǎng)絡(luò)將結(jié)果

4、反饋給上位機(jī)，有顯示和簡(jiǎn)單的操作功能，實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互。</p><p>　　本文首先介紹了智能電表發(fā)展的背景、國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀和所涉及到的基本理論概念；然后介紹了系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)，包括對(duì)前置電路、A/D采樣電路、DSP數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，以及輸入輸出系統(tǒng)和IC卡讀寫模塊的設(shè)計(jì)，講述了元器件的選型理由和每個(gè)模塊的硬件連接電路；其次詳細(xì)說明了諧波功率測(cè)量及仿真驗(yàn)證方法，包括了對(duì)于周期信號(hào)的傅立葉級(jí)數(shù)分解公式、DFT的基本原

5、理和FFT算法概念的介紹，分析了諧波存在情況下的功率計(jì)算方法，介紹了DSP的浮點(diǎn)庫，利用MATLAB對(duì)FFT算法進(jìn)行驗(yàn)證，給出了簡(jiǎn)單的諧波電能計(jì)量例子；最后介紹了系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，利用模塊化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，分為DSP主程序、AD采樣子程序、按鍵子程序、主循環(huán)流程幾個(gè)部分進(jìn)行說明。</p><p>　　關(guān)鍵詞：智能電表；FFT；AD轉(zhuǎn)換；DSP</p><p><b>　　Abstract

6、</b></p><p>　　The rapid development of smart grid directly promotes the rapid upgrading of smart electric meters. The earliest electric meter is the mechanical meter, which measures electricity by rota

7、ting the dial via a torque generated by the magnetic field. There are so many disadvantages in this way. For example, the magnetic field is so susceptible to the interference from external environment that the measuremen

8、t is not enough accurate and the sensitivity and stability is poor. Then the electronic elect</p><p>　　This paper designed a smart electric meter, which can detect power, display, read the IC card informatio

9、n, and be able to manage the electric power. This design uses DSP as the CPU of the system. It can analysis electrical parameters that have been collected in real-time and store the measurement results, and then feedback

10、 these results to the upper computer through the network. It can also display the results and do some simple operation to achieve the human-computer interaction.</p><p>　　Firstly, This paper introduces the b

11、ackground of the development of smart meter. Secondly, this paper introduces the design of hardware circuit, including the pre-circuit, A/D sampling circuit, DSP data processing systems, the input/output system and IC ca

12、rd reader module design. It mainly tells the selecting reasons of hardware components and describes these connection circuits of each module. Then, it introduces the theoretical basis of the harmonic energy metering base

13、d on the Fourier transfo</p><p>　　Key Words：smart electric meters；FFT；A/D conversion；DSP</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　第1章 緒論1</b></p><p>　　

14、1.1 課題的研究背景1</p><p>　　1.2 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀1</p><p>　　1.3 本文的計(jì)量理論基礎(chǔ)2</p><p>　　1.4 本文的設(shè)計(jì)目標(biāo)和主要研究?jī)?nèi)容3</p><p>　　第2章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)4</p><p>　　2.1 硬件系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)4</p><

15、p>　　2.1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路4</p><p>　　2.1.2 總體設(shè)計(jì)框圖5</p><p>　　2.2 前置電路6</p><p>　　2.2.1 互感器的選取與設(shè)計(jì)6</p><p>　　2.2.2 放大濾波電路的選取與設(shè)計(jì)7</p><p>　　2.3 采樣電路11</p>

16、<p>　　2.3.1 A/D轉(zhuǎn)換器的選取11</p><p>　　2.3.2 AD7610介紹12</p><p>　　2.4 DSP數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)13</p><p>　　2.4.1 DSP在電能計(jì)量中的應(yīng)用13</p><p>　　2.4.2 DSP的選取13</p><p>　　2.4.3 T

17、MS320F28335簡(jiǎn)介14</p><p>　　2.4.4 TMS320F28335與ADC接口電路設(shè)計(jì)14</p><p>　　2.5 輸入輸出系統(tǒng)15</p><p>　　2.5.1 顯示模塊設(shè)計(jì)15</p><p>　　2.5.2 按鍵模塊設(shè)計(jì)16</p><p>　　2.5.3 無線通訊模塊設(shè)計(jì)

18、17</p><p>　　2.6 IC卡讀取模塊設(shè)計(jì)17</p><p>　　2.6.1 SLE4442簡(jiǎn)介18</p><p>　　2.6.2 SLE4442與DSP接口電路設(shè)計(jì)18</p><p>　　2.7 本章總結(jié)19</p><p>　　第3章 諧波功率測(cè)量及仿真驗(yàn)證20</p>&l

19、t;p>　　3.1 傅立葉變換原理20</p><p>　　3.2 離散傅立葉變換（DFT）21</p><p>　　3.3 快速傅里葉變換（FFT）21</p><p>　　3.4 諧波功率計(jì)算24</p><p>　　3.5 FFT程序設(shè)計(jì)25</p><p>　　3.6 FFT算法仿真驗(yàn)證26&

20、lt;/p><p>　　3.4.1 建立諧波電源26</p><p>　　3.4.2 頻譜分析計(jì)算27</p><p>　　3.5 本章總結(jié)29</p><p>　　第4章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)30</p><p>　　4.1 DSP主程序設(shè)計(jì)30</p><p>　　4.2 AD采樣子程序設(shè)計(jì)

21、30</p><p>　　4.3 按鍵子程序設(shè)計(jì)31</p><p>　　4.4 主循環(huán)流程圖設(shè)計(jì)32</p><p>　　4.5 本章總結(jié)33</p><p>　　第5章 總結(jié)與展望34</p><p>　　5.1 全文小結(jié)34</p><p>　　5.2 本文不足與工作展望34&

22、lt;/p><p><b>　　參考文獻(xiàn)35</b></p><p><b>　　致 謝36</b></p><p><b>　　第1章 緒論</b></p><p>　　1.1 課題的研究背景</p><p>　　智能電網(wǎng)建立在高速雙向通訊網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)

23、上，通過先進(jìn)的傳感測(cè)量技術(shù)，實(shí)時(shí)將采集到用戶用電情況反饋回網(wǎng)絡(luò)，緊密的供需聯(lián)系使智能電網(wǎng)能及時(shí)應(yīng)對(duì)電網(wǎng)出現(xiàn)的種種問題，使電網(wǎng)更加安全可靠、經(jīng)濟(jì)高效地運(yùn)行。智能電網(wǎng)的卓越性能推動(dòng)世界各國紛紛開始大刀闊斧地進(jìn)行電力市場(chǎng)的改革創(chuàng)新[1]。</p><p>　　最早使用的電表是機(jī)械式電表，通過磁場(chǎng)對(duì)轉(zhuǎn)盤產(chǎn)生的力矩轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)盤計(jì)費(fèi)，電流大小改變磁場(chǎng)大小，從而改變力矩及旋轉(zhuǎn)速度，起到計(jì)量電費(fèi)的作用。這種電表弊端極多，磁場(chǎng)很容易受

24、到外界環(huán)境的干擾，導(dǎo)致電量計(jì)量不精確，靈敏度和穩(wěn)定性很差。</p><p>　　其后興起的電能表是電子式電表，這種電表得到廣泛的使用，它拋棄了早先的機(jī)械式計(jì)量方式，而是采取利用集成電路進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的方式，對(duì)電能進(jìn)行計(jì)量，大大減小了電能表的體積，很大程度上提高了計(jì)量的精度。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電路集成化程度更高，單片機(jī)、DSP、ARM等微處理器也在快速發(fā)展，人們將這些智能化芯片應(yīng)用于電表中，實(shí)現(xiàn)了更多的拓展化功能，

25、隨之涌現(xiàn)出了許多功能更強(qiáng)的智能電表，例如分時(shí)計(jì)費(fèi)電表、異地抄表電表、智能IC卡電表等。</p><p>　　作為智能電網(wǎng)的用戶終端，智能電表也隨之迅猛發(fā)展。世界各國都在積極發(fā)展智能電網(wǎng)的建設(shè)，網(wǎng)絡(luò)化管理的興起，直接導(dǎo)致了智能電表普及率激增，據(jù)調(diào)查研究統(tǒng)計(jì)，智能電表的全球使用量將在2020年突破5億只。我國也緊跟世界形勢(shì)，積極推進(jìn)智能電網(wǎng)的建設(shè)。隨著不斷地改進(jìn)，電表也從傳統(tǒng)的機(jī)械式電表、人工抄表模式，逐漸變化到如今

26、常見的電子式電表。然而這依然不能滿足國際上對(duì)智能電表的要求，除了能像傳統(tǒng)電表能計(jì)量電量之外，智能電表還應(yīng)具有支持用戶控制的功能，不僅要保證計(jì)量精確，還要能實(shí)現(xiàn)對(duì)電量進(jìn)行管理等智能化功能[2]。</p><p>　　1.2 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>　　2009年中旬，國家電網(wǎng)對(duì)智能電網(wǎng)的發(fā)展做出了詳細(xì)規(guī)劃：2009~2011年作為試點(diǎn)階段，此階段用來完整規(guī)劃堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)，主要進(jìn)行關(guān)鍵

27、技術(shù)研究，構(gòu)建基礎(chǔ)構(gòu)架；2012~2015年初步完成集互動(dòng)、通訊、服務(wù)于一體的智能電網(wǎng)體系；2016~2020年為整體加強(qiáng)階段，將“堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)”的各項(xiàng)要求全面落實(shí)[3]。</p><p>　　基于智能電網(wǎng)全面建設(shè)的大背景，國內(nèi)智能電表市場(chǎng)也產(chǎn)生了極大需求量。由儀器儀表行業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，2012年國內(nèi)各類電表的總產(chǎn)量已經(jīng)高達(dá)1.1億只，其中過半份額被智能電表占據(jù)。隨著“十二五”計(jì)劃的推進(jìn)，電表市場(chǎng)將在這一時(shí)期大力改革

28、，智能電表將取代傳統(tǒng)電表成為主流。從2015年開始，我國開始對(duì)10KV以上的工業(yè)用戶啟動(dòng)智能電表試點(diǎn)，占比約30%，使用用戶將超過6000萬。從2009年初步計(jì)劃時(shí)僅5000萬只以內(nèi)的需求量，到2012年底1.84億只的累計(jì)安裝量，再到2013年4.1億只的招標(biāo)量可以看出，智能電表的逐步普及勢(shì)不可擋，它必將在不久的將來達(dá)到全面覆蓋。</p><p>　　在世界形勢(shì)上，歐美市場(chǎng)仍舊是智能電表的主場(chǎng)，歐洲各國預(yù)計(jì)在2

29、020年將智能電表的普及率提升到80%以上，與2008年的普及率占比相比，復(fù)合增長率高達(dá)48%，這與歐美智能電網(wǎng)構(gòu)建較早，現(xiàn)已趨于成熟有關(guān)，智能電表的發(fā)展與智能電網(wǎng)的建設(shè)息息相關(guān)，與信息交互網(wǎng)絡(luò)依存。目前為止，美國也已累計(jì)安裝了5000多萬只智能電表，其中南加州愛迪生電力公司（Southern California Edison，以下簡(jiǎn)稱SCE）僅統(tǒng)計(jì)其服務(wù)區(qū)的智能電表總量就達(dá)到了500萬只，這些智能電表采集到大量的用戶信息，數(shù)據(jù)信息時(shí)

30、代這些信息是非常寶貴的資源，統(tǒng)計(jì)者可以利用這些數(shù)據(jù)分析挖掘出更多有價(jià)值的信息，用于其他用途以促進(jìn)發(fā)展優(yōu)化。目前SCE已經(jīng)全面配置了賬單收費(fèi)功能，除此之外，SCE也在積極分析智能電表數(shù)據(jù)，研發(fā)相位識(shí)別功能，希望通過這些數(shù)據(jù)分析結(jié)果能確保負(fù)荷的三相平衡，如果此項(xiàng)研究成功，將是智能電網(wǎng)體系的又一大進(jìn)步[4]。</p><p>　　1.3 本文的計(jì)量理論基礎(chǔ)</p><p>　　精確計(jì)量用戶所用的

31、電量是電表的主要功能，在智能電表的設(shè)計(jì)過程中要盡量提高電表的精度。然而電網(wǎng)諧波的存在使傳統(tǒng)的計(jì)量方法不能精確地反映用戶實(shí)際的用電量。諧波是疊加在基波上的正弦分量，其頻率是基波頻率的整數(shù)倍。要想準(zhǔn)確計(jì)量電量，就要在設(shè)計(jì)中考慮到諧波對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，對(duì)電網(wǎng)采樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行諧波分析，使結(jié)果更加準(zhǔn)確。</p><p>　　法國工程師Fourier在1822年提出一項(xiàng)重要理論：即任意一個(gè)連續(xù)的周期函數(shù)x(t)都可以分解為無窮

32、多個(gè)不同頻率正弦函數(shù)的和。這就是本文諧波分析的理論基礎(chǔ)。把連續(xù)的時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻域信號(hào)的方式稱作連續(xù)傅立葉變換，它是電力系統(tǒng)信號(hào)處理領(lǐng)域中一種重要分析方法。</p><p>　　在實(shí)際的信號(hào)分析計(jì)算中，處理器難于對(duì)連續(xù)信號(hào)直接處理，通常需要對(duì)連續(xù)信號(hào)進(jìn)行采樣，對(duì)所得離散信號(hào)進(jìn)行分析，離散傅里葉變換（DFT）就可用來分析經(jīng)采樣離散化的模擬信號(hào)。由于離散傅立葉變換的計(jì)算量非常大，即使對(duì)長度較短的信號(hào)做離散傅立葉變換也

33、需要完成相當(dāng)多的復(fù)數(shù)乘加運(yùn)算，這大大限制的離散傅立葉變換的實(shí)時(shí)運(yùn)用。</p><p>　　快速傅立葉變換的原理與離散傅里葉變換一樣，不同的是快速傅里葉變換大大減少了計(jì)算離散傅里葉變換所需的乘法和加法次數(shù)，使N點(diǎn)的DFT的運(yùn)算量從降為，從而極大地提高了運(yùn)算速度。通過使用快速傅立葉變換，以往要事后進(jìn)行的數(shù)據(jù)處理和系統(tǒng)模擬研究等工作變得可以實(shí)時(shí)完成，打開了數(shù)字信號(hào)處理應(yīng)用上的新局面。</p><p&

34、gt;　　本文利用快速傅立葉算法（FFT）分解電能信號(hào)，DSP接收到AD采集到的數(shù)據(jù)后，通過快速傅立葉變換，可以得到基波和各次諧波的電量參數(shù)，然后再計(jì)算功率和電能。</p><p>　　1.4 本文的設(shè)計(jì)目標(biāo)和主要研究?jī)?nèi)容</p><p>　　本文在基本的電子式電能表的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一款具有功率檢測(cè)、顯示功能，并能讀取IC卡信息的電能表，以0.05精度級(jí)精準(zhǔn)地進(jìn)行計(jì)量，并且可以管理用戶使用的

35、電量。主要分為以下三部分進(jìn)行介紹：</p><p>　?。?）系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)：按照系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)框圖，對(duì)前置電路、A/D采樣電路、DSP數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，以及輸入輸出系統(tǒng)和IC卡讀寫模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，分析各個(gè)元器件的選型理由和每個(gè)模塊的硬件連接電路。其中前置電路包括了互感器和放大器、濾波電路；采樣電路由A/D轉(zhuǎn)換器構(gòu)成；DSP作為系統(tǒng)CPU，既完成數(shù)據(jù)處理的工作，同時(shí)還控制協(xié)同系統(tǒng)其他部分，使整個(gè)系統(tǒng)工作有條不紊地運(yùn)

36、行；輸入輸出系統(tǒng)包含了顯示模塊、按鍵模塊以及與上位機(jī)做信息交互的無線通訊模塊；最后是IC卡讀取模塊，用來與IC卡信息進(jìn)行交互。</p><p>　　（2）諧波功率計(jì)算方法及仿真驗(yàn)證：介紹了基于傅里葉變換的諧波電能計(jì)量的理論基礎(chǔ)，包括了對(duì)于連續(xù)周期信號(hào)的傅立葉級(jí)數(shù)分解公式、離散傅立葉變換的概念、快速傅立葉算法的基本原理、按時(shí)間抽取快速傅立葉算法的實(shí)現(xiàn)以及考慮諧波存在情況下的功率計(jì)算方法；給出FFT程序設(shè)計(jì)依據(jù)，即利

37、用DSP浮點(diǎn)計(jì)算庫，直接調(diào)用FFT算法，簡(jiǎn)單方便地實(shí)現(xiàn)了RFFT（快速FFT變換）；利用MATLAB構(gòu)造簡(jiǎn)單的諧波電能計(jì)量例子進(jìn)行仿真分析，以驗(yàn)證FFT算法。</p><p>　?。?）系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)：利用模塊化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，分為DSP主程序、AD采樣子程序、按鍵子程序、主循環(huán)流程來詳細(xì)說明，并給出了各個(gè)模塊的流程圖。</p><p>　　第2章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)</p><p&

38、gt;　　2.1 硬件系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)</p><p>　　2.1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路</p><p>　　目前國內(nèi)市場(chǎng)通用的電表多使用單微處理器結(jié)構(gòu)，利用單片機(jī)或者DSP就可以完成數(shù)據(jù)處理、顯示通訊等功能。還有小部分電表采用雙CPU結(jié)構(gòu)，即DSP加MCU的結(jié)構(gòu)，DSP具有高速運(yùn)算的能力從而被用來進(jìn)行高速的數(shù)據(jù)處理，而MCU將數(shù)據(jù)處理的結(jié)果再處理，即負(fù)責(zé)系統(tǒng)調(diào)控、顯示，連接上位機(jī)等功能。但這

39、種構(gòu)造的測(cè)量?jī)x器結(jié)構(gòu)復(fù)雜且成本很高。</p><p>　　本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中數(shù)據(jù)處理核心為FFT算法，可以選用MSP430系列單片機(jī)或者DSP芯片來完成。依照電能信號(hào)處理的習(xí)慣和工程經(jīng)驗(yàn)，我們選擇對(duì)每周波進(jìn)行64次采樣。普通單片機(jī)的計(jì)算能力較差，尤其是對(duì)諧波分析時(shí)，需要進(jìn)行大量的乘法和加法計(jì)算，然而普通單片機(jī)運(yùn)算速度較慢，達(dá)不到本設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)處理對(duì)實(shí)時(shí)性的較高要求；對(duì)于MSP430系列單片機(jī)，雖然能完成FFT算法，但由表

40、2.1可知，MSP430做一次64點(diǎn)FFT浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算的時(shí)間在10.8ms，而本設(shè)計(jì)要求一個(gè)周期（即20ms）內(nèi)完成對(duì)電壓、電流信號(hào)的兩次64點(diǎn)FFT運(yùn)算，所以使用MSP430單片機(jī)依舊達(dá)不到本設(shè)計(jì)對(duì)計(jì)算速率的要求。</p><p>　　表2.1 單周波打點(diǎn)數(shù)與時(shí)間對(duì)應(yīng)表</p><p>　　DSP芯片具有高速信號(hào)處理的能力，能有效實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的算法，尤其是DSP具有輕松實(shí)現(xiàn)FFT算法的優(yōu)點(diǎn)，

41、目前多種DSP對(duì)乘加運(yùn)算均有專門的硬件電路實(shí)現(xiàn)，可以在一個(gè)指令周期內(nèi)完成一次加法運(yùn)算和一次乘法運(yùn)算。通?？梢姷母鞣N型號(hào)的DSP都提供了專門的快速傅立葉算法函數(shù)，這些函數(shù)充分利用硬件電路資源和快速傅立葉算法的特征，使得快速傅立葉算法在DSP上實(shí)現(xiàn)快速而準(zhǔn)確，開發(fā)方便。相比于MSP430系列單片機(jī)，本文對(duì)于智能電表的設(shè)計(jì)明顯更適合采用DSP進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理，完成對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析工作，同時(shí)也保證了系統(tǒng)的高速運(yùn)算速度。</p&g

42、t;<p>　　隨著DSP的快速發(fā)展，其運(yùn)行速度和引腳數(shù)量越來越多，內(nèi)部存儲(chǔ)空間和集成的外部設(shè)備也越來越豐富，它可以代替MCU完成本設(shè)計(jì)中輸入和輸出有關(guān)的外部設(shè)備拓展功能。綜上所述，本設(shè)計(jì)采用單CPU結(jié)構(gòu)，即僅利用DSP作為系統(tǒng)的處理器。DSP同時(shí)可以完成系統(tǒng)控制功能，將計(jì)算得到的數(shù)據(jù)二次處理，實(shí)現(xiàn)指令的鍵入，數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存、顯示與發(fā)送。</p><p>　　2.1.2 總體設(shè)計(jì)框圖</p>

43、<p>　　本次設(shè)計(jì)要求智能電表要能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確計(jì)量單相用戶消耗的電能，能夠顯示當(dāng)前時(shí)刻的電壓和電流大小。其次，電表所測(cè)得的功率和消耗的電能數(shù)據(jù)能夠通過無線通信傳到上位機(jī)。最后，電表具有預(yù)付費(fèi)功能，能夠通過讀寫IC卡實(shí)現(xiàn)計(jì)費(fèi)功能。</p><p>　　系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框圖如圖2.1所示，配電網(wǎng)電壓電流信號(hào)屬于強(qiáng)電信號(hào)，數(shù)字電路不能直接對(duì)其處理，且信號(hào)中含有豐富的諧波成分，在對(duì)信號(hào)采樣前需要進(jìn)行信號(hào)調(diào)理。

44、前置電路包括電壓互感器(PT)、電流互感器(CT)和放大、濾波電路。強(qiáng)電壓、電流信號(hào)通過電壓互感器和電流互感器即變?yōu)槿蹼娦盘?hào)，互感器實(shí)現(xiàn)了一次側(cè)強(qiáng)電和二次側(cè)弱電信號(hào)的隔離，確保二次計(jì)量電路的安全。互感器輸出5V以內(nèi)的弱電壓信號(hào)，這一信號(hào)中還含有豐富的諧波成分，依據(jù)采樣定理，為了避免發(fā)生頻譜混疊，要求采樣頻率高于信號(hào)中最高頻率的兩倍。若直接用AD對(duì)互感器輸出信號(hào)進(jìn)行采樣則采樣頻率會(huì)相當(dāng)高，給后續(xù)信號(hào)處理帶來麻煩。所以互感器輸出信號(hào)還需通過

45、低通濾波和放大電路，濾除原信號(hào)中的高頻諧波和噪聲，調(diào)整信號(hào)幅值大小，便于AD采樣。調(diào)理后的信號(hào)通過16位高速AD（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，實(shí)現(xiàn)高速采樣，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)紻SP中，DSP最后對(duì)采樣得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理，這樣就得以精確實(shí)時(shí)地測(cè)量功率等重要電參量。DSP同時(shí)負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的控制管理，通過連接按鍵獲得用戶指令，通過LED數(shù)碼管顯示電參量，通過IC卡存儲(chǔ)電量消耗數(shù)據(jù)和計(jì)費(fèi)信息，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送</p><

46、p>　　圖2.1 系統(tǒng)總體框圖</p><p>　　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)分為前置電路、A/D采樣電路、DSP數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、輸入輸出系統(tǒng)（按鍵模塊、顯示模塊和通訊模塊）及IC卡讀取模塊這五大部分，如圖2.2所示。下面將分別對(duì)各部分進(jìn)行器件的選取及設(shè)計(jì)說明。</p><p>　　圖2.2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖</p><p><b>　　2.2 前置電路</

47、b></p><p>　　前置電路指輸入A/D轉(zhuǎn)換器之前的信號(hào)處理電路，包括了電壓互感器（PT），電流互感器（CT）和放大濾波電路。由于幅值較大，從電網(wǎng)采集的電壓和電流信號(hào)并不能直接輸入到模數(shù)轉(zhuǎn)換器中，所以本設(shè)計(jì)先通過前置電路將其從大電壓、大電流轉(zhuǎn)換為適合A/D轉(zhuǎn)換器輸入的小電壓、小電流信號(hào),為后續(xù)輸入模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行處理做好準(zhǔn)備。</p><p>　　2.2.1 互感器的選取與設(shè)

48、計(jì)</p><p>　　如果采用傳統(tǒng)的電磁式電流互感器進(jìn)行電流轉(zhuǎn)換，則需要在互感器二次側(cè)接入小電阻將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)輸出，這會(huì)影響一次側(cè)電壓，而且二次側(cè)消耗功率，造成發(fā)熱問題，影響測(cè)量精度，所以本設(shè)計(jì)中的電流轉(zhuǎn)換功能通過霍爾電流傳感器來實(shí)現(xiàn)，霍爾電流傳感器可將輸入電流信號(hào)直接轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)輸出，實(shí)現(xiàn)電流的非接觸測(cè)量。 </p><p>　　由于本設(shè)計(jì)的輸入電流取自電網(wǎng)，若家庭電功率為

49、7KW，電壓有效值為220V，那么電流有效值大概為30A，選用南京托肯電子生產(chǎn)的型號(hào)為TBC50SY的電表用霍爾電流傳感器，其參數(shù)見表2.2[5]。</p><p>　　本設(shè)計(jì)選用山東力創(chuàng)公司型號(hào)為LCTV3JCF的電表用電壓互感器，因其精度滿足要求，機(jī)械性能好，電壓隔離能力強(qiáng)，安全可靠，且性價(jià)比高。其參數(shù)見表2.3。</p><p>　　表2.2 霍爾電流傳感器TBC50SY相關(guān)參數(shù)&

50、lt;/p><p>　　表2.3 電壓互感器LCTV3JCF相關(guān)參數(shù)</p><p>　　2.2.2 放大濾波電路的選取與設(shè)計(jì)</p><p>　　在信號(hào)沒有受到干擾的理想情況下，常采用通用運(yùn)算放大器對(duì)微弱的信號(hào)進(jìn)行放大，然而實(shí)際的傳感器工作環(huán)境往往引起其兩條輸出線上產(chǎn)生較大的干擾信號(hào)，有時(shí)是共模干擾。而在智能檢測(cè)系統(tǒng)中，往往對(duì)精確度要求較高，需要將傳感器輸出的電信號(hào)

51、按所設(shè)倍數(shù)精確放大，而這些信號(hào)通常是差值信號(hào)，只有放大電路具有高的輸入阻抗，有較大的共模抑制比，才能滿足實(shí)際要求[6]。</p><p>　　本設(shè)計(jì)選用AD8132作為放大器。AD8132不同于常規(guī)的運(yùn)算放大器，它多一個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端，并且有兩個(gè)反饋回路（常規(guī)運(yùn)放只有一個(gè)反饋回路）。這種結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使更多新型電路的設(shè)計(jì)成為可能，同時(shí)仍然可以利用運(yùn)算放大器的基本原理（“虛短”和“虛斷”）來分析其放大倍數(shù)等工作參數(shù)[

52、7]。AD8132基本電路結(jié)構(gòu)如圖2.3所示。</p><p>　　圖2.3 AD8132基本電路結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　AD8132共有7個(gè)有用引腳，另一個(gè)引腳NC為無用引腳。其中，+IN、-IN分別是正輸入、負(fù)輸入；+OUT、-OUT分別是正輸出和負(fù)輸出，這里要注意，+OUT和-DIN反相；V+和V-分別為正電源電壓和負(fù)電源電壓；VOCM引腳的電壓以1：1的比例設(shè)定共模輸出電壓，

53、例如此引腳電壓為1V，那么+OUT和-OUT的直流偏置電平就是1V。</p><p>　　假設(shè)兩個(gè)反饋回路的反饋系數(shù)分別為β1、β2，那么根據(jù)運(yùn)算放大器的典型假設(shè)可以得到：</p><p><b>　?。?.1）</b></p><p>　　由此又可得打適用于任何β1和β2值的單端轉(zhuǎn)差分增益方程：</p><p><

54、;b>　?。?.2）</b></p><p>　　當(dāng)設(shè)定的時(shí)候，增益方程可以化簡(jiǎn)為。</p><p>　　常用的濾波電路有巴特沃茲（Butterworth）濾波器、切比雪夫?yàn)V波器、貝塞爾（Bessel）濾波器等幾種[8]。巴特沃茲濾波電路很好地平衡了幅值和相位響應(yīng)，通帶、阻帶都不存在紋波，但是其通、阻帶間的過渡較寬，瞬態(tài)特性一般。相同階數(shù)下，切比雪夫?yàn)V波器能迅速衰減，而允

55、許通帶中有一定紋波。貝塞爾濾波器瞬態(tài)響應(yīng)更好，但是它的頻率響應(yīng)比較差。綜合考慮本設(shè)計(jì)的各種要求，選擇切比雪夫?yàn)V波電路來完成濾波功能。2.3節(jié)介紹了本設(shè)計(jì)信號(hào)的采樣頻率為基波頻率的64倍，而根據(jù)采樣定理，信號(hào)中不能有高于基波頻率32倍的信號(hào)成分，所以要將33次及以上的高次諧波完全濾去，要求濾波電路必須有優(yōu)越的瞬態(tài)相應(yīng)，可以忽略一部分紋波帶來的影響，所以，切比雪夫?yàn)V波電路相比之下最適合用于本設(shè)計(jì)。</p><p>　

56、　圖2.4 放大濾波電路</p><p>　　如圖2.4是放大濾波電路的設(shè)計(jì)。由AD8132放大器和切比雪夫?yàn)V波原理結(jié)合而成，構(gòu)成一個(gè)有源濾波器。該圖參考了ADI公司提供的該款濾波器應(yīng)用設(shè)計(jì)資料。由前文介紹的該類放大器原理可知[9]，這個(gè)有源濾波器結(jié)構(gòu)在信號(hào)的輸入部分有兩個(gè)極點(diǎn)，在信號(hào)的輸出部分有一個(gè)極點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)差分輸出，可在驅(qū)動(dòng)差分輸入的A/D轉(zhuǎn)換器的時(shí)候起到抗混疊的作用。</p><p

57、>　　由前文的討論，利用圖2.4所示結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)一個(gè)三階切比雪夫?yàn)V波器，設(shè)計(jì)其截至頻率為1.6kHz，由Matlab濾波器設(shè)計(jì)工具求得該濾波器的三個(gè)極點(diǎn)分別為33.512，16.756±8706.285i。由此求得濾波器的傳遞函數(shù)為</p><p><b>　　（2.3）</b></p><p>　　放大器的輸入端是一個(gè)多路反饋結(jié)構(gòu)，可較為方便的實(shí)現(xiàn)二階

58、環(huán)節(jié)，其等效電路圖如圖2.5所示。 </p><p>　　圖2.5 二階環(huán)節(jié)電路圖</p><p>　　而需要實(shí)現(xiàn)的傳遞函數(shù)為</p><p><b>　?。?.4）</b></p><p>　　以霍爾電流傳感器到AD之間的放大濾波電路設(shè)計(jì)為例，放大倍數(shù)H=4.5/0.5=9，參數(shù)的計(jì)算過程如下：</p>

59、<p>　　首先選定選定，求得中間變量，計(jì)算有</p><p><b>　　（2.5）</b></p><p>　　實(shí)際中選擇Vishay公司的HA系列電容器，HA-10C0(1)E容值43pF，HA-10C0(1)M容值430nF，D55342K07B電阻562?，D55342K07B電阻511?，D55342K07B電阻5.11K?。在輸出部分實(shí)現(xiàn)一階

60、環(huán)節(jié)，采用RC低通濾波結(jié)構(gòu)，傳遞函數(shù)為：</p><p><b>　?。?.6）</b></p><p>　　參數(shù)計(jì)算如下。選定C=100nF ，則</p><p><b>　　（2.7）</b></p><p>　　實(shí)際中選擇vishay公司的D55342K07B18E2RS2電阻，阻值為18.2

61、k?。293D105(1)010A(2)電容100nF。</p><p>　　在Matlab中做出其Bode圖，可得頻率響應(yīng)如圖2.6所示，可見該濾波器滿足設(shè)計(jì)要求，能夠?yàn)V掉高頻諧波，防止信號(hào)采樣造成頻譜混疊。</p><p>　　圖2.6 頻率響應(yīng)圖</p><p><b>　　2.3 采樣電路</b></p><p&g

62、t;　　A/D轉(zhuǎn)換作為采樣電路的核心，對(duì)本系統(tǒng)的各項(xiàng)性能指標(biāo)至關(guān)重要。電能表對(duì)數(shù)據(jù)采集的精度要求較高，如果精度不夠高，將會(huì)直接影響到采樣電路之后的數(shù)據(jù)處理部分的計(jì)算結(jié)果，導(dǎo)致結(jié)果出現(xiàn)較大偏差。</p><p>　　2.3.1 A/D轉(zhuǎn)換器的選取</p><p>　?。?）A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)</p><p>　　檢測(cè)系統(tǒng)的精度和其檢測(cè)范圍的大小決定了所需A/D轉(zhuǎn)換器的

63、位數(shù)。一般來講，其位數(shù)至少需要比總精度要求的最低分辨率高一位，且由這個(gè)位數(shù)對(duì)應(yīng)的最低分辨率應(yīng)不低于系統(tǒng)中其他模塊所能達(dá)到的最高精度。</p><p>　　本設(shè)計(jì)要求的最小精度級(jí)為0.05，即0.05%，一個(gè)n位A/D轉(zhuǎn)換器的精度為1/(2^n)，12、14、16位A/D轉(zhuǎn)換器均可以滿足0.05精度級(jí)的要求，本設(shè)計(jì)選用16位A/D轉(zhuǎn)換器，因其比較常見，而且所得數(shù)據(jù)便于編程計(jì)算，同時(shí)，16位的高精度采樣有利于合理分配

64、誤差來源。</p><p>　?。?）A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率</p><p>　　A/D的轉(zhuǎn)換速率主要由信號(hào)的最高頻率決定，滿足采樣定理，即：在進(jìn)行模擬/數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換過程中，當(dāng)采樣頻率大于最高頻率的2倍時(shí)(fs.max>2fmax)，采樣得到的數(shù)字信號(hào)可以完整反映原信號(hào)包含的所有信息[10]，實(shí)際工程中一般還要求采樣頻率要達(dá)到被采樣信號(hào)最高頻率的5~10倍。</p>

65、<p>　　本設(shè)計(jì)假設(shè)所考慮的電網(wǎng)最高次諧波為第13次諧波，因此選擇每周波采樣64個(gè)點(diǎn)，即采樣頻率大概是最高次諧波頻率5倍，基本滿足采樣定理和工程實(shí)際的要求。</p><p>　　綜合以上分析，本文選用兩片ADI公司生產(chǎn)的AD7610作為模數(shù)轉(zhuǎn)換器，分別將電壓、電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)輸出，以實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的處理和分析。AD7610是16位、轉(zhuǎn)換速率為250 kSPS、單通道、單極性/雙極性可編程輸入的A/D

66、轉(zhuǎn)換器。其電壓輸入范圍為±5V或±10V，符合前一環(huán)節(jié)放大器的輸出電壓范圍；轉(zhuǎn)換速率和信噪比高，滿足本設(shè)計(jì)測(cè)量要求；價(jià)格比四通道輸入的AD974等芯片相對(duì)較低，也滿足性價(jià)比高的設(shè)計(jì)需求。</p><p>　　2.3.2 AD7610介紹</p><p>　　AD7610共有48個(gè)引腳。大致可分為電源類、輸入/輸出信號(hào)類和控制信號(hào)類。</p><p&g

67、t;　　電源類引腳有：模擬電源地引腳AGND（1,3,42腳），模擬電源引腳AVDD（2,44腳），輸入/輸出接口數(shù)字電源地OGND（6,7,17腳），輸入/輸出接口數(shù)字電源OVDD（18腳），數(shù)字電源DVDD（19腳）,數(shù)字電源地DGND（20腳），輸入范圍選擇TEN（30腳）和BIPOLAR（36腳）配合以選擇輸入電壓范圍，如表2.4所示。</p><p>　　表2.4 輸入范圍選擇</p>

68、<p>　　輸入/輸出信號(hào)類引腳有：模擬輸入地檢測(cè)IN-（39腳），模擬輸入IN+（40腳），并行16位輸出口D0~D7（9~16腳）和D8~D15（21~28腳）。</p><p>　　控制信號(hào)類引腳有：串行/并行選擇輸入SER//PAR（8腳），輸出繁忙BUSY（29腳），讀取數(shù)據(jù)/RD（31腳），片選/CS（32腳），關(guān)斷輸入PD（34腳）。</p><p>　　2.4 D

69、SP數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)</p><p>　　DSP是本設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)處理的核心，通過DSP，可以完成數(shù)據(jù)采集、處理、計(jì)算、存儲(chǔ)等功能。同時(shí)，DSP控制前置電路中的A/D轉(zhuǎn)換器，使其配合數(shù)據(jù)處理的速率，高速有效地進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，一些可控接口電路也由DSP控制，協(xié)同DSP工作運(yùn)轉(zhuǎn)。</p><p>　　2.4.1 DSP在電能計(jì)量中的應(yīng)用</p><p>　　上文已經(jīng)提到，DSP由于

70、其運(yùn)算處理的快速性和精確性，而優(yōu)于普通單片機(jī)，作為精確測(cè)量?jī)x表設(shè)計(jì)中的首選。作為電網(wǎng)不可或缺的元素之一的電能表，其計(jì)量精度更是關(guān)系到家家戶戶的使用者，只有電表的精度達(dá)到要求，才能保證用戶用電量的精確計(jì)量，保證供電方及時(shí)對(duì)用戶用電情況合理準(zhǔn)確地進(jìn)行分析，從而為廣大用戶提供更穩(wěn)定、更經(jīng)濟(jì)可靠的用電環(huán)境。普通的單片機(jī)囿于其計(jì)算能力的有限，不能滿足電能表作為計(jì)量工具對(duì)精度的要求，目前，國內(nèi)已有智能電表生產(chǎn)商選用DSP作為核心測(cè)量芯片，以獲得電能

71、計(jì)量精度的大幅提高，這也為后續(xù)電能表測(cè)量技術(shù)的發(fā)展開辟了新的領(lǐng)域。本設(shè)計(jì)也沿用這一思路，以DSP作為數(shù)據(jù)處理的核心，完成相關(guān)功能。</p><p>　　2.4.2 DSP的選取</p><p>　　DSP主要有定點(diǎn)DSP和浮點(diǎn)DSP兩種。定點(diǎn)DSP只能完成對(duì)整數(shù)的運(yùn)算，不能在較大動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)進(jìn)行運(yùn)算，而且在運(yùn)算時(shí)要考慮到數(shù)值“溢出”的問題，給編程帶來許多麻煩，但其優(yōu)點(diǎn)在于運(yùn)算簡(jiǎn)單，功耗較小。

72、</p><p>　　與定點(diǎn)DSP相對(duì)比，浮點(diǎn)DSP不僅可以處理整數(shù)，也可以對(duì)浮點(diǎn)數(shù)進(jìn)行運(yùn)算，因?yàn)槠湓试S尾數(shù)、階碼的數(shù)據(jù)格式，所以能提供很大的動(dòng)態(tài)范圍，浮點(diǎn)DSP更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)也使其擁有實(shí)現(xiàn)更多功能的強(qiáng)大處理能力，但同時(shí)，長指令及寬的地址總線也給它帶來了相對(duì)較大的功率損耗。</p><p>　　因本設(shè)計(jì)對(duì)功耗要求不高而對(duì)數(shù)據(jù)精度要求較高，故選用浮點(diǎn)DSP。綜合比較眾多DSP的性能和國內(nèi)市場(chǎng)應(yīng)

73、用率，本文選用美國德州儀器（Texas Instruments，TI）公司新推出的TMS320F28335作為數(shù)字信號(hào)處理器，TI公司是世界上最大的DSP供應(yīng)商，其市場(chǎng)份額遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先于同行業(yè)的其他產(chǎn)家，在中國市場(chǎng)占有的市場(chǎng)份額也相當(dāng)大，選用該系列的DSP，除了其具有更優(yōu)的結(jié)構(gòu)功能、能滿足設(shè)計(jì)要求之外，還可以得到豐富的軟硬件材料支撐，對(duì)后續(xù)設(shè)計(jì)較有幫助。</p><p>　　TMS320F28335是一款32位定點(diǎn)并

74、包含單精度浮點(diǎn)運(yùn)算單元（FPU）的DSP，片內(nèi)資源豐富，與原有的C2000系列DSP相比，TMS320F28335DSP增加了浮點(diǎn)運(yùn)算內(nèi)核，在保持原有DSP芯片優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了進(jìn)行復(fù)雜浮點(diǎn)運(yùn)算的功能，同時(shí)節(jié)省了程序代碼的執(zhí)行時(shí)間和存儲(chǔ)空間，具有成本低、功耗小、精度高、外設(shè)集成度高等優(yōu)點(diǎn)。</p><p>　　2.4.3 TMS320F28335簡(jiǎn)介</p><p>　　TMS320F2

75、8335在原有的32位定點(diǎn)架構(gòu)之上，多含一個(gè)32位單精度的TI浮點(diǎn)運(yùn)算庫（FPU），這個(gè)高效的C/C++引擎使用戶可以用高層次語言開發(fā)算術(shù)算法，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的浮點(diǎn)運(yùn)算，節(jié)省程序代碼執(zhí)行的時(shí)間和存儲(chǔ)空間。其32*32位MAC64位處理能力使較高的數(shù)字分辨率問題得到有效解決。</p><p>　　TMS320F28335的總線分為內(nèi)存總線和外設(shè)總線這兩種，在內(nèi)存、外設(shè)和CPU之間常用總線來進(jìn)行數(shù)據(jù)移動(dòng)。其多總線結(jié)構(gòu)（即

76、通常所說的哈佛總線結(jié)構(gòu)）使得C28x能在一個(gè)單周期內(nèi)完成取一個(gè)指令，讀取并寫入一個(gè)數(shù)據(jù)值的任務(wù)。</p><p>　　TMS320F28335DSP具有150MHZ的高速處理能力，具備32位浮點(diǎn)處理單元（FPU），6個(gè)DMA通道，同時(shí)支持ADC、EMIF和MCBSP，能輸出多達(dá)18路的PWM，12位的16通道ADC?？傮w性能比上一代DSC提高了50%，還能兼容定點(diǎn)C28x通用軟件，簡(jiǎn)化了軟件開發(fā)，縮短了開發(fā)周期，

77、降低了開發(fā)成本。</p><p>　　TMS320F28335主要特性有：操作速率為150MHZ；多總線（哈佛）結(jié)構(gòu)，可快速執(zhí)行中斷；40位的算術(shù)邏輯運(yùn)算單元（ALU）；16*16位乘法器，含浮點(diǎn)運(yùn)算庫；功耗較低，3.3V工作電源。</p><p>　　本設(shè)計(jì)使用到的主要引腳有：GPIO0~87——通用輸入/輸出引腳，其中GPIO0~GPIO63可任意與八個(gè)外部?jī)?nèi)核中斷的其中一個(gè)相連，所有

78、的GPIO引腳都可設(shè)置為“I/O/Z（I：輸入，O：輸出，Z：高阻抗）”這三種狀態(tài)，內(nèi)部還有一個(gè)上拉電阻器，可選擇啟用或者禁用，復(fù)位時(shí)GPIO0~GPIO11引腳內(nèi)的上拉電阻器不啟用，而GPIO12~GPIO87是啟用狀態(tài)；XD0~XD31——外部接口數(shù)據(jù)線路。</p><p>　　2.4.4 TMS320F28335與ADC接口電路設(shè)計(jì)</p><p>　　本設(shè)計(jì)采用TI公司DSP器件T

79、MS320F28335控制A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)采集，并將處理得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行再處理，管理輸入、輸出設(shè)備，使整個(gè)電表系統(tǒng)協(xié)調(diào)運(yùn)行。</p><p>　　圖2.7 DSP與前置電路、ADC的接口電路</p><p>　　裝置的硬件連接原理如圖2.7所示。DSP和AD的連接采用的是第6區(qū)域地址的外部接口功能，AD芯片工作在并行通信模式下，每次讀取一固定地址的數(shù)據(jù)，DSP的外部接口產(chǎn)生的信號(hào)時(shí)序直接將

80、AD轉(zhuǎn)換結(jié)果取回。除數(shù)據(jù)傳輸之外，DSP通過GPIO35引腳用作片選信號(hào)使能AD芯片，GPIO15引腳作為控制采樣的時(shí)鐘信號(hào)，通過GPIO14、GPIO16引腳可查詢AD數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換是否完成。</p><p>　　2.5 輸入輸出系統(tǒng)</p><p>　　DSP在完成數(shù)據(jù)處理功能之后，還要對(duì)這些數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行二次處理，即控制輸入輸出設(shè)備，使用戶能輸入操作指令，也能直觀方便地看到系統(tǒng)的處理結(jié)果。D

81、SP作為本系統(tǒng)的CPU，協(xié)調(diào)控制整個(gè)儀器系統(tǒng)的工作，使電表運(yùn)行有序、穩(wěn)定，計(jì)算精確，操作起來簡(jiǎn)單方便，顯示直觀，還可以在需要的時(shí)候根據(jù)功能拓展要求方便地實(shí)現(xiàn)其他功能。</p><p>　　2.5.1 顯示模塊設(shè)計(jì)</p><p>　　本設(shè)計(jì)選用MAX7219芯片作為顯示電路的核心。MAX7219芯片結(jié)構(gòu)緊湊，該芯片實(shí)現(xiàn)了DSP與LED顯示芯片之間的接口，數(shù)據(jù)需要串行輸入，串行輸出，所用數(shù)碼

82、管為傳統(tǒng)的7段式數(shù)碼管附加一個(gè)小數(shù)點(diǎn)，總共八位信號(hào)，共陰極作為驅(qū)動(dòng)。它由條狀圖顯示，或由64個(gè)獨(dú)立的LED顯示。芯片上包含一個(gè)BCD碼解碼器、復(fù)用掃描電路、段與數(shù)字驅(qū)動(dòng)器和用來存儲(chǔ)每一位數(shù)字的8×8位靜態(tài)RAM。而且它只需要利用一個(gè)外接電阻就能設(shè)置所有LED的段電流。MAX7219是多種智能測(cè)量?jī)x表的常選芯片。</p><p>　　MAX7219的主要性能特點(diǎn)有：10MHZ串行接口；獨(dú)立的LED段控制；

83、150μA低功耗關(guān)斷（數(shù)據(jù)保持），即當(dāng)芯片處于低功耗運(yùn)行時(shí)，工作電流降為150μA，相當(dāng)于關(guān)斷模式，而數(shù)據(jù)仍可以被保留下來；數(shù)字和模擬亮度控制，它能顯示1~8位的數(shù)字，可以全亮也能強(qiáng)迫消隱；上電時(shí)顯示消隱；驅(qū)動(dòng)共陰極LED顯示屏。</p><p>　　如圖2.8所示，MAX7219的DIG0~DIG7對(duì)應(yīng)連接8位LED的位驅(qū)動(dòng)端，SEGA~SEGDP對(duì)應(yīng)連接7位碼、小數(shù)點(diǎn)的顯示驅(qū)動(dòng)端。外接電阻Rset連接在電源V

84、DD和電流設(shè)定端Iset之間，用來設(shè)置峰值段電流，控制LED的亮度。Rset一般取10K以上。在電源和地之間還要接一個(gè)抗干擾電容，其值不小于10μF，但電容取值太大其抗干擾作用就不顯著了，一般取10～100μF之間即可。MAX7219芯片工作在脈沖信號(hào)控制下，所以線路抗干擾也很重要，實(shí)際連接時(shí)應(yīng)將MAX7219與LED靠近，盡量減弱由環(huán)境造成的干擾。</p><p>　　圖2.8 MAX7219外圍電路連接圖&

85、lt;/p><p>　　2.5.2 按鍵模塊設(shè)計(jì)</p><p>　　本文采用多按鍵組合的按鍵式鍵盤構(gòu)成按鍵模塊。每個(gè)按鍵代表不同的功能，KEY1-5分別代表：(1)U 顯示電壓有效值；(2)I 顯示電流有效值；(3)P0顯示基波功率；(4)P1顯示諧波功率；(5)RESET復(fù)位。通過行列掃描法可以獲知對(duì)應(yīng)按鍵的鍵值，從而控制DSP發(fā)出操作指令。按鍵模塊與DSP的連接如圖2.9所示。</

86、p><p>　　圖2.9 按鍵模塊與DSP接線圖</p><p>　　在按下或釋放按鍵時(shí)，按鍵會(huì)產(chǎn)生抖動(dòng)，這種抖動(dòng)持續(xù)的時(shí)間根據(jù)按鍵材料的不同而不同，一般為5~10ms。抖動(dòng)很容易誤導(dǎo)DSP識(shí)別失誤，如按鍵一次DSP卻發(fā)出多次對(duì)應(yīng)指令等。所以設(shè)計(jì)中必須考慮到抖動(dòng)的影響，盡量消除它帶來的弊端。</p><p>　　這里可以采用硬件設(shè)計(jì)或者軟件編程來去抖動(dòng)。硬件設(shè)計(jì)可用R

87、S觸發(fā)器來延長按鍵的觸發(fā)時(shí)間從而達(dá)到目的，但這增添了硬件電路的復(fù)雜度，所以本設(shè)計(jì)采用軟件編程的方法來實(shí)現(xiàn)去抖動(dòng)，即加入延時(shí)子程序，當(dāng)有鍵按下時(shí)，執(zhí)行延時(shí)程序，然后再次檢測(cè)該按鍵電平是否已跳轉(zhuǎn)到閉合狀態(tài)，如果確定已閉合，則執(zhí)行對(duì)應(yīng)功能程序，從而消除了抖動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的干擾。</p><p>　　2.5.3 無線通訊模塊設(shè)計(jì)</p><p>　　本設(shè)計(jì)選用SIM300C作為電能表和上位機(jī)之間通訊的工

88、具。SIM300C具有兩種串口模式，這里選擇模式2即可完成所需功能。</p><p>　　模式2主要特點(diǎn)有：兩線串行端口接口；只含TXD和RXD兩個(gè)數(shù)據(jù)線；串口2只用于傳輸AT命令；不能用于CSD通話、FAX通話，而且不支持復(fù)用功能。</p><p>　　硬件連接上，只需要在DSP上分配GPIO40，GPIO45與SIM300C的TXD和RXD線相連即可。</p><p

89、>　　2.6 IC卡讀取模塊設(shè)計(jì)</p><p>　　IC卡（Integrated Circuit Card）的集成電路芯片封裝在一個(gè)塑料卡片中,所以也叫做集成電路卡，它可用來讀寫或存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。與一般的磁卡相比，它具有更大的存儲(chǔ)容量，在數(shù)據(jù)加密方面技術(shù)相對(duì)成熟，使用起來更加安全可靠, 所以漸漸取代磁卡，活躍在網(wǎng)絡(luò)化業(yè)務(wù)處理領(lǐng)域中。由于智能電表對(duì)數(shù)據(jù)可靠性的要求較高，且需要滿足用戶與智能電網(wǎng)之間的通訊，所以IC

90、卡成為配備的首選，它將用戶的個(gè)人信息，如購電量、使用情況等信息存儲(chǔ)在卡內(nèi)，與智能電表交互，完成讀/寫功能，方便用戶及售電工作者對(duì)電量進(jìn)行管理，淘汰掉人工抄表的種種弊端，極大地提高了信息交互的準(zhǔn)確度和速度，而且信息不易被竊取，很好地防止了偷電漏電的現(xiàn)象，是智能電表領(lǐng)域的一大進(jìn)步。</p><p>　　本部分是針對(duì)接觸式IC卡做出的設(shè)計(jì)。電卡不同于公交卡、銀行卡等需要多次插拔，往往只需要在取電之前一次插拔就能將卡內(nèi)的

91、用戶信息讀取到智能電表中，直到用戶購買的電量用完。所以本文僅針對(duì)低成本，高可靠性的接觸式IC卡進(jìn)行讀取模塊設(shè)計(jì)，兼顧了裝置的簡(jiǎn)單可靠，也滿足了用戶的使用需求。</p><p>　　2.6.1 SLE4442簡(jiǎn)介</p><p>　　本設(shè)計(jì)選用SLE4442芯片作為IC卡讀取模塊設(shè)計(jì)的核心。在SLE4432的基礎(chǔ)上，SLE4442增添了一個(gè)安全代碼邏輯，用來控制對(duì)存儲(chǔ)器的寫/擦除路徑。為了達(dá)

92、到這個(gè)目的，SLE4442含有一個(gè)4字節(jié)的錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器EC的安全內(nèi)存（位0至位2）和3字節(jié)的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)。上電后只讀取基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，帶電期間，只有在校驗(yàn)數(shù)據(jù)和基準(zhǔn)數(shù)據(jù)成功比較之后，存儲(chǔ)器才具有與SLE4442一致的訪問功能。 </p><p>　　在接口設(shè)備IFD和IC卡之間的傳輸協(xié)議是雙線鏈路協(xié)議，和“S=A”的協(xié)議相同，I/O口的所有數(shù)據(jù)都在CLK的下降沿改變。</p><p>　　SLE444

93、2相關(guān)特性有：256*8位的EEPROM結(jié)構(gòu)；按字節(jié)尋址；32*1位的保護(hù)存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)；擦除或?qū)懖僮髅孔止?jié)編程時(shí)間都為2.5毫秒；數(shù)據(jù)保存至少十年；寫/擦除次數(shù)至少為1萬次。</p><p>　　2.6.2 SLE4442與DSP接口電路設(shè)計(jì)</p><p>　　如圖2.10所示，SLE4442的I/O口與DSP的GPIO18口相連，時(shí)鐘信號(hào)CLK接DSP的GPIO24，重置引腳RST與DS

94、P的GPIO25連接，圖中未畫出這三條連線上拉到+5V的上拉電阻，因其已經(jīng)包含在選用的接口中。另外GND接地，VCC接電源（圖中未標(biāo)出）。此處要注意，當(dāng)線路干擾較大的時(shí)候，還應(yīng)在線路中加保護(hù)二極管。</p><p>　　圖2.10 SLE4442與DSP連接圖</p><p><b>　　2.7 本章總結(jié)</b></p><p>　　本章主要

95、講述了系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)。按照系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)框圖，完成了對(duì)前置電路、A/D采樣電路、DSP數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，以及輸入輸出系統(tǒng)和IC卡讀寫模塊的設(shè)計(jì)，主要介紹元器件的選型理由和每個(gè)模塊的硬件連接電路。其中前置電路包括了互感器和放大器、濾波電路；采樣電路主要包含A/D轉(zhuǎn)換器；DSP作為系統(tǒng)CPU，既完成數(shù)據(jù)處理的工作，同時(shí)還控制協(xié)同系統(tǒng)其他部分，使整個(gè)系統(tǒng)工作有條不紊地運(yùn)行；輸入輸出系統(tǒng)包含了顯示模塊、按鍵模塊以及與上位機(jī)做信息交互的無線通訊模

96、塊；最后是IC卡讀取模塊，用來與IC卡信息進(jìn)行交互。</p><p>　　第3章 諧波功率測(cè)量及仿真驗(yàn)證</p><p>　　3.1 傅立葉變換原理</p><p>　　電力系統(tǒng)的電壓、電流等非正弦周期信號(hào)可用以時(shí)間t變量的周期函數(shù)表示如下：</p><p><b>　?。?.1）</b></p><

97、p>　　式中T表示周期,單位為秒。該周期函數(shù)變化的頻率為，角頻率為，令，該周期函數(shù)可以表示成為：</p><p><b>　　（3.2）</b></p><p>　　式中為該周期函數(shù)的周期，以角度表示，單位rad，。</p><p>　　將周期函數(shù)用傅立葉級(jí)數(shù)進(jìn)行分解,可以將原函數(shù)表示為基波和無數(shù)高次諧波之和，如下所示：</p>

98、;<p><b>　?。?.3）</b></p><p>　　式中是直流分量，和分別是第n次諧波的余弦系數(shù)和正弦系數(shù)。</p><p><b>　?。?.4）</b></p><p><b>　?。?.5）</b></p><p><b>　?。?.6）

99、</b></p><p><b>　?。?.7）</b></p><p>　　利用正弦函數(shù)的正交性，可得到：</p><p><b>　?。?.8）</b></p><p><b>　?。?.9）</b></p><p><b>　

100、?。?.10）</b></p><p>　　通常情況下，電力系統(tǒng)畸變波形幅值是連續(xù)的，沒有數(shù)學(xué)意義上的間斷點(diǎn)，滿足傅立葉級(jí)數(shù)存在的條件,因此都能按上述方法將波形分解,表示為基波和無數(shù)高次諧波之和。</p><p>　　3.2 離散傅立葉變換（DFT）</p><p>　　由于實(shí)際的信號(hào)都是連續(xù)的，數(shù)字信號(hào)處理器難于直接分析，所以一般先將它采樣做離散化再進(jìn)

101、行分析。離散傅里葉變換（DFT）就可用來分析經(jīng)采樣離散化的模擬信號(hào)。時(shí)域下連續(xù)信號(hào)的頻譜可如下式表示：</p><p><b>　?。?.11）</b></p><p>　　將X（T）抽樣后得到X（nT），離散信號(hào)x（nT）的傅里葉變換可以表示為</p><p><b>　?。?.12）</b></p>&l

102、t;p>　　其中，，被稱為蝶形因子。公式（3.12）計(jì)算了N點(diǎn)的離散傅立葉變換。計(jì)算 X（k）約需次復(fù)數(shù)加法和次復(fù)數(shù)乘法。蝶形因子良好的對(duì)稱性和周期性[11]，可以用來加快運(yùn)算的速度，下面為對(duì)稱性和周期性的表達(dá)式：</p><p><b>　　對(duì)稱性：</b></p><p><b>　　周期性：</b></p><p&

103、gt;　　由于離散傅立葉變換的計(jì)算量非常大，即使對(duì)長度較短的信號(hào)做離散傅立葉變換也需要完成相當(dāng)多的復(fù)數(shù)乘加運(yùn)算，這大大限制的離散傅立葉變換的實(shí)時(shí)運(yùn)用。快速傅立葉變換(FFT)的出現(xiàn)解決了這一問題，F(xiàn)FT并不是一種新的算法，而是快速計(jì)算離散傅立葉變換的一種方法，F(xiàn)FT的出現(xiàn)大大減小完成離散傅立葉變換所需的計(jì)算量和所需存儲(chǔ)空間，加快了離散傅立葉變換的運(yùn)算速度，這一算法開啟了數(shù)字信號(hào)處理的新篇章，使得實(shí)時(shí)分析信號(hào)的頻率成分變成可能。</

104、p><p>　　3.3 快速傅里葉變換（FFT）</p><p>　　傅里葉變換的發(fā)現(xiàn)使得許多在時(shí)域下不易分析的復(fù)雜信號(hào)得到一種簡(jiǎn)便的分析方法。復(fù)雜信號(hào)在頻域下往往展現(xiàn)出一些有價(jià)值的特征，但是在進(jìn)行頻譜分析時(shí)，離散傅立葉變換的計(jì)算量太大，導(dǎo)致了運(yùn)算不易實(shí)現(xiàn)。這之后直到1965年，Cooley和Turkey《機(jī)器計(jì)算傅立葉級(jí)數(shù)的一種算法》一文的發(fā)表，提出了基于離散傅里葉變換的新型算法，這種新型快

105、速算法解決了之前的問題，大大減小了運(yùn)算量，經(jīng)過后人多年的改進(jìn)，進(jìn)一步減小了計(jì)算量，更加適合于處理器運(yùn)算，發(fā)展成為一套完善的、高效的計(jì)算方法，被稱作快速傅里葉變換。</p><p>　　快速傅立葉變換是近代數(shù)值計(jì)算最重要的成果之一，過去的數(shù)值處理、模擬研究等工作往往要等試驗(yàn)結(jié)束后才能進(jìn)行，而FFT可使這些工作得以實(shí)時(shí)完成。它將以往要事后進(jìn)行的數(shù)據(jù)處理和系統(tǒng)模擬研究等工作進(jìn)入到實(shí)時(shí)處理狀態(tài)，打開了數(shù)字信號(hào)處理應(yīng)用上的

106、新局面?？焖俑盗⑷~變換的原理與離散傅里葉變換一樣，不同的是快速傅里葉變換大大減少了計(jì)算離散傅里葉變換所需的乘法和加法次數(shù)，使N點(diǎn)的DFT的運(yùn)算量從降為，從而極大地提高了運(yùn)算速度。</p><p>　　快速傅立葉算法可分為兩大類：即按頻率抽取(DIF)快速傅立葉算法和按時(shí)間抽取(DIT)快速傅立葉算法。本設(shè)計(jì)選用較為常見的按時(shí)間抽取快速傅立葉算法。按時(shí)間抽取快速傅立葉算法是將輸入序列x(n)按n的奇偶分解為奇序列和

107、偶序列:</p><p><b>　　奇序列：</b></p><p><b>　　偶序列：</b></p><p>　　分別令n=2r，n=2r+1，r=0,1,2,…,N/2-1，可得</p><p><b>　?。?.13）</b></p><p>

108、;<b>　　式中 </b></p><p><b>　　令：</b></p><p><b>　　（3.14）</b></p><p><b>　?。?.15）</b></p><p><b>　　于是：</b></p>