智能多用戶電能表的設(shè)計(jì)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上摘 要 隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電能表的生產(chǎn)規(guī)模越來越大。同時(shí)，在能源越來越緊張的環(huán)境下，多用戶智能電能表具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和較高的應(yīng)用價(jià)值。多用戶智能電能表十分適合我國國情，其功能也很完善。 本文在電能計(jì)量理論研究的基礎(chǔ)上，是以ATT7022為模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，用S3C44BOX為主要控制芯片，通過 ARM-uClinux嵌入式平臺，GPRS通信技術(shù)，CAN通信技術(shù)等，研究設(shè)計(jì)和開發(fā)一套用于智能電網(wǎng)的智能型三相多用戶電能表。電能表采用模塊化的設(shè)計(jì)，主要分為硬件和軟件兩個(gè)方面。這種設(shè)計(jì)不僅能夠很好地滿足電能計(jì)量、遠(yuǎn)程抄表等需求，還有有利于節(jié)能和平衡用電。具有一定的社會(huì)應(yīng)用價(jià)值

2、。關(guān)鍵詞：ATT7022；S3C44BOX；多用戶電能表；AbstractWith the development of electronic technology, watt-hour meter production scale is bigger and bigger. At the same time, in an increasingly tense energy environment, multi-user intelligent watt-hour meter has important realistic meaning and high application value.

3、 Multi-user intelligent watt-hour meter is very suitable for China's national conditions, its function is also very perfect. Electric energy measurement is presented in this paper, on the basis of theoretical research is ATT7022 modulus conversion chip, using S3C44BOX as main control chip, throu

4、gh the ARM - uClinux embedded platform, and GPRS communication technology, the CAN communication technologies, such as research design and development of a set of intelligent multi-user three-phase watt-hour meter used in smart grid.Watt-hour meter adopts modular design, mainly divided into two aspe

5、cts of hardware and software. This design not only can well meet the demand of electricity measurement, remote meter reading, etc, and is good for energy saving and balance of power. Has a certain application value in society.Key words: ATT7022; S3C44BOX; Multi-user watt-hour meter;專心-專注-專業(yè)目 錄第1章 緒

6、論電能表由于長期連續(xù)工作且用量大，而且它的耗電是不可忽視。根據(jù)計(jì)量部門提供的型式檢驗(yàn)報(bào)告，對各種各樣電能表的自身能耗進(jìn)行了比較?，F(xiàn)有單戶電能表功耗多在1W以上，雖然滿足國家所制定的標(biāo)準(zhǔn)，但是從節(jié)能角度考慮，還應(yīng)盡量減少電能表的功耗。而多用戶智能電能表，其平均每戶自身功耗卻不到0.3W，每戶年節(jié)電大概10度，相比之下效益十分巨大。在能源越來越緊張的環(huán)境下，多用戶智能電能表具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和較高的應(yīng)用價(jià)值。多用戶智能電能表十分適合我國國情，其功能也很完善。因此，國家應(yīng)支持和鼓勵(lì)多用戶智能電能表的發(fā)展。1.1課題背景隨著我國電力的發(fā)展和人們生活中家用電器的普及，用電量日益增大，并且用電的高峰和低谷

7、存在較大的差距;電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜龐大，用傳統(tǒng)的方法已無法實(shí)現(xiàn)當(dāng)代供電和用電管理系統(tǒng)的需要?，F(xiàn)代化的供、用電管理方法要求電能表具有分時(shí)計(jì)價(jià)和自動(dòng)遠(yuǎn)程抄表等功能。微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)的高速發(fā)展為電子式電能表的迅速進(jìn)步和日益成熟的提供了強(qiáng)大的技術(shù)支撐。 近年來我國的城市居民住宅建設(shè)發(fā)展十分迅速，隨之而來樓房所用電能表的數(shù)量也日益增多，人們常常簡單地將市場上現(xiàn)有的商品化電能表集中掛成一面“表墻”。當(dāng)用戶較多時(shí)，將給使用、維護(hù)和管理帶來諸多不便。研究表明，從我國目前一個(gè)公寓樓房單元通常住有十幾戶甚至幾十戶的實(shí)際出發(fā)，開發(fā)和應(yīng)用集多表位于一體的、多用戶多功能組合式新型智能電能表具有重要

8、意義。1.2電能表的發(fā)展歷史一電能表的出現(xiàn)由于電能在最早開始投入生產(chǎn)的時(shí)候使用的是直流電，因此1880年（或1881年）愛迪生利用電解原理發(fā)明了第一臺直流電能表（安時(shí)計(jì)）。由于年代久遠(yuǎn)，我們只能猜測愛迪生將電解裝置接入電路，通過電解過程中某種化合物的生成量來計(jì)算電能轉(zhuǎn)化。但是這種理論存在一個(gè)問題：根據(jù)高中所學(xué)的電解知識，在已知電解質(zhì)種類的情況下，我們可以計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)的電荷轉(zhuǎn)化量，進(jìn)而得到電流。二感應(yīng)式電表 隨著工業(yè)進(jìn)程不斷加快，受技術(shù)的限制，直流電已經(jīng)無法滿足市場的要求，交流電登上了歷史的舞臺。1889年，匈牙利崗茲公司一位德國人布勒泰制作成總重量為36.5kg的世界上第一塊感應(yīng)式電能表。在

9、感應(yīng)式電表剛發(fā)明出來的時(shí)候還存在很多問題。一方面，導(dǎo)磁材料性能差，增大了電能表體積和質(zhì)量。另一方面，轉(zhuǎn)盤材料產(chǎn)生渦流過程中電能消耗太大。因此，之后感應(yīng)式電表又得到了逐步改進(jìn)。1905年出現(xiàn)了增加非工作磁路改進(jìn)成九十度的方法，大大提升了電能表各項(xiàng)參數(shù)。隨后性能較好的高導(dǎo)磁材料的出現(xiàn)，大大地減輕了電能表的重量并縮減了其體積。上世紀(jì)三十年代開始，電能表釆用鉻鋼、鋁鎳合金代替原來的鎳銅，并通過降低電能表轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速來降低其損耗，同時(shí)改善了電能表的負(fù)荷特性。感應(yīng)式電表因結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)低廉、維修方便、操作安全在電能計(jì)量中得到了廣泛引用。但是感應(yīng)式電表也有自身的缺點(diǎn)：消耗人力、準(zhǔn)確度低、功能擴(kuò)展困難、防竊電能

10、力差。三電子式電表 二十世紀(jì)六十年代末，日本發(fā)明了時(shí)分割乘法器并提出了其測功率原理，實(shí)現(xiàn)了全電子化測量裝置，受到全世界的關(guān)注。電子式電能表的出現(xiàn)很好地解決了感應(yīng)式電表的一些問題：功能強(qiáng)大、準(zhǔn)確度高、防竊電能力強(qiáng)。但是由于全部由電子元件構(gòu)成，電子式電表最大的缺點(diǎn)就是使用壽命短，除此之外，維修復(fù)雜、抗干擾能力弱也是限制其發(fā)展的因素。四機(jī)電一體式電表 上個(gè)世紀(jì)末，針對電能表實(shí)現(xiàn)多功能、高精度及便于自動(dòng)抄表、具有先進(jìn)通訊接口等諸多功能擴(kuò)展需要，出現(xiàn)機(jī)電一體式的特種電表，且功能完善。機(jī)電式電表采用感應(yīng)式電能表作基表，同時(shí)應(yīng)用電子電路來實(shí)現(xiàn)新的功能。例如機(jī)電式長壽命電能表一體化程度高，各零件均采取了特別工

11、藝處理，既克服了電子式電能表由于電子元件容易老化壽命短的問題，也克服一般機(jī)電式電能表工藝的不足，并可在各種惡劣環(huán)境條件下的正常運(yùn)行。但是既然機(jī)電式電表以感應(yīng)式電表作為基表，就還存在著感應(yīng)式電表的缺點(diǎn)。五智能化電表 隨著全球性“智能電網(wǎng)”和國家電網(wǎng)公司“電力用戶用電信息采集系統(tǒng)”建設(shè)的開始，電能表，不再僅作為單一計(jì)費(fèi)儀表而存在，而是正向智能化、系統(tǒng)化、模塊化和多元化的系統(tǒng)終端發(fā)展。自動(dòng)抄表系統(tǒng)與負(fù)荷控制系統(tǒng)逐步合并升級成用電信息采集系統(tǒng)，并向高級測量體系過渡，且已成為最具發(fā)展?jié)摿Φ碾姽x器儀表產(chǎn)品之一。在此影響下，當(dāng)前感應(yīng)式電表的市場份額已經(jīng)下降到兩成不到，而隨著智能電網(wǎng)建設(shè)的進(jìn)一步推進(jìn)，電子式

12、電表將呈現(xiàn)出完全取代感應(yīng)式電表的趨勢，并逐步向“智能電表”過渡。智能電表是一種新型全電子式電能表，具有電能計(jì)量、信息存儲及處理、實(shí)時(shí)監(jiān)測、自動(dòng)控制、信息交互等功能，支持雙向計(jì)量、階梯電價(jià)、分時(shí)電價(jià)、峰谷電價(jià)等實(shí)際需要，也是實(shí)現(xiàn)分布式電源計(jì)量、雙向互動(dòng)服務(wù)、智能家居、智能小區(qū)的技術(shù)基礎(chǔ)。它還能對居民用電負(fù)荷情況自動(dòng)示警，避免超負(fù)荷導(dǎo)致的短路及火災(zāi)等嚴(yán)重事故。另外，居民可以使用充值卡或網(wǎng)上充值兩種方式繳納電費(fèi)，方便快捷。因此可以預(yù)見，將來電能表的發(fā)展必將是以智能化作為最終目標(biāo)，成為覆蓋全國的智能化電網(wǎng)的系統(tǒng)終端。1.3國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀近年來，國內(nèi)外對于研究數(shù)據(jù)通信理論和電量計(jì)量已經(jīng)接近成熟，現(xiàn)在國

13、內(nèi)外的研究熱點(diǎn)是智能電網(wǎng)相關(guān)技術(shù)。什么是智能電網(wǎng)，就是電網(wǎng)的智能化，以高速雙向通信網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，通過先進(jìn)的測量和傳感技術(shù)、先進(jìn)的控制方法和先進(jìn)的決策，支持整個(gè)智能系統(tǒng)的應(yīng)用，來實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)總體的經(jīng)濟(jì)、安全、可靠、高效、友好和使用安全的目標(biāo)。在2005年，加拿大人馬克坎貝爾發(fā)明了一種利用Swarm群體行為原理的技術(shù)，使大樓里的電器相互協(xié)調(diào)，減少大樓在用電高峰期的用電量。他通過一種無線控制器，把整個(gè)大樓的電器連接起來，并對之有效控制。在2006年,美國著名的IBM公司與一些企業(yè)，全球電力專業(yè)研究機(jī)構(gòu)合作開發(fā)了一套“智能電網(wǎng)”的解決方案。該方案被比喻成電網(wǎng)系統(tǒng)的“中樞神經(jīng)系統(tǒng)”，供電網(wǎng)絡(luò)公司可以通過使用先

14、進(jìn)的計(jì)量表、先進(jìn)的傳感器、先進(jìn)的計(jì)量表、先進(jìn)的數(shù)字控件和先進(jìn)分析工具，自動(dòng)監(jiān)控總個(gè)電網(wǎng)，優(yōu)化電網(wǎng)運(yùn)行性能、防止電網(wǎng)斷電、而且可以更快地恢復(fù)供電，普通消費(fèi)者對電力使用情況的管理也可細(xì)化到每個(gè)聯(lián)網(wǎng)的智能裝置。在我國，2007年10月，華東電網(wǎng)智能電網(wǎng)可行性研究項(xiàng)目正式啟動(dòng)，并計(jì)劃了從2008年至2030年的智能電網(wǎng)建設(shè)“三步走”戰(zhàn)略，第一步:在2010年初步建成電網(wǎng)高級調(diào)度中心；第二步:2020年全面建成具有初步智能特性的數(shù)字化電網(wǎng)；第三步:2030年真正建成具有自愈能力的智能電網(wǎng)。2008年，美國的科羅拉多州波爾得(Boulder)城市，這個(gè)全世界第一個(gè)智能電網(wǎng)城市，智能型電表進(jìn)入每家每戶，人們

15、不僅可以隨時(shí)地了解當(dāng)時(shí)的電價(jià)，從而把一些耗電的事情，比如洗衣服、洗浴等安排在電價(jià)低的時(shí)候。還可以幫助居民優(yōu)先使用太陽能等清潔能源。 2009年2月2日，我國能源問題專家武建東，在全面推互動(dòng)電網(wǎng)革命拉動(dòng)經(jīng)濟(jì)創(chuàng)新轉(zhuǎn)型的文章中，明確提出中國電網(wǎng)函須實(shí)施“互動(dòng)電網(wǎng)”革命性改造，互動(dòng)電網(wǎng)就是智能電網(wǎng)。第二年，國家電網(wǎng)公司制定了關(guān)于加快推進(jìn)堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)建設(shè)的意見，確定了建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的基本原則和總體目標(biāo)。1.4本論文的組織結(jié)構(gòu)第1章緒論部分，介紹課題的背景和研究意義，從整體上給出了智能電能表的研究思路。第2章系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)部分，介紹了系統(tǒng)的硬件和軟件的設(shè)計(jì)方案。 第3章電能表硬件設(shè)計(jì)部分，分析電能計(jì)量理論

16、，介紹計(jì)量芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和ATT7022外圍電路的硬件設(shè)計(jì)，而且著重分析和設(shè)計(jì)了電能表的主要硬件模塊:電源模塊、信號輸入模塊、CAN通信模塊和顯示模塊。 第4章電能表軟件設(shè)計(jì)部分，本系統(tǒng)是利用arm-uClinux進(jìn)行開發(fā)。先介紹了S3C44BOX主控芯片、存儲器芯片、u-boot移植和uClinux內(nèi)核移植，再進(jìn)行了嵌入式系統(tǒng)下的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)和電能表主程序設(shè)計(jì)。 最后結(jié)論部分，對本系統(tǒng)的工作做出總結(jié)。第2章系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案本課題設(shè)計(jì)和開發(fā)是智能電網(wǎng)終端產(chǎn)品之一一新型智能多用戶電能表。電能表具有同時(shí)通斷控制、電量存儲、計(jì)量多個(gè)用戶、電量顯示、遠(yuǎn)程抄表等功能，為電力部門進(jìn)行調(diào)配電力創(chuàng)造了條件。2.1系統(tǒng)

17、設(shè)計(jì)思路概述 本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)，主要分為硬件和軟件兩個(gè)方面，硬件方面主要的模塊有電源模塊、多路選擇模塊、信號采集模塊、時(shí)鐘模塊、通信模塊、斷電控制模塊和顯示模塊；電源模塊為電能表提供能量；多路選擇模塊在CPU控制下循環(huán)選擇其中一路信號進(jìn)入計(jì)量電路中；信號采集模塊將需要測量的電壓大電流信號轉(zhuǎn)換為小信號；時(shí)鐘模塊為系統(tǒng)提供時(shí)鐘；通信模塊負(fù)責(zé)電能表與用電管理部門、用戶之間通信；斷電控制模塊對欠費(fèi)用戶進(jìn)行斷電；顯示模塊顯示電量數(shù)據(jù)。軟件方面設(shè)計(jì)是在arm-uClinux平臺之上進(jìn)行的，其中包括對u-boot和uClinux內(nèi)核的移植、uClinux嵌入式系統(tǒng)下的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)、電能表的主程序設(shè)計(jì)。2

18、.2 系統(tǒng)的方案選擇論證 智能多用戶電能表將24戶的計(jì)量單元、供電電源、存儲單元、顯示單元以及電表通信單元放在同一結(jié)構(gòu)中，即一個(gè)CPU，外接多個(gè)計(jì)量芯片，采集每個(gè)用戶的數(shù)據(jù)，把數(shù)據(jù)以脈沖的形式發(fā)給單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)對用戶的用電分別計(jì)量，與單片機(jī)相連的顯示單元，顯示各用戶用電狀況，可通過通信模塊遠(yuǎn)程抄表，將數(shù)據(jù)上傳，達(dá)到電力部門用電的統(tǒng)一管理的目的。多用戶電能表能計(jì)量24戶用戶的用電，可實(shí)現(xiàn)對24戶的電能分別計(jì)量、集中管理，并可以顯示當(dāng)前用電和遠(yuǎn)程抄表，原理如圖2.1所示。1-24用戶計(jì)量單元I/O擴(kuò)展1-24戶繼電器控制I/O脈沖 主機(jī)P1C16C65B從機(jī)CPUI/O擴(kuò)展485接口LCD顯示器儲存

19、器紅外抄表器紅外接口實(shí)用時(shí)鐘電壓監(jiān)測ZiggBee模塊光控按鍵圖2.1智能多用戶電能表原理框圖 儀表的原理框圖中:計(jì)量單元，將采集的脈沖給單片機(jī)；數(shù)據(jù)處理單元；通信接口(ZigBee接口)，使數(shù)據(jù)上傳；電源電路，負(fù)責(zé)給系統(tǒng)供電；液晶顯示，顯示不同用戶用電量信息。 用戶計(jì)量單元采用RN8209電能計(jì)量專用芯片，該芯片具有設(shè)計(jì)的低成本、單相、兩線制、高精度等優(yōu)點(diǎn)。可以同時(shí)采集兩路電流一路電壓，進(jìn)入計(jì)量芯片輸入端，通過對RN8209內(nèi)部寄存器的設(shè)置，以脈沖的形式輸出，將脈沖給單片機(jī)，單片機(jī)計(jì)量相應(yīng)的脈沖數(shù)量，即為對應(yīng)的用電量。 液晶電路采用1602液晶顯示模塊，每行可以顯示16個(gè)字符，其中第一行顯示

20、用戶編號，第二行顯示各用戶當(dāng)前的用電量。在通信部分，將小區(qū)的每塊電能表的數(shù)據(jù)通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)揭黄?，然后再集體上傳，實(shí)現(xiàn)小區(qū)用電的遠(yuǎn)程集中管理。該表具有RS485通信接口與遠(yuǎn)程投切裝置相連接，接收主機(jī)命令，根據(jù)用戶繳納電費(fèi)情況實(shí)現(xiàn)相應(yīng)各用戶繼電器分合控制。該表同時(shí)設(shè)計(jì)紅外通信接口電路，在不具備組網(wǎng)條件的小區(qū)采用紅外掌上抄表器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)抄錄。2.3多用戶電能表硬件設(shè)計(jì)方案多用戶電能表硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框如圖2.2所示:電源模塊時(shí)鐘芯片斷電控制模塊顯示模塊S3C44B0X多路選擇電路計(jì)量芯片GPRS模塊信號采集器JTAG接口儲存模塊GAN通信模塊圖2.2電能表硬件設(shè)計(jì)框圖在該方案中

21、，智能電表是通過信號采集電路中的電壓互感器將電壓信號變成可以用于芯片測量的電壓小信號，電流互感器將電流信號變成可以用于芯片測量的電流小信號；使得到的小信號通過多路選擇電路進(jìn)入專用計(jì)量芯片。斷電控制模塊控制著用戶通斷電情況，如果用戶交費(fèi)，或欠費(fèi)后，該模塊是根據(jù)電量情況，對用戶通斷電。存儲模塊存儲這著電能表運(yùn)行程序，記錄著用戶用電數(shù)據(jù)，存儲用戶用電行為模式參數(shù)。時(shí)鐘芯片以便于電能表進(jìn)行用戶用電行為模式分析和電能管理部門在復(fù)費(fèi)率情況下，切換電價(jià)等。JTAG接口是本電能表的調(diào)試接口和程序下載接口。GPRS通信模塊會(huì)將電能數(shù)據(jù)發(fā)送到用戶手機(jī)。 通過專用的計(jì)量芯片將變換好的電流、電壓信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，接

22、著利用內(nèi)部數(shù)據(jù)信號處理，計(jì)算出采樣的電能有功功率和無功功率等，以及智能系統(tǒng)所需的各種各樣的電能參數(shù)，并對電能進(jìn)行累計(jì)，再將這些數(shù)據(jù)存放在芯片特定的寄存器內(nèi)，供S3C44B0芯片讀取。 電源模塊一定要為整個(gè)電表系統(tǒng)的運(yùn)行提供穩(wěn)定可靠的電源。在此次電源的設(shè)計(jì)中，采用的是改進(jìn)的三相變壓正極輸出并連和低壓差芯片技術(shù)，只要三相中其中的一路有電，電能表就能進(jìn)行工作，大大增強(qiáng)了電能表的工作穩(wěn)定。S3C44B0是通過CAN通信模塊電能表數(shù)據(jù)上傳至電力管理部門，實(shí)現(xiàn)他們能實(shí)時(shí)的得知電能數(shù)據(jù)，同時(shí)及時(shí)作出反應(yīng)，如:用戶峰時(shí)節(jié)電谷時(shí)用電，變電站配送電力等。在此次CAN通信電路中，采用磁珠等改進(jìn)技術(shù)來增強(qiáng)其通信穩(wěn)定性

23、。2.4多用戶電能表軟件功能設(shè)計(jì) 本次系統(tǒng)的軟件是在嵌入式系統(tǒng)環(huán)境下設(shè)計(jì)完成的，用電電量等數(shù)據(jù)接收、程序分信號采樣與處理程序，用戶通斷電控制程序，GPRS撥號程序程序，CAN通信程序，電能表顯示程序，數(shù)據(jù)存儲程序，電能表狀態(tài)檢測程序等幾部分組成。系統(tǒng)軟件所要實(shí)現(xiàn)的功能如下： (1)電流電壓信號采集、斷電控制的功能。 (2)實(shí)現(xiàn)CAN模塊通信數(shù)據(jù)的功能。 (3)實(shí)現(xiàn)GPRS模塊通信撥號上網(wǎng)和收發(fā)短信的功能。 (4)存儲電量數(shù)據(jù)和參數(shù)、時(shí)鐘設(shè)置讀取等功能。 (5)實(shí)時(shí)顯示各種參數(shù)電量。 (6)能夠檢測到電能表的異常信息、上傳報(bào)警的功能。 (7)進(jìn)行用戶用電行為分析，調(diào)整費(fèi)率等。 上述任務(wù)在處理的過

24、程中，應(yīng)能保證各個(gè)任務(wù)處理的實(shí)時(shí)性，并且各個(gè)任務(wù)在操作共享資源時(shí)應(yīng)能不造成沖突。第3章 智能電表硬件設(shè)計(jì)硬件部分是功能實(shí)現(xiàn)的載體，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的就是設(shè)計(jì)一種成本低廉、便于管理、安全可靠又便于維護(hù)的智能電網(wǎng)管理系統(tǒng)終端，本章開始從電能計(jì)量理論開始分析，然后再簡敘電能表的基本功能。研究設(shè)計(jì)適用于智能電網(wǎng)技術(shù)智能電表的主要硬件模塊。3.1電能計(jì)量理論 在自然界中，人類不可以直接利用的電能，人類只能把其他形式能量轉(zhuǎn)換成電能。比如，水力發(fā)電的勢能轉(zhuǎn)換、火力發(fā)電的熱能轉(zhuǎn)換等等。 從物理角度來看，電能是從電能源流向負(fù)載的能量流。負(fù)載消耗電能的快慢程度用功率表示。功率為電壓與電流的乘積。功率的越大表示負(fù)載消

25、耗越快，反之越慢。 功率有兩種表示方式:1、瞬時(shí)功率；2、平均功率。對于直流電來說，電壓和電流恒定不變，所以平均功率與其瞬時(shí)功率的值是相等的；而對于交流電來說，電壓和電流在時(shí)刻變化，所以瞬時(shí)功率也在時(shí)刻變化，因此平均功率與瞬時(shí)功率并不時(shí)刻相等。如果要計(jì)算在交流電下工作的用電設(shè)備，一段時(shí)間內(nèi)消耗的總的電能，必須在這段時(shí)間內(nèi)，對瞬時(shí)功率依次進(jìn)行積分累加，得到要求的總的能量消耗。 現(xiàn)在，假如設(shè)電壓的表現(xiàn)形式為電流為。 則可知:瞬時(shí)功率= ； (3.1) 由公式(3.1)可知，瞬時(shí)功率也是隨著時(shí)間變化的函數(shù)。如果想要求得平均功率，即在某個(gè)時(shí)間段內(nèi)的平均值。應(yīng)該等于該函數(shù)(3.1)對單位時(shí)間積分后，再除

26、以這個(gè)時(shí)間段，所以平均功率應(yīng)為: = (3.2)同樣可知，如果電壓和電流是正弦信號交流電，則公式(3.2)可以等價(jià)為: (3.3) 在上式(3.2)中，在物理量中，為交流電流有效值，為交流電壓有效值。因?yàn)殡娏W(wǎng)中的復(fù)雜性，使得交流電流和交流電壓的相位并不一致，所以電流有效值和電壓有效值之間必定存在相位差。 在式(3.3)中，本文把當(dāng)為功率因數(shù)，它的含義是:有功功率與視在功率的比值。在電力網(wǎng)中，電能實(shí)際消耗的平均功率為有功功率，的乘積為視在功率。 在現(xiàn)實(shí)電網(wǎng)中，交流電壓電流一般會(huì)受到各種各樣的因素影響。信號中常常包含了50Hz頻率以外的其他正弦信號。而這些信號是多次諧波頻率信號-基頻信號的整數(shù)倍

27、。頻率包含了100Hz，150Hz，00Hz等等。 此外，在電力網(wǎng)中，工作著各式各樣的電器，例如開關(guān)電源，它將會(huì)引入各種的噪聲進(jìn)入電力網(wǎng)絡(luò)，從而使電壓波形發(fā)生畸變。但是事實(shí)上，從文中可以發(fā)現(xiàn)瞬時(shí)功率公式= ，它本身就是含有直流分量和各次諧波高頻分量信號。由數(shù)學(xué)公式可知，任何不為0的頻率分量在長期積分結(jié)果為一定值。時(shí)間對于該頻率的積分來說沒有任何用處。因此對于電量的計(jì)量，在數(shù)學(xué)上來說，就是瞬時(shí)功率中的直流分量在時(shí)間上的積分和。瞬時(shí)功率的各次頻率分量對電能計(jì)量沒有任何用處。這種理論正是當(dāng)前許多電能計(jì)量芯片，進(jìn)行有功電能計(jì)量的基本原理。 3.2智能電能管理系統(tǒng) 本智能多用戶電能表所處在的電能管理系統(tǒng)

28、中的如下位置。電能管理系統(tǒng)方案如圖3.1所示。 方案中，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)接器、多用戶電能表、用電管理部門構(gòu)成了整個(gè)智能電能管理系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)完全具備智能電網(wǎng)的基本特性:1、通過先進(jìn)的傳感和測量技術(shù)；2、先進(jìn)的控制方法以及先進(jìn)的決策；3、高速雙向。 其中每個(gè)部分的功能有著不同，在整個(gè)系統(tǒng)中都承擔(dān)著一定的作用。電能表中因?yàn)镚PRS模塊，可以與用戶手機(jī)之間通過GPRS網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系起來；而電能表之間與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)接器通過CAN總線連接在一起；數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)接器與用電管理部門通過各種通信連接在一起，一起形成了功能較為強(qiáng)大的智能電能管理網(wǎng)絡(luò)。各個(gè)設(shè)備功能具體如下:智能多用戶電能表CAN總線用電管理部門智能多用戶電能表GPR通信GPR

29、S網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器智能多用戶電能表GPRS網(wǎng)絡(luò)圖3.1智能管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)框圖 (1)智能多用戶電能表是智能管理系統(tǒng)的終端部分，它的功能有:電量顯示和存儲、電能采樣計(jì)量、用戶通斷電控制、數(shù)據(jù)傳輸、費(fèi)率計(jì)算等功能。 S3C44B0芯片就是本次設(shè)計(jì)的電能表“大腦”，CPU控制著外圍全部硬件模塊，使它們工作協(xié)調(diào)進(jìn)行。S3C44B0芯片通過在運(yùn)行前己經(jīng)記錄于存儲模塊芯片其中的程序，來控制外圍所有的模塊。 (2)用戶通過電能表中的GPRS模塊來接收電價(jià)信息，電量信息，使用戶隨時(shí)可以了解用電情況。 (3)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)接器是連接用電管理部門、電能表終端或者智能電網(wǎng)中心服務(wù)器的連接點(diǎn)設(shè)備，是電能表與服務(wù)器之間的樞紐。 (

30、4)用電管理部門綜合各用戶的電網(wǎng)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)和用電數(shù)據(jù)分析、處理，調(diào)控用戶用電和調(diào)整用電政策，用來實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的可靠、安全、高效、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境友好和使用安全的目標(biāo)。3.3主要模塊電路設(shè)計(jì) 此次系統(tǒng)是由多個(gè)硬件模塊組成，且功能強(qiáng)大。下面介紹主要是4個(gè)模塊的電路設(shè)計(jì):電源模塊、信號輸入電路、CAN通電路、LCD顯示電路。3.3.1電源設(shè)計(jì) 電源是所有電子智能系統(tǒng)中必不可缺少的模塊單元，它是所有電子設(shè)備中供給能量的動(dòng)力部分。此次設(shè)計(jì)的電能表產(chǎn)品非常特殊，需要很長時(shí)間不間斷工作。并且智能電表在計(jì)量上的準(zhǔn)確性要求較高、運(yùn)行時(shí)要求非?？煽亢途哂锌垢蓴_強(qiáng)的能力。所有嚴(yán)格的要求，必須要以電源部分工作安全穩(wěn)定為前

31、提。因此，智能電能表的電源設(shè)計(jì)是十分重要的模塊之一。 本次系統(tǒng)采用由交流電經(jīng)變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓而形成的直流電源。它的要求實(shí)現(xiàn)為通信模塊、CPU和主處理器中的各處理芯片提供電能。該電能表為三相電能表，A，B，C三相依次經(jīng)過三個(gè)變壓器降壓輸出后，經(jīng)過橋式整流變?yōu)橹绷麟妬韺?shí)現(xiàn)并聯(lián)輸出。電路圖如附錄A。在現(xiàn)實(shí)生活中，也許會(huì)出現(xiàn)只有一相或者兩相電源在供電的情況。如果出現(xiàn)這種情況，下面的設(shè)計(jì)保障可以提供電表穩(wěn)定電源。當(dāng)交流電A，B，C三相任何其中一相有電時(shí)，都能供給電表電能。 該電能表需要15V，9V，5V，3.3V和2.5V等多種不同的電壓源。如:S3C44B0就需要3.3V(I/O供電電源)和2.

32、5V(內(nèi)核供電電源)，而繼電器芯片需要15V的電源等。此次系統(tǒng)采用的LM2576-15/5芯片和LM 1117-5.0/3 .3芯片。附錄A電路中，交流電整流輸出后的直流電波形是半正弦信號，不可以直接用在各級芯片，因此需要電源芯片LM2576整流變成穩(wěn)定電壓的直流電源信號。DC/DC直流降壓開關(guān)電源是LM2576，能穩(wěn)定的輸出數(shù)字電壓源。它有3.3V,5V，12V，15V和ADJ等可調(diào)輸出，可調(diào)輸出電壓的范圍1.23V-37V；輸出電流為(最大)3A。寬電源的輸入為3V-45V，輸入電壓最高可以達(dá)45V，開關(guān)頻率為52KHz，封裝TO-220/263，過熱保護(hù)和限流保護(hù)等功能。LM2576芯片

33、的外圍電路如L1, C7可以起到穩(wěn)定電壓的目的、C8電容是高頻濾波的作用。DS二極管起到的是電壓保護(hù)的作用。DW2芯片的外圍電路與DW1外圍電路一樣。 LM1117是低壓差電壓調(diào)節(jié)器系列。它的壓差在1.2V輸出，當(dāng)負(fù)載電流為800mA時(shí)是1.2V。其和國家半導(dǎo)體的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)器件LM317有一樣的管腳排列。LM1117具有可調(diào)電壓的版本，通過2個(gè)外部電阻可以實(shí)現(xiàn)1.25-13.8V輸出電壓范圍。還有5個(gè)固定電壓輸出(1.8V，2.5V，2.85V，3.3V和5V)的型號。 LM1117系列具有LLP，TO-263，SOT-223，TO-220和TO-252 D-PAK封裝。輸出端要用一個(gè)至少l0u

34、F的鉭電容用來改善瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性。LM1117系列的輸出電流超過1A，最大輸入電壓為20V。用3.3V為例，電路的設(shè)計(jì)如附錄A電路圖所示。 在以后的硬件功能模塊中，還會(huì)用到特別的電源，例如數(shù)據(jù)通信中的需要電源電路隔離，一般會(huì)采用DC-DC隔離電源。電路的設(shè)計(jì)如附錄A電路圖所示。3.3.2信號輸入電路設(shè)計(jì) 信號輸入電路可以分為兩個(gè)部分:信號采集模塊和多路選擇模塊。 信號采集模塊是全部表計(jì)計(jì)量器件系統(tǒng)中不可缺少的。計(jì)量表計(jì)是通過信號采集模塊，來采集所測量的信號，經(jīng)過一系列的內(nèi)部處理，得到此次系統(tǒng)所需要的信息。該電能表的信號采集可以分為兩個(gè)部分:1、濾波部分；2、變壓部分。圖3.2信號采集器 變壓

35、部分目的就是把三相交流電中的高電流和高電壓信號轉(zhuǎn)換成適合A/D轉(zhuǎn)換芯片輸入范圍的小信號。轉(zhuǎn)換方式分為有兩種，一種:先通過電路電的傳遞函數(shù)方式把輸入的220V/380V民用交流電來進(jìn)行分壓，再把分壓信號傳給電能計(jì)量芯片的A/D輸入接口；另一種:通過電流或者電壓互感器直接進(jìn)行降壓后，得到所需要的交流信號，可以直接輸出給電能計(jì)量芯片的A/D輸入接口。兩種方式各有其優(yōu)缺點(diǎn)。 第一種方式的優(yōu)點(diǎn)是成本較低，但因?yàn)橐苯咏拥?20V/380V民用交流電電路，所以就會(huì)無法對交流電中的干擾信號進(jìn)行有效隔離，以及電路中所選元件必須是大功率器件。還要利用電路中的傳遞函數(shù)來進(jìn)行分壓，要求選擇元件的精度必須要很高；另一

36、種方式，就是利用互感器對交流電進(jìn)行隔離變壓，但信號輸出穩(wěn)定；電路的設(shè)計(jì)也要比第一種方式簡單，但成本一般會(huì)高于第一種方式。本文以實(shí)際情況考慮，此次設(shè)計(jì)選用的就是第二種方式。 濾波電路的作用是用來濾去整流輸出電壓中的紋波的電路，其一般實(shí)由感抗和電阻元件來混合組成。比如在負(fù)載電阻兩端一般并聯(lián)一個(gè)或者幾個(gè)電容器C，或著是在與負(fù)載串聯(lián)的電路中增加電感器L。各式電容和電感來混合組合，可以形成各種各樣復(fù)合式的濾波電路。 由Nyquist采樣定理得知，對于信號采樣時(shí)為避免高于折疊頻率的雜散頻譜進(jìn)入采樣器造成頻譜混淆，一般會(huì)在采樣器前面加一個(gè)保護(hù)性的前置低通濾波電容，用來阻止高頻率分量的進(jìn)入。本文采用的是RC低

37、通濾波電路。根據(jù)設(shè)計(jì)的方案，本文選用的是通過電流互感器和電壓互感器間接進(jìn)行變壓。圖3.2是互感器的原理圖，電流得到所需要的交流信號后，經(jīng)過濾波電路的采集，可以直接輸出給計(jì)量芯片的A/D接口進(jìn)行采樣。 在本次系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，A相分離是8個(gè)電流互感器，B相分離是8個(gè)電流互感器，C相分離是8個(gè)電流互感器，分別用來對應(yīng)A相8個(gè)住戶，B相8個(gè)住戶，C相10個(gè)住戶。共有24個(gè)住戶。 多路選擇電路稱做數(shù)據(jù)選擇器，也叫多路選擇器或多路開關(guān)。 在本次設(shè)計(jì)的電能表當(dāng)中，共有多達(dá)3個(gè)電壓互感器和24個(gè)電流互感器，就意味著有27路數(shù)據(jù)需要處理，如果一起給每路信號單獨(dú)的通道，就會(huì)需要設(shè)計(jì)高達(dá)27路信號通路，硬件成本就會(huì)非

38、常高，不切實(shí)際。因此本系統(tǒng)一定采用其他的方法。 根據(jù)時(shí)分復(fù)用的原理就可以得到解決方祛。時(shí)分復(fù)用的原理，就是把一個(gè)傳輸通道進(jìn)行等時(shí)間分割，用來傳送若干電路的信息，比如:把N個(gè)電路設(shè)備接到一條公共的通道上，如果它們同時(shí)通信的話，每個(gè)電路的信息將被其他電路干擾，而無法通信。如果按照一定的次序，依次的給每個(gè)設(shè)備分配一段使用通道的時(shí)間片。當(dāng)輪到這個(gè)設(shè)備時(shí)，該設(shè)備才與通道接通，執(zhí)行通信。與此同時(shí)，其它的設(shè)備與這個(gè)公共通道的聯(lián)系均被切斷。等到一定的使用時(shí)間間隔一到，則通過時(shí)分多路轉(zhuǎn)換開關(guān)把通道聯(lián)接到下一個(gè)要連接的設(shè)備上，讓下一個(gè)設(shè)備可以進(jìn)行通信。時(shí)分制通信也叫時(shí)間分割通信，它是在數(shù)字電話多路通信上得到廣泛應(yīng)

39、用，因而PCM通信常叫做時(shí)分多路通信。 本次系統(tǒng)中，一樣可以利用到這個(gè)原理。來設(shè)計(jì)出專門的多路選擇電路，可以根據(jù)需要將其中任意一路選出來，設(shè)計(jì)框圖如下圖3.3。數(shù)據(jù)及譯碼總線數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)鎖存器總線控制緩沖器數(shù)據(jù)鎖存器數(shù)據(jù)鎖存器總線控制緩沖器總線控制緩沖器斷電控制信號斷電控制信號電能脈沖信號電能脈沖信號斷電控制信號電能脈沖信號 第一組（8戶） 第二組（8戶） 第三組（8戶）圖3.3多路采集通斷控制框圖 數(shù)據(jù)譯碼總線，選擇其中的一個(gè)通路，同時(shí)，其他通路都在斷開狀態(tài)，這一通路能夠讓電能信號脈沖進(jìn)入總線控制緩沖器，經(jīng)由數(shù)據(jù)總線將數(shù)據(jù)傳送至處理芯片。等到下一時(shí)刻時(shí)，選擇下一路的信號通路。這樣一直循環(huán)進(jìn)行

40、。就將每一個(gè)通道的信號采集到計(jì)量電路中。3.3.3電量計(jì)量電路設(shè)計(jì) 電能計(jì)量的芯片是整個(gè)計(jì)量智能電能表的核心部件，它的工作就是模擬/數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換、完成對電壓和電流小信號的采集、電量計(jì)算所需的各種參數(shù)以及完成數(shù)字信號處理。計(jì)量芯片的性能將會(huì)直接決定了數(shù)字電能表的其他相關(guān)項(xiàng)性能指標(biāo)。因此，對電能表的設(shè)計(jì)，在對計(jì)量芯片的選擇要求上顯得非常的苛刻。 在本次智能電表系統(tǒng)中，對電能計(jì)量芯片的功能除了要求要具有電流和電壓的采集以及完成、A/D轉(zhuǎn)換以及完成和計(jì)算，還有各種所需的參數(shù)外，還要求需要測得的參數(shù)的精確度的標(biāo)準(zhǔn)必須比較高?，F(xiàn)在工業(yè)常用的三相交流電具有三相四線、三相三線這兩種類型，就需要電能計(jì)量芯片能

41、兼容上面得這兩種模式。 本文采用的是這些專用電能計(jì)量芯片來開發(fā)電子式智能電能表，不但能夠測量功率、電能，而且還能夠測量電流、電壓、頻率、功率因數(shù)等多種電能參數(shù)，還為電力部門電能管理的現(xiàn)代化提供了條件。此文綜合比較各各種電能計(jì)量芯片特性和功能，認(rèn)為ATT7022還是比較適合本系統(tǒng)對于電能計(jì)量芯片的要求。 1、芯片ATT7022介紹 ATT7022芯片，是一種高精度的三相電能專用計(jì)量芯片，它對三相三線和三相四線交流電的測量全適用；在芯片的內(nèi)部集成了六路二階sigma-delta ADC、參考電壓電路，還有所有功率、有效值、功率因數(shù)、能量以及用于頻率測量的數(shù)字信號處理等電路；還能夠測量，各相以及三合

42、相的有功功率、無功功率、視在功率、無功能量以及有功能量，同時(shí)還能測量電壓有效值、頻率、功率因數(shù)、各相電流、相角等參數(shù)，充分滿足了三相多功能電能表的需求。 ATT7022支持增益校正、全數(shù)字域的相位以及純軟件校表；無功、有功電能脈沖輸出；CF1，CF2引腳提供瞬時(shí)無功、有功功率信息，就可以直接接到標(biāo)準(zhǔn)表，進(jìn)行誤差的校正。 ATT7022還會(huì)提供一個(gè)SPI接口，通過SPI接口，MCU可以方便與外部之間進(jìn)行計(jì)量參數(shù)和校表參數(shù)的傳遞。全部電能計(jì)量參數(shù)都可以通過SPI接口讀出。 ATT7022芯片內(nèi)部具有的電壓監(jiān)測電路，用來保證加電和斷電時(shí)正常工作。同時(shí)，ATT7022芯片片內(nèi)還包含有一個(gè)電源監(jiān)控電路，

43、這個(gè)電路可一連續(xù)對模擬電源(AVcc )進(jìn)行監(jiān)控。但當(dāng)該電源的電壓低于4V士5%時(shí)，芯片就會(huì)被復(fù)位。這中監(jiān)控電路有利于電路通電和掉電時(shí)，芯片的正確啟動(dòng)以及正常工作。電源監(jiān)控電路就被安排在延時(shí)和濾波的環(huán)節(jié)當(dāng)中，這樣就在最大程度上，防止由電源噪聲引發(fā)的錯(cuò)誤。為了保證芯片正常工作應(yīng)對電源采用了去禍電容方式，使得AVcc的波動(dòng)不得超過5V士5%。OSC0OSC1SIGRESETSEL ATT7022框圖 時(shí)鐘控制電路 德脈沖生成器數(shù)字信號處理 DSP有功功率CF1模擬信號采集V1PCF2V1N無功功率V3P電流ADCRevpV3N視在功率V5P電壓有效值 SPI通信 接口DOUTV5NDIN電流有效值

44、SCLK電壓ADCV2PCSV2N功率因數(shù)V4PVCC電源管理V4N頻率測量AVCCV6PADDV6NN參考電壓 GNDAGNDREFOUTREFCAP圖3.4 ATT7022的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖 ATT7022芯片的片內(nèi)集成6路16位的ADC，采用了雙端差分信號輸入方式。它的最大輸入電壓是1.5V，就可知輸入最大的正弦信號有效值為1V。本文會(huì)將電壓通道Un對應(yīng)到ADC的輸入選在0.5V上下，而當(dāng)電流通道為1b時(shí)，ADC輸入就選在0.1V左右。ATT7022芯片每相能量測量與計(jì)算的圖如圖3.5所示。前端的16位就是sigma-delta型模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換(ADC)采用了過采樣技術(shù)，采用這種的方式，就可

45、以充分保證采樣的速率，芯片得有功功率計(jì)量就可以包含高達(dá)21次諧波信息；在芯片中，數(shù)字高通濾波器主要是用來除去電流和電壓采樣數(shù)據(jù)的直流分量。芯片無功功率計(jì)量的算法，與有功功率計(jì)量的算法類似，不同的是輸入的電壓信號在采用移相90度之后得。測量的帶簾主要就是受到數(shù)字移相濾波器的帶寬限制，因此無功功率的測量也可高達(dá)21次諧波。 ATT7022通過對電壓、電流采樣值進(jìn)行了平方、開方以及數(shù)字濾波等一系列運(yùn)算才得到。有效值測量誤差小于1%。圖3.5 ATT7022數(shù)字信號處理框圖 2、基于ATT7022的電路設(shè)計(jì) 一般來說，因ATT7022功能強(qiáng)大，所以硬件電路設(shè)計(jì)比較簡單，與處理器的接口電路只需五根線就可

46、以，其中包括了；SCLK，DIN，DOUT，RESET，CS這5個(gè)引腳。RESET是芯片ATT7022的復(fù)位引腳，如果在本引腳上，持續(xù)加上時(shí)間大于20us的低電平時(shí)，芯片ATT7022就會(huì)進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)，如果RESET引腳出現(xiàn)高電平，芯片ATT7022又會(huì)從復(fù)位狀態(tài)變成正常的工作狀態(tài)，主控制器能夠通過的I/0口RESET引腳來進(jìn)行控制。其它的四引腳則是用于SPI通信；SCLK是SPI通信的同步時(shí)鐘，引腳CS是SPI片選信號，DOUT和DIN分別是數(shù)據(jù)輸出線和數(shù)據(jù)輸入線。附錄B是ATT7022與采樣信號的電路原理圖，附圖中的引腳編號對應(yīng)芯片的真實(shí)引腳。3.4.4 CAN通信電路設(shè)計(jì) CAN全叫做“

47、Controller Area Network"，就是控制器局域網(wǎng)，是現(xiàn)在國際上應(yīng)用最為廣泛的現(xiàn)場幾個(gè)現(xiàn)場總線之一。在80年代末時(shí)，CAN最初出現(xiàn)在汽車工業(yè)的時(shí)候，德國Bosch公司提出的。當(dāng)時(shí)，消費(fèi)者對于汽車功能的要求越來越多，但是這些功能的實(shí)現(xiàn)大多是用電子操作的，使得電子裝置之間的通訊就越來越復(fù)雜，這樣就意味著需要重名的連接信號線。提出CAN總線的最目的就是為了解決現(xiàn)代汽車中龐大的電子控制裝置之間的通訊，為了減少不斷增加的信號線。因此，他們設(shè)計(jì)一個(gè)單一的網(wǎng)絡(luò)總線，全部的外圍器件就可以被掛接在該總線上。例如：在在變速箱控制器、發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)、在儀表裝備和電子主干系統(tǒng)當(dāng)中，全部嵌入C

48、AN控制裝置。到1993年，CAN已經(jīng)成為國際標(biāo)準(zhǔn)IS(高速應(yīng)用)和IS(低速應(yīng)用)。 在由CAN構(gòu)成的單一總線網(wǎng)絡(luò)中，理論上是可以掛接無數(shù)個(gè)節(jié)點(diǎn)，一個(gè)接點(diǎn)就相當(dāng)接一個(gè)控制器。但是在實(shí)際應(yīng)用中，節(jié)點(diǎn)數(shù)目是會(huì)受到CAN網(wǎng)絡(luò)的硬件電氣特性受到限制。比如，當(dāng)使用Philips PC82C250用作CAN的驅(qū)動(dòng)收發(fā)器的時(shí)候，在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，就只能夠允許掛接110個(gè)以下個(gè)節(jié)點(diǎn)。CAN總線就可提供最高達(dá)1 Mbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率，這樣高的速度使實(shí)時(shí)控制變得非常容易。此外，對CAN總線的硬件錯(cuò)誤檢定特性也大大的增強(qiáng)，同時(shí)對CAN的抗電磁干擾能力也大大的的增強(qiáng)。 CAN總線是一種以多主方式的串行通訊的總線

49、方式，基本設(shè)計(jì)規(guī)范要求有高抗電磁干擾性，高位速率，并且能夠檢測出總線數(shù)據(jù)產(chǎn)生的所有錯(cuò)誤。當(dāng)信號傳輸距遠(yuǎn)達(dá)到10Km的時(shí)候，CAN總線就可以提供高達(dá)50Kbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率。因?yàn)镃AN總線具有很高的實(shí)時(shí)性能，所以CAN總線已經(jīng)在汽車工業(yè)、航空工業(yè)、工業(yè)控制、安全防護(hù)等領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。成為最具廣泛的總線之一。 CAN總線的通訊協(xié)議描述的是設(shè)備之間的信息傳遞方式。CAN總線層的定義和七層模式-開放系統(tǒng)就互連模型(OSI)一致。模型的每一層與另一設(shè)備上相同的那一層之間進(jìn)行通訊。但實(shí)際上的通訊則是發(fā)生在每一個(gè)設(shè)備上相鄰的兩層，而兩個(gè)設(shè)備只有通過模型的物理層的物理介質(zhì)互連。CAN總線的規(guī)范定義模

50、型的最下面兩層:數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。在下表3-1當(dāng)中，展示OSI開放式互連模型的各個(gè)層。應(yīng)用層協(xié)議可以是由CAN總線用戶定義成適合特別工業(yè)領(lǐng)域的任何的方案。DeviceNet標(biāo)準(zhǔn)已在制造業(yè)領(lǐng)域和工業(yè)控制得到廣泛的應(yīng)用，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是為了PLC和智能傳感器設(shè)計(jì)的。在傳統(tǒng)的汽車工業(yè)中，許多汽車制造商都應(yīng)用的是他們自己的標(biāo)準(zhǔn)。 CAN總線能夠使用許多種物理介質(zhì)相連，比如雙絞線、光纖等等。在現(xiàn)實(shí)當(dāng)中最常用的就是雙絞線。CAN信號用的是差分電壓傳送，兩條總線信號線被叫做“CAN_L”，和“CAN _H”，靜態(tài)時(shí)均是在2.5V左右，此狀態(tài)表示為邏輯“1"，也可以稱為“隱性”。如果CAN _H 比CA

51、N _L高，就表示為邏輯“0"，叫做“顯形”，在這時(shí)，通常兩線的電壓值為：CAN _H = 3.5V和CAN _L= I.5V。 CAN有著非常優(yōu)越的特點(diǎn)，使人們大多數(shù)選擇它作為總線使用。這些特性包括： I、成本少。 2、比較高的總線利用率。 3、遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)傳輸較能力(長達(dá)10Km) 。 4、速率能夠高達(dá)1Mbit/s高速數(shù)據(jù)傳輸能力。 5、能夠根據(jù)報(bào)文的ID決定接收或屏蔽該報(bào)文數(shù)據(jù)。 6、有可靠的錯(cuò)誤處理和檢錯(cuò)機(jī)制。 7、再次發(fā)送的信息遭到破壞后，能夠自動(dòng)重發(fā)。 8、設(shè)備節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重的情況時(shí)，能夠自動(dòng)退出總線的功能。 9、報(bào)文中不包括目標(biāo)地址或源地址，僅僅用標(biāo)志符來指示功能信息

52、、優(yōu)先級等信息。表3-1 OSI開放系統(tǒng)互連模型表1物理層 規(guī)定通訊介質(zhì)物理特性。比如:信號交換和電氣特性的解釋。2數(shù)據(jù)鏈路層規(guī)定了介質(zhì)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位的組織和排列。如：數(shù)據(jù)校驗(yàn)和幀結(jié)構(gòu)。3網(wǎng)絡(luò)層規(guī)定了網(wǎng)絡(luò)連接的建立、維持和拆除的協(xié)議。如：路由和尋址。4傳輸層 兩通訊節(jié)點(diǎn)之間數(shù)據(jù)傳輸控制。操作：:數(shù)據(jù)重發(fā)，數(shù)據(jù)錯(cuò)誤修復(fù)。5會(huì)話層 依靠低層的通信功能來進(jìn)行數(shù)據(jù)的有效傳遞。6表示層 將兩個(gè)應(yīng)用不同數(shù)據(jù)格式的系統(tǒng)信息轉(zhuǎn)化為能共同理解的格式。7應(yīng)用層最高層。用戶、軟件、網(wǎng)絡(luò)終端等之間用來進(jìn)行信息交換。 標(biāo)準(zhǔn)CAN總線的標(biāo)志符長度為11位，而擴(kuò)展格式CAN總線的標(biāo)志符長度卻可達(dá)29位。CAN總線協(xié)議的2.

53、0A版本規(guī)定CAN總線控制器一定要有一個(gè)11位的標(biāo)志符。在2.0B版本中規(guī)定，CAN總線控制器的標(biāo)志符長度能夠是11位或29位。遵循CAN2.OB協(xié)議的CAN總線控制器能夠發(fā)送和接收11位標(biāo)識符的標(biāo)準(zhǔn)格式報(bào)文或29位標(biāo)識符的擴(kuò)展格式報(bào)文。假如禁止CAN2.OB方式，則CAN總線控制器就只能發(fā)送和接收11位標(biāo)識符的標(biāo)準(zhǔn)格式報(bào)文，而忽略掉擴(kuò)展格式的報(bào)文結(jié)構(gòu)，但是不會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤。 在此次系統(tǒng)當(dāng)中，與S3C44B0接口電路如附錄C圖通信電路原理圖。因?yàn)殡娔鼙砟芡ㄟ^CAN與表外通信，經(jīng)常具有干擾通過CAN總線進(jìn)入表體中，為維護(hù)表體的穩(wěn)定性，一定要在硬件上作些抗干擾的設(shè)計(jì)，常常在電源方面采用DC-DC隔離。

54、但在總線上采用光藕隔離的方式。外部的干擾信號不能夠通過光藕進(jìn)入到表體中，而起到抗干擾的作用。 CAN通信模塊由MCP2510，PCA82C250芯片組成。MCP2510是個(gè)獨(dú)立的控制器，有BasicCAN和PeIiCAN兩種不同的模式，MCP2510的內(nèi)部功能模塊有：工業(yè)控制、接口管理邏輯、發(fā)送緩沖器和工業(yè)控制接收濾波器CAN核心模塊。PCA82C250芯片對于CAN總線提供差動(dòng)發(fā)送和接收能力。CAN核心模塊是CAN2.OB的協(xié)議執(zhí)行對CAN幀的發(fā)送和接收。 在本次模塊設(shè)計(jì)當(dāng)中，外部接入部分采用了磁珠，進(jìn)一步起到濾波的作用。電路中的TVS管是防止浪涌，當(dāng)線路中有較大電流時(shí)，電流就會(huì)通過PLM712接地，而起到保護(hù)的作用。 S3為短接端子，對電能管理系統(tǒng)來說，如果該表在總線的最末端，就短接S3，R35電阻120歐起到總線的匹配電阻的目的，假如該表不在CAN總線的末端，則斷開此端子。3.3.5液晶顯示電路設(shè)計(jì) 本文采用的LCD模塊是LM16032系列點(diǎn)陣圖形式液晶顯示模塊