单相智能电能表设计与调试.doc

智能电能表设计与调试摘要在电工仪表领域中，电子式单相复费率IC卡电能表是一种测量电能的新型仪表。该仪表可提高电能的合理利用，为用户提供公正、公平的用电环境，对保证电力系统经济运行及适应电能管理自动化的要求具有非常重要的意义。本文首先介绍了电子式电能表的发展现状及研究复费率IC卡电能表的意义，然后，对电子式电能表的测量原理和CS5460中的转换原理进行了分析。在此基础上，文章对以单片机，电能计量芯片为核心的电子式复费率IC卡电能表的硬件总体方案进行介绍，并按功能进行各个硬件电路单元的设计，主要侧重于电能测量单元和智能处理单元。在系统的软件设计中，我们采用结构化、模块化的设计方法，有电能计量处理子程序，峰平谷切换子程序，IC处理子程序等。最后，文章介绍了系统在硬件和软件方面采取的抗干扰措施。关键词: 智能，复费率， 单片机，互感器Design and Debug Of The Smart Energy MeterAbstract In the field of electrical instruments，the single-Phase IC card electrical energy instrument , made up of electronic elements for multi-level electrical Prices is a new type of instrument to measure electrical energy, This will improve the completely utilization of electrical energy, prevents happening of using electricity illegally, and provides fair and impartial environment of using electricity. This instrument will ensure the economical run of electrical Power systems and suit the requirements of the electrical Power departments automatic administration, which will be very important. At first, this paper introduces the present developing state of electronic watt-hour meter and the significance of the research of the single-Phase IC card electrical energy instrument , made up of electronic elements for multi-level electrical Prices. and then，analyzes the measure principle of the electrical energy measurement Especially analyzes the principle ofanalog-to-digital conversion in CS5460. The papers systematically expound the overall scheme of the hardware design of the meter, and the circuit design of each unit with the function divided, The hardware design mainly deals with measuring unit and intelligent processing unit. In the software, utilize modularization method to realize the Calculation and management of electrical energy, and changing Peak normal valley display and processing of IC card etc. At last，the Thesis introduces some anti-interference measures taken in the hardware and software.Keywords: smart energy , multi-level electrical Prices, single-chip, transformer目录第一章 绪论11.1电子式电能表的发展11.2 复费率电能表的意义11.3 IC卡应用现状21.4 研究目的及论文主要内容3第二章 电能的测量原理及方法42.1 电能测量方式42.1.1 电子式电能表的测量原理52.2 电能测量的方案选择82.2.1 离散采样电量测量的原理82.2.2 采用电能计量芯片的电子式电能表原理92.2.3 CS5460中基于调制A/D转换技术10第三章 系统的硬件设计123.1 硬件总体方案123.2 硬件单元电路设计133.2.1 互感器与信号输入电路133.2.2 电能测量及转换电路133.2.3 时钟电路153.2.4 单片机最小应用系统173.2.5 显示电路183.2.6 SLE4442卡在本系统中的应用20第四章 系统的软件设计224.1 系统软件模块设计概要224.2 系统的软件设计组成224.2.1 主程序224.2.2 电能计算处理模块224.2.3 峰平谷显示切换模块234.2.4 IC卡操作子模块234.2.5 八位数码管动态显示子模块23第五章 系统的抗干扰及减少误差的措施295.1 硬件抗干扰措施295.1.1电源抗干扰措施295.1.2 地线设计305.2软件抗干扰措施315.3 减少误差的措施31第六章 全文总结33致谢34参考文献35附录37第一章 绪论1.1电子式电能表的发展电能表作为测量电能的专用仪表，世界上最早的电能表是爱迪生用电解原理制成的直流电能表；自从1888年以来，意大利物理学家非拉里斯(Ferraris)发明的感应式电度表在全世界得到了广泛的应用，至今已有百余年的历史。其后1889年，匈牙利岗兹公司的布勒泰制成了第一台交流感应式电能表。电能表在电能管理中占有很重要的地位，其性能直接影响着电能管理的效率和水平。自它诞生的100多年来随着电力系统以及电力所带动的相关产业的不断完善与发展，对电能表的性能和结构的要求也越来越高。近代出现的现代电子技术、计算机技术、通信技术等新技术的发展，又为电能表的更新与优化提供了技术支持。1.2 复费率电能表的意义随着国民经济的的高速发展和人民生活的不断提高，生产用电量和生活用电量急剧增加，使得用电量的增加超过了发电厂生产电量的增加。为了解决或缓解这一矛盾，就需要采用“削峰填谷”的方法，即削减峰时期的用电量，增加谷时期的用电量。为此，必须运用经济杠杆手段，提高峰期的用电价格，降低谷期的用电价格，促使用户在负荷高峰期少用电，节约用电，鼓励用户在负荷低谷期多用电。复费率电能表是一种分时段计量电能，使电力部门可按时段价格收取电费，进而调节电力负荷平衡的一种电能表。目前，发达国家的部分地区己经开始按复费率电表收取电费。我国电力行业的发展及运营也需要复费率电能表的电力负荷调节作用。同时国家能源短缺的现状也要求电力用户借助于复费率电能表，在一天不同时段电价的调节下，避免在用电高峰期电力供应紧张，在用电低谷时电力生产过剩。由此可见，使用复费率电能表是我国电能表发展的必然趋势。电子式复费率电能表的主要意义有以下几点:(1)使用复费率电能表有利于平抑电力负荷曲线，使发电设备和输电线路运行在较平稳的状态，从而避免由于用电量的急剧变化产生的电力事故或灾难。(2)对发电厂而言，使用复费率电能表，能使发电及供电设备的容量得到充分的利用，也可以降低在一定用电量条件下的资金投入。(3)对用户而言，使用复费率电能表，可以减小高峰期和低谷期的用电量的差异，从而减少一定用电量下的支出，降低家庭、办公室及产品的电费或用电成本。(4)使用复费率电能表，还有利于国家节能策略的落实。电力负荷曲线平稳后，电力生产的调度部门就能使电力的生产和消费关系达到较好的配合，这样就可以避免电力生产的过剩，达到节约能源目的。1.3 IC卡应用现状IC卡是集成电路卡(Integrated Circuit Card)的英文简称。国际标准化组织(ISO在ISO7816标准中规定的IC卡是指在聚氯乙烯(PVC)或聚氯乙烯酸脂(PVCA)材料制成的塑料卡内嵌入微处理器和存储器等IC芯片的数据卡根据卡中所镶嵌集成电路的不同可以分成以下三类7:(1)存储卡。卡中的集成电路为EEPROM(即可用电擦除的可编程存储器)。(2)逻辑加密卡。卡中的集成电路为具有逻辑加密功能的EEPROM和可编程只读存储器PROM。(3)智能卡。卡中的集成电路包括中央处理器CPU，电擦除的可编程存储器EEPROM，随机存储器RAM以及固化在只读存储器ROM中的片内操作系统 COS(Chip Operating System)。IC卡的概念是20世纪70年代提出来的。法国布尔(BULL)公司于1976年首先制造出IC卡产品，并将这项技术用到金融、交通、医疗、身份证明等多个行业。此后IC技术飞速发展己经形成一涉及全球众多电子巨头的新兴技术产业。全球IC卡市场基本上被法、美、日等国垄断。目前IC卡的应用几乎遍布全球，己经广泛应用于金融、交通、医疗、保险、电信、商贸及公共事业收费管理等许多领域。据统计，1997年，全球就发行IC卡9亿张。2000年，2003年分别达到36亿张和63亿张。我国的IC卡应用起步较晚，1994年才开始，1999年已达到1.2亿张。2000年己达到4.1亿张。最近几年，需求量更是有了飞快的发展。总之，不管从电能抄表方式上分析，还是从IC卡的应用前景考虑，选用IC卡式的电能表都是一项很好的选择。1.4 研究目的及论文主要内容随着我国经济的飞速发展，各行各业对电力的需求越来越大，不同时期用电量不均衡的现象日益严重。全面实行峰、平、谷分时电价制度，以便于“削峰填谷”，提高全国用电效率。另外，在复费率电能表中加入IC卡接口，就不仅可以做到分时计费，而且可以先付费后用电，真正做到用价格杠杆来调节用电，用市场规律来科学管理用电，不需要人工抄表，有利于现代化管理。本课题主要研究电子式单相复费率IC卡电能表的硬件设计和软件设计，详细介绍硬件各功能模块的工作原理和选用的主要元器件的功能特点，分析电能表设计中运用的单片机控制技术，电能计量部分是基于CS5460芯片设计，以DS12887时钟芯片作为峰平谷不同时段的参考时间。在系统软件设计方面，对系统各功能模块的流程设计进行描述，并详细介绍各子模块的函数功能。最后介绍了系统的软硬件抗干扰措施及系统误差补偿措施。此电能表可实现分时段电能计量功能，预付费功能，显示金额功能、用电不足报警功能等。相应的设计指标及参数为：（1） 单相电能测量；（2） 电压范围220V20%，电流范围020A；（3） 电压电流通过互感器隔离；（4） 精度1%；第二章 电能的测量原理及方法2.1 电能测量方式作为电能表，最重要的功能就是电能测量。有功电能测量可简单地描述如下8：设在时刻负载两端的交流电压和流过负载的交流电流的表达式为： (2.1) (2.2)其中，为时刻电压瞬时值；为时刻电流瞬时值；为电压峰值；为电流峰值；为电压有效值；为电流有效值；电流与电压相位差；角频率。则在一个周期内平均有功功率为： （2.3）一个周期内的电能W为（2.4）各种乘法结构的电能测量单元都是以式(2.4)为理论基础形成的。实际上用户负荷是不断变化的，无法快速而准确地测得每个周期的电压有效值、电流有效值，以及电压向量与电流向量之间的相位差，所以无法直接按式(2.4)计算电能。电能的测量方式有电解式、感应式、电子式，目前在实际应用中最常用的为感应式和电子式两种。下面简单介绍一下电子式电能表的测量原理，并介绍基于A /D转换器的数字乘法器的工作原理。2.1.1 电子式电能表的测量原理电子式电能表中起主要作用的是电能测量单元，其作用是将输入电压与电流变换成与功率成一定比例关系的脉冲信号，送至分频和计数。它是电子式电能表的关键，其测量精度直接决定电能表的精度和准确度。电子式电能表的电能测量单元种类繁多，其中乘法器是该单元的核心组成部分8。乘法器的类型决定了电子式电能表电能测量单元的结构。由此大体可分为模拟乘法器为核心和以数字乘法器为核心两类。数字乘法器则以微处理器为核心的高精度A/D型为代表。初期的电子式电能表以时分割型为主的较多，目前的电子式电能表则以数字乘法器为主。下面简单介绍一下数字乘法器。数字乘法器型电子式电能表是以微处理器为核心8,10，将经过采样网络变换的被测电压和电流信号由A/D转换器完成数字化处理，然后微处理器对数字化的被测对象进行各种判断、处理和运算，从而可实现多种功能。图2-1 分时采样与采样点功率利用作图法可求得一个周期内各采样点的功率，图2-1为分时采样与采样点功率。从图2-1可以看到各采样点功率为 (2.5) 一个周期T内平均功率为 (2.6)即各采样点功率为)（2.7）则一周期内平均功率为 （2.8）令，则一个周期内的电能为（2.9）若0，则有 （2.10）式（2.9）说明将各采样点的电流、电压相乘积的累加和再乘以采样周期就是平均电能。式(2.10)是一个数值计算公式，由微处理器可以轻松完成。这种方法通过模数转换器(也称A/D转换器)把交流电压、电流模拟量转换为数字量。如果100采样一次，而工频50Hz的交流电压、电流的周期就是20ms，则一个周期内可采样200次。研究指出，利用高精度A/D转换器，增加采样次数就可以将电能计算得很准确。这种测量方法的误差来源主要有采样频率、A/D转换器的转换精度，取样电路及其后的放大线路元器件的分散性造成的幅值和相位误差。误差补偿可通过硬件电路和软件程序来实现。数字型乘法器的实现电路可由单片机、A/D转换器、采样保持器、多路模拟开关和显示器等部分组成。这种电路的硬件部分元件多、体积较大；而其软件也较复杂，因为数据采集、计算、积分等都是通过数字电路来实现的。由于计算机技术的发展和ASIC技术的应用，使开放专用芯片的工作相对容易。这种专用电能计量模块不仅集成了乘法器、P/f变换电路，而且还包含有其他电路，如相位调整电路、电源检测电路、接口电路等，采用这些模块只需配以少量的外围电路就能实现满足不同需要的电子式电能表。数字型乘法器以A/D变换原理也分为两类；用逐次比较型A/D进行采样的数字乘法器和用原理进行A/D转换的数字乘法器。前一类产品如南非SAMES公司生产的SA91系列电能测量专用芯片。后一类产品是美国CIRRUS LOGIC公司的CS5460A、CS5463系列产品，它们即是以A/D转换器为基础的电能专用芯片。2.2 电能测量的方案选择2.2.1 离散采样电量测量的原理电量的连续表达式，我们已经很熟悉了。但是在数字测量仪器中或以微型计算机为基础的智能仪器中，往往需要将连续电量离散采样，得到电量的离散表达式。电压和电流是电气测量中两个最基本的电量。根据电工理论，一个周期T变化的交流电压、交流电流信号，它们的有效值分别表示为 （2.21） （2.22）在时间上连续的的电压信号或电流信号，经过采样保持及A/D转换，可以转化为在时间与幅度上均离散的数字信号或。电压和电流有效值写成离散形式就是 （2.23） （2.24）上式中N为电压信号或电流信号在一个周期内的均匀采样点数。根据采样定律，N所对应的采样频率必须大于输入模拟信号频率的两倍，才能最终不失真地恢复出被测信号。同理，可得出功率P和电能E在模拟域和数字域中的计算表达式， （2.25）2.2.2 采用电能计量芯片的电子式电能表原理采用电能计量芯片的电子式电能表原理框图如图2-2所示。它主要由电压和电流互感器、信号输入电路、电能计量芯片、计算机系统及显示部分10和按键部分组成。电能芯片主要完成对输入信号的A/D转换及电量的数据处理。采用电能计量芯片的电子式电能表，从结构上看，比数字化采样方案的更具有优越性，它省略了一些不必要的单元。本课题要求设计电子式单相复费率电能表，显示和控制功能较多，所以必须以单片机为中心组件。同时考虑到电能专用芯片有许多具体特点，例如，高度集成(集成了ADC，功率计算模块等);高精度(测量误差大多小于0.3%);高性能(具有性能优越的周D转换器，使转换误差更小);多功能(具有相位补偿功能，自身能克服由于互感器带来的角差，具有片内基准电源，可省去高精度基准电源电路)及低功耗(一般为几十毫瓦)等，这些都为设计低成本、高可靠性、功能多样化的电能表提供了有利条件。因此，我们采用基于电能计量芯片的电子式电能表作为本课题的设计方案。目前，国内较为常用的单相电子式电能计量芯片有德国 CIRRUS LOGICAL公司的CS5460，美国AD公司的AD7751和7755。我们选用了CS546O芯片，因为经过仔细分析发现，CS5460采用了基于-调制A/D转换技术，这种技术具有一些得天独厚的优点.图2-2 采用电能计量芯片的电子式电能表原理图2.2.3 CS5460中基于调制A/D转换技术图2-3 芯片5460内部结构图调制A/D转换是近年来研制出的一种新型模数转换器。它采用过采样、噪声成形滤波、数字抽取和滤波等技术。其优点是分辨率高、速度快、线性度好、成本低。目前已经成为音频范围内制作高分辨率(16位)A/D转换器的主流技术1213。CS546O的内部结构如图2-3所示，它包括一个电压固定增益放大器和一个电流可编程增益放大器，两路模/数转换器(含数字滤波器)，一个电量计算引擎及一个串行接口。输入的交流电压和电流经过模/数转换器后变为数字信号，再进入电量计算引擎进行数字信号处理，它可以测量或计算出瞬时电压、瞬时电流、瞬时功率、电能、电压有效值、电流有效值。测量结果存储于24位的专用寄存器中，但它不是真正的电量结果，需要乘相应的系数才是最终结果。测量结果通过串行接口以三总线的方式可以与单片机或数字信号处理器(DSP)通信。基于调制A/D转换技术在决定CS5460芯片性能方面起着非常重要的作用。它最初是数字通信中使用的一种数字调制方式，旨在改进调制中过载信号幅度随信号频率升高而下降的特性，在不少场合取得了成功的应用。然而，调制真正引起人们高度重视的成果还是用于构成VLSI的A/D、D/A转换器。如何在已有的标准VLSI工艺上研究和开发高性能的A/D、D/A转换器已经引起了人们的浓厚兴趣。我们知道，数字信号处理系统具有精度高、抗干扰能力强、易于集成化的特点。在传统的A/D转换器中，需要很多模拟电路和精密的基准电压和分压器。当分辨率很高时，制造工艺会遇到一定困难。而A/D转换器的数字电路占整个电路一大部分，无需工艺提供精确的组件匹配，因此，A/D转换器较传统的A/D转换器更适合制造高性能的VLSI，并且具有一些良好的特性第三章 系统的硬件设计3.1 硬件总体方案一般来说，电子式单相复费率电能表的原理是：首先，将交流电压和交流电流经取样电路输入乘法器，然后乘法器将输入的交流电压和交流电流相乘，输出一个与功率成正比的交流电压，再通过电压-频率变换器，将上面的交流电压变换成与之成正比的频率脉冲，该频率脉冲通过时间分配器，将脉冲送入不同费率的计数单元，各单元计数器记录单位时间内输入的脉冲数，该累计脉冲数量就是该时间内所走的用电量。本设计中的电子式单相复费率IC卡电能表主要由:互感器与信号输入电路16，电能转换电路，单片机最小应用系统，时钟电路，键盘及显示控制电路及IC卡插座电路组成，如图3-1所示：3.2 硬件单元电路设计3.2.1 互感器与信号输入电路图3-2为电能表本机系统中所采用的互感器与信号输入电路。VT为1:1的电流型电压互感器，CT为1000:1的电流型互感器。由CS546O产品资料可知，VIN+、VIN-及IIN+、IIN-分别是差分放大器的两个输入端，因此图3-2(a)、3-2(b)中均采用了差动输入电路的方式，这样可以减小零漂，更为重要的是，有利于抑制共模信号，即来自电网的干扰信号。由于输入交流电压u的最大值设定为260V，输入交流电流i的最大值设定为20A;CS546OA中电压通道的最大有效值输入和电流通道的最大有效值输入分别为150mV和3OmV;再根据图3-2所示的最大互感器电流比，可求得R1为130，R3、R4均为40K，R5、R6均为1.5 (取标称值1)，又经过R2、R5、R7、R8的降压作用，使得U1V不超过 150mV，U1I不超过 30mV。 图3-2 互感器与信号输入电路3.2.2 电能测量及转换电路目前，国内市场上有好几种单相电子式电能计量芯片，根据价格性能比及市场供应情况，这里选用了CS5460A芯片。 CS5460A 是一个包含两个模-数转换器（ADC）、高速电能计算功能和一个串行接口的高度集成的模-数转换器。它可以精确测量和计算有功电能、瞬时功率、IRMS 和VRMS ，用于研制开发单相2 线或3 线电表。CS5460A可以使用低成本的分流器或互感器测量电流，使用分压电阻或电压互感器测量电压。CS5460A具有与微控制器通讯的双向串口，芯片的脉冲输出频率与有功能量成正比。CS5460A 具有方便的片上AC/DC 系统校准功能。“自引导”的特点使CS5460A 能独自工作，在系统上电后自动初始化。在自引导模式中，CS5460A 从一个外部EEPROM 中读取校准数据和启动指令。使用该模式时，CS5460A 工作时不需要外加微控制器，因此当电表用于大批量住宅电能测量时，可降低电表的成本。实际上，该芯片有许多优点,如：(1)不仅能够测量功率、电能，而且能测量电压、电流等其它电量。(2)采用先进的型A/D转换器，分辨率高、线性度好，对高频信号有较强的抑制作用，因而对输入信号无需进行复杂的滤波处理。(3)电能测量精度:0.1%，为设计高精度的电能表提供了前提条件。(4)具有自动相位补偿功能，可以大大降低互感器角差的影响。因为互感器角差的存在，往往造成输入信号的相移，从而增大电能的测量误差。(5)功率消耗小于12毫瓦。有利于降低电能表自身的功耗。(6)具有2.5V片内电压基准。这样省去了外接A/D转换基准参考电压电路的麻烦。当CS5460接收到“启动转换”命令，电能寄存器的数据，每N(N值在循环计数寄存器中设置)次A/D转换(即一个计算周期，本系统设置为1S)完毕后更新一次，而电压、电流、功率瞬时值寄存器内部的数据，则每一次A/D转换完毕就更新一次。图3-3为电能测量及转换电路。在本系统中，将CS5460的工作时钟WCLK选为4.O96MHz，是为了计算方便。如果分频系数K取为1，循环计数器的N值取为4000，则一个基本的计算周期为 (3.1)一个 A/D转换周期为 (3.2)相当于在一个工频周期内采样80个点。并且可以推出，电能瞬时值的更新频率为l赫兹。CS546O有四条串行接口线:/CS、SDI、SDO及SCLK。/CS为片选控制线，低电平有效，由AT89S52的P20控制。SDI和SDO分别为串行数据输入线和串行数据输出线。SCLK为串行时钟，用于控制CS546O与微处理器之间的传输数据同步。一次数据的传输总是从向串口(SDI脚)发送有效的8位命令(MSB位在先)开始的，然后，从SDI脚或SDO脚输入或输出24位数据(MSB位在先)。这样就可以通过串行口完成对CS546O的读写操作。图3-3 电能转换电路3.2.3 时钟电路本系统要求时段起始点设定及显示当时的日期和时间，因此，需要自身携带时钟芯片，以便实时监控。目前，市场上的时钟芯片种类繁多，功能各异，如DS1302，MSM58321等。我们选用了性能价格比较高，且功能完善的DS12887时钟芯片。该芯片是DALLAS公司推出的8位并行实时时钟芯片，工作电压为5V，便于在计算机系统中应用。具有并行控制功能，使其在与微处理器接口时能大大提高CPU的工作效率。它的计时精度非常高，在25的工作环境中误差约为士1分钟/月。当外部电源电压小于3V时，内部检测系统将自动切断外部电源，改为由内部铿电池供电。该芯片的具体应用电路如图3-4所示。为了使电路图简明，89S52的P20端与DS12887的CS端用P21连接。它的主要特点如下：(l)具有秒、分、时、日、月、年及星期信息，并有闰年补偿功能。(2)时间可采用12小时制或24小时制。(3)有128字节的非易失静态RAM可供用户使用，其中14字节为时钟和控制寄存器，114字节为通用RAM(可存放重要的数据),有可编程方波输出功能。(5)断电情况下可运行10年以上而不丢失数据DS12887主要由振荡器、电源控制、总线接口、周期中断方波产生电路及日历时钟寄存器等部分组成。为了防止电池能量的不必要浪费，芯片出厂时通常关闭内部振荡器。在使用时要注意通过控制器将其打开。时钟电路为本系统提供了时间基准。它可以显示当前的时间状态，为按峰平谷时间段显示电能提供了时间基准，它的114字节非易失静态RAM为保存电能计算结果在断电情况下而不丢失起到了极为重要的作用。图3-4 DS12887应用电路3.2.4 单片机最小应用系统单片机系统是电能表的核心部分。具体电路如图3-5所示。由于电能表本身要求功耗低和体积小，所以本机系统使用的是ATMEL公司的AT89S52单片机。该单片机是一个高性能、低功耗的8位CMOS微处理器，且带有8K字节可编程可擦写只读存储器(PEROM)。8K字节的存储空间可以容纳较长的应用程序。AT89S52有以下主要特点:(1)与MCS-51产品兼容。(2)SK字节的PEROM寿命:1000次写/擦。(3)2568位内部RAM。(4)32条可编程I/O线。(5)5个中断源。(6)两个16位定时器/计数器。(7)低功耗的闲置和掉电模式。图3-5 单片机最小应用系统3.2.5 显示电路LED数码管显示器件的优点是工作电压低、体积小、寿命长、可靠性高、响应时间短(小于0.1微秒)、亮度也较高。其缺点是工作电流较大。液晶显示器的优点是功耗极小、寿命长、字迹清晰，但它的缺点是反应速度慢(10200ms)，亮度也较低。因此，经过比较，选8个LED数码管作为显示电路的器件。ZLG7290B能够直接驱动8位共阴极数码管（或64只独立的LED），同时还可以扫描管理多达64只按键。其中有8只按键还可以作为功能键使用，就像电脑键盘上的Ctrl、Shift、Alt 键一样。另外ZLG7290B内部还设置有连击计数器，能够使某键按下后不松手而连续有效。采用IC 总线方式，与微控制器的接口仅需两根信号线。可控扫描位数，可控任一数码管闪烁。其电路如图3-7所示：图3-7 显示控制电路3.2.6 SLE4442卡在本系统中的应用IC卡技术是一种串行数据通信技术，能实现数据的传输与交换功能。在存储卡、逻辑加密卡及智能CPU卡三种卡中，其中存储卡的安全性最差，数据安全完全取决于读写器的软件口令及加密算法。智能CPU卡由于具有控制信息交换的芯片操作系统COS,所以安全性最高，主要用于金融场合。而逻辑加密卡的安全性介于两者之间，而且价格适中，适合于当前预付费电能表的工作环境，在当前的电能计量IC卡中占主导的地位。逻辑加密卡的种类很多，其中SLE4442是目前应用最广泛的一种，由德国西门子公司生产，采用+5伏供电,本课题采用的就是这种卡。SLE4442卡采用IC总线，其触点配置接口符合1S07816同步传输协议，采用MOS工艺制造。每个字节擦除或写入编程时间至少2.sms，擦写次数至少一万次以上，数据保存长达10年以上。芯片引脚如图3-8所示。图中C1为电源端;C2为复位端;C3为时钟端;C4为双向数据端;C5为闲置端;C6为接地端。S1，S2为IC卡卡座的一对常开接点，当有卡插入时，S1、S2短路。图3-8 SLE4442芯片引脚图 SLE4442卡座与89S52单片机的连接图如图3-9所示。SLE4442的RST，CLK，I/O三条线均需接上拉电阻，因选用的是AT89S52的P1，P2，T1，T2口，它们内部均含上拉电阻，故可省去。图3-9 SLE4442与89S52连接图第四章 系统的软件设计4.1 系统软件模块设计概要单片机系统的软件必须根据单片机硬件基础进行设计。系统的软件设计是一个系统的主要组成部分，软件的质量将直接影响到系统的性能指标的完成。智能电能表软件系统采用模块化结构设计方法。模块化编程是一种分别进行各模块程序编写、编译和调试，最后一起连接及定位的软件设计方法。模块化编程使程序开发更有效，小块程序更容易被理解和调试，当知道模块的输入和所要求的输出时，就可直接测试该模块。4.2 系统的软件设计组成在本设计中，主程序模块负责协调各个功能模块，其子程序模块包括电能计量子模块、峰平谷切换子模块、IC卡应用子模块和显示模块等。4.2.1 主程序其主要任务分别是各种标志和功能寄存器的初始化;给当前时间赋峰平谷标号;根据标志位执行相应的子程序模块，还有循环显示6个标志及相应的变量。程序初始化主要完成以下发几个方面的工作:给各种标志、计算缓冲区、时间日历寄存器赋初值;设置单片机定时器T0、Tl(分别作为刷新周期定时器和波特率发生器)的时间常数;初始化还完成定时器、电能芯片5460及时钟芯片12887的启动工作。给当前时间赋上峰平谷标号后,电能表以此来判定当前的电能应该计量到那个时段中去，系统主程序流程图如图4-1。4.2.2 电能计算处理模块电能计算处理子程序是所有子程序中最重要的程序。首先从5460电能寄存器中读取增加电量，然后和临时电量相加并存入临时电量单元。接着临时电量与0.001度电量进行比较。如果小于0.001度，直接退出中断服务程序。如果等于或大于0.001度，0.001度计数器加1，当累计到10时 (0.01度)，再根据复费率的峰平谷标志，给相应的0.01度计数器加1(如果0.01度计数器累计到10，就要逐级进位)，并将累计电量储存到12887RAM区。最后做临时电量减去0.001度的操作。上述流程可循环进行，直到临时电量不够减0.001度而退出中断服务程序。程序流程图如图4-2所示。4.2.3 峰平谷显示切换模块图4-3为复费率峰平谷显示切换子程序的流程图，其目的就是：当时钟运行到报警时间(实际为某一个时段的起始时间)时，执行此子程序。本程序首先从12887时间寄存器中读出当前时间，然后依次与峰值、平值及谷值起始时间进行比较，确定下一次的报警时间和峰平谷时段标志的选择。一旦下一个报警时间引起CPU外部中断0的中断，系统流程又进入本中断服务程序，进行类似的操作。4.2.4 IC卡操作子模块该模块的具体流程见图4-4。运行时首先调复位及复位响应子程序，然后判断IC卡密码是否正确，若不正确，显示密码出错信息;若正确，分别读IC卡峰平谷购电量及电能表 峰平谷库电量到CPU，然后更新峰平谷库电量并清零IC卡。最后不管IC卡是否抽出，电能表均恢复到正常工作状态。4.2.5 八位数码管动态显示子模块图4-5为八位数码管动态显示子程序流程图。程序首先给显示位置(0-8)及显示数据存储区赋初值，接着进入循环体，将显示位及显示数据送入相应的缓冲器，再调入显示某位的子程序，这样循环8次，就动态显示出8位所有的变量。各单元流程图如下：第五章 系统的抗干扰及减少误差的措施微机控制系统一般都安装在现场，与之相连的被控对象及待测参数往往遍布整个区域，这就使得各种干扰源直接或间接地影响整个系统的工作。干扰的主要来源有:交流电源系统、接地系统、静电感应、电磁感应、I/0接口及I/0信号传输线路等。解决微机控制系统的抗干扰问题应从两方面考虑，一是提高系统本身的抗干扰能力。二是找出强干扰源，采取相应的对策，使其不能串入系统。抗干扰的措施主要从硬件和软件两方面进行。5.1 硬件抗干扰措施在本系统中，主要采取了两项硬件抗干扰措施，即电源抗干扰措施和正确的地线设计。5.1.1电源抗干扰措施复费率IC卡电能表一方面直接和交流电源相连接，另一方面该系统中的各个单元都需要直流电源供电。它的最初电源也是交流电源。交流电源由于生产负荷的剧烈变化，如大电机的起停，强继电器的通、断等，往往造成电源电压的波动，严重时可直接影响微机系统的正常工作。因此，必须对交流供电采取一些措施，以抑制来自电源的干扰。a.采用差模输入方式在CS546O输入电路中，采用差分电路输入方式，可有效地抑制输入端的共模干扰信号。b.采用集成电路块单独供电近年来出现的各种三端集成电路稳压块，如7805、7812、7905等，比起单一的稳压方式电路有许多优点。它实际上是一种多级稳压电路，有很强的抗干扰能力，从而使稳压电源的输出更加稳定、可靠。本仪器中使用7805集成电路作为5V直流稳压电源的稳压部分。c.采用去藕电路数字电路信号在电平转换过程中会产生很大的冲击电流，并在传输线和供电电源内阻上产生较大的压降，使供电电压跳动，从而形成一个干扰源。在电路中适当配置去藕电容，可抑制这种干扰。5.1.2 地线设计在微机系统中，接地问题是一个非常重要的问题。接地问题处理得正确与否。将直接影响系统的正常工作。在微机控制系统及智能化仪器中，接地种类主要有:(1)数字地，即系统中数字电路的零电位。(2)模拟地，它是放大器、采样保持器以及A/D转换器的零电位。(3)屏蔽地，为防止静电感应和电磁感应的干扰，屏蔽用的导体必须良好接地。(4)交流地，交流50Hz的地线。抗干扰接地的一般原则是:尽可能使接地电路各自形成回路，以减少电路与地线之间的电流藕合;恰当地布置地线使接地电流尽可能地减小。根据地线电流的大小及信号频率的高低选择相应的接地方式。本仪器主要采取了以下几点措施:(1)模拟地采用一点接地法，也就是流向接地点的电流通过各自的回路，最后在一点汇集。(2)数字地采用了分区集中并联一点接地的方法。即在印刷电路板上有多个不同功能的电路时，将同一功能的元器件集中于一点接地，自成独立回路。与此同时,还应将各功能单元的接地点与数字汇合点相连接。(3)最后仅一点处将模拟地和数字地连接起来，否则，数字回路通过模拟电路的地线再返回数字电源，将会对模拟信号产生影响。5.2软件抗干扰措施窜入微机测控系统的干扰，往往频谱很宽，且带有随机性。采用硬件措施，只能抑制某个频段的干扰，仍有一些干扰会侵入系统。因此，除了采用硬件干扰措施以外，还需要采取软件抗干扰措施。MCS-52所有指令均由操作码和操作数两部分组成。CPU取指令过程是先取操作码，后取操作数，这些操作时序完全由程序计数器PC控制的，一旦PC因干扰而出现错误，程序便出现“乱飞”，会犯操作数值改变及将操作数当作操作码的错误。为了使“乱飞”程序在程序区迅速纳入轨道，应该多用单字节指令，并在关键地方人为地插入一些单字节指令NOP，或将有效单字节指令重写, 这叫做指令冗余。aNOP的使用可在双字指令和三字节指令之后插入两个NOP指令，这可保证其后的指令不被拆散。因为“乱飞”的程序即使落到操作数上，由于两个NOP的存在，不会将其后的操作码指令当作操作数执行，从而使程序纳入正确轨道。对程序起决定作用的指令(如RET、RETI、ACALL、LCALL)之前插入两条NOP指令，可保证乱飞程序迅速纳入轨道。b.重要指令冗余对于某些有关系统工作状态的重要指令(如SETB EA)可以再写一次以确保这些指令的正确执行。最后需要注意：采用冗余技术使PC纳入正确轨道的条件是乱飞的PC必须指向程序区，且执行到冗余指令。5.3 减少误差的措施电能计量综合误差过大是电能计量存在的一个关键问题，本课题要求电能计量精度1%,为了达到这个要求，需要在减小系统误差上采取一定得措施，本课题采取了以下工作：(1)A/D转换环节上，采用了含有调制A/D转换器的CS5460电能计量芯片。它在减小A/D转换量化误差及精简系统结构方面起到了很重要的作用。(2)在软件设计中，对电能寄存器使用了自动调零技术，以便使系统更加准确地测量积累的电能。(3)另外，在测试手段和测量方法上也采取相应的一些措施来减小误差。第六章 全文总结这次设计在参考大量以往设计资料的前提下，设计一款以单片机AT89S52，电能计量芯片CS5460为核心的电子式复费率IC卡电能表，用到了时钟芯片DS12887和显示芯片ZLG7290, 选8个LED数码管作为显示器件。文章主要对系统的硬件部分和软件部分在理论上进行了设计，主要实现的功能有计量和显示功能、IC卡预付费功能，分时计费功能和报警功能。本设计实现单相电能的测量，通过电压互感器和电流互感器将电压和电流进行隔离，同时具有IC卡并设计了特殊计费功能，基本完成了本课题的设计要求，但由于时间关系和本人经验不足，电路暂时尚未调试。致谢首先要感谢我的指导老师高宗海教授，在毕业设计期间，高老师给了我莫大的关心、帮助和教诲，为我提供了良好的学习和实践条件，指导我不断地学习、进步。本论文从选题、方案设计到具体工作，高老师都给了我有益的启迪和悉心的指导，提出了许多有益的意见和建议。作为我从事科研工作的启蒙老师，高老师严谨的治学态度、谦逊的品德、渊博的知识和丰富的实践经验都使我受益匪浅。谨在此，向导师及家人致以诚挚的感谢和敬意。感谢王建老师对我的毕设工作提供的支持和帮助，在毕业设计期间，还得到了曹昆同学和几位学长的热情帮助，在此一并表示深深的感谢。最后，还要衷心感谢在百忙之中评阅我论文的各位老师! 参考文献【1】 郑东海.新型三相复费率网络化多功能电能表的研究：哈尔滨工业大学硕士学位论文.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2005:1-5【2】 赵伟，吕鸿莉，郭蕴蛟.电子式电能表及其在现代用电管理中的应用M.北京:中国电力出版社，1999:1-5【3】 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