电子式多功能电能表的设计与实现
本文阐述了电子式多功能电能表的设计方法、硬件设计的技术关键和软件设计流程。并以NEC的uPD78F0338单片机为例,实现了一款具有四种费率、六条负荷曲线和两套费率结构的三相四线电子式多功能电能表
电子式多功能电能表主要针对国内市场三相用电的工业用户。随着电力行业改革深入,工业三相用电对多功能电能表的需求大量增加。目前国内多功能表种类少、价格较高、功能不完善,往往仅是针对某些地区的特定要求开发,缺乏通用性,某些产品未能完全达到国标的要求。本文介绍的电子式多功能电能表正是为了适应这种市场需求而设计的。
这是一款智能型高科技电能计量产品,该表可以同时计量正/反向有功电能、正/反向无功电能、四象限无功电能,还具有多费率控制,负荷曲线记录,各相失压、过压、频率超限记录,数据LCD显示等多种功能。主站可以通过RS-485总线或手持红外抄表器对该电表进行查表、设表、抄表等操作。
软件代码全部采用C/C++语言编写,编码效率高,可维护性好,便于实现模块化设计,可根据用户的需求方便地对功能模块进行裁剪。而且代码经过优化,其生成的目标代码大小和执行效率已与汇编代码相差无几。该产品的技术指标全面符合GB/T 17215-1998《1级和2级静止式交流有功电度表》、DL/T614-1997《多功能电能表》和DL/T645—1997《多功能电能表通信规约》的要求。
多功能电能表的总体结构和硬件设计
多功能表总体结构
电子式多功能电能表硬件的核心MCU主控制器,它负责按键输入扫描、工作状态检测,计量数据的读入、计算和存储、电表参数的现场配置以及与外界的通信控制等。其主要功能单元包括MCU主控制器单元、电量计量模块、红外和RS—485通信模块、校表模块、EEPROM存储阵列等;其他辅助模块主要有:时钟日历电路、工作异常报警电路、按键输入电路、复位和看门狗电路、开关电源模块和后备电池电路、大屏幕液晶显示模块和LED显示模块。多功能表总体结构框图如图1所示。
高性能主控制器单元
主控制器采用NEC公司8位单片机中的高档产品uPD78P0338。该款单片机为120脚QFP封装,单片集成有60KBFlash、一个异步通信串行口、40x4段LCD驱动器、高达10MHz的总线时钟和10路10位精度的ADC,并可通过简单的接口进行在系统编程,极大地方便在线调试和软件升级。并且支持高级语言,较好地满足了多功能表任务繁多、数据量庞大、算法较复杂的功能要求。
串口复用通信单元
通信电路模块主要包括TSOPl838红外接收头、红外发射二极管、载波电路、MAX487专用485收发电路、驱动/开关二极管和其他元件。
本电能表为便于用户抄表,设计有红外本地抄表和RS-485集中抄表两种串行抄表方式,因为uPD78F0338仅有一个串口,故通信电路设计时采用串口复用技术。由9012、9014和若干电阻等器件组成互补开关,由MCU的一个I/O口来控制红外和RS-485通信方式的切换,如图2所示。
高精度电量计量模块
计量模块由高精度专用电能计量芯片SA9904,电流互感器和其他外围电路元件组成。SA9904是Sames公司生产的一款三相双向功率/电能计量芯片,可以计量有功/无功功率、电压、频率、相序异常等,可以单独计量每一相的用电信息,符合IEC521/1036标准,可达到1级交流电能表的精度要求,各数据寄存器具有24位精度,可通过三线SPI接口与CPU交换数据。从而可以较好地适应多功能表需要计量多种电量数据的要求。SA9904引脚及其外围电路图如图3所示。
其中,CLK、DO、DI构成与MCU控制器的接口,用于传输控制命令和测得的电量数据,IIps、IIPt、IIPr用来对电流取样,IVPl、IVP2、IVP3用来对电压取样。
时钟日历模块
时钟电路采用EPSON生产的RTC-4553实时时钟芯片。内部集成了32.768kHz的石英晶体振荡器,简化外围电路,并可以根据需要进行自由设置以得到较高的频率;同时集成有时钟和日历计数器,可选择24或12小时显示模式,时钟可通过软件方式进行间隔30秒的调整,并提供0.1Hz或1024Hz的定时脉冲输出,以便于在电能表的外部对时钟精度进行定期检查。RTC-4553引脚及其外围电路图如图4所示。
其中,SCK、Sin、Sout与主处理器接口,用于发送控制指令或者传输日期时间数据,本系统日历时钟模块采用电池作后备电源,以确保在停电状态下,日期时间的准确无误。
多功能电能表的软件设计
数据结构设计
多功能电能表涉及的数据类型种类繁多。按字节分包括单字节、双字节、三字节、四字节和六字节等,按表征的意义分有时间、时刻、电压、电流、有功功率、无功功率、有功电能、无功电能、次数、功率因数、门限、状态字、系数、表号等。复杂的数据类型对数据结构的设计提出了较高的要求,本实现方案通过采用多种数据寻址方式和多种类型存储器较好地解决了这一问题。
数据结构设计要点
系统的数据存放方式有:内部ROM、RAM和外挂EEPROM。
内部ROM用来存放大量的常数表格,RAM用于存放临时变量和堆栈,本方案需要2.5KB左右的RAM,串行EEPROM则存储各种用户电量数据和设表参数,通过12C总线与CPU交换数据,电能表按设计需求的最大要求大约需要250KB的EEPROM,本方案采用8片256位EEPROM通过级联来实现。
数据寻址方式
EEPROM数据访问采用两种方式;直接地址访问,通过数据的EEPROM地址直接读写数据;数据ID寻址,通过数据的编码读写数据。
通信口复用功能设计
红外通信和RS-485共用一个串行口(RxD/TxD)通信,由于串行口通信开始都有一低电平位(0),因此将红外接收端(与485接收端用一三极管隔开)引到一中断引脚INTP1,通过其引发的中断可判断串行口数据是否来自红外。发送时按时应方式发送,使其不互相干扰。由于红外通信和遥控接收用同一接收管,因此在判断红外来源的中断中启动定时器INTTM4检测红外接收端,如果检测到脉冲宽度为9ms或0.56ms,则判断为红外遥控,并根据定时检测遥控编码;否则判断为红外产生的串行口接收中断,并将定时检测关闭。
红外38.4kHz调制信号由CPU内部分频输出(P05/PCL)。f=fx/27=4.9152/128=38.4kHz。
因红外发送字节之间可选有15～20ms的延时,而485通信则不需要延时。数据发送在发送中断中进行,红外通信在发送操作后立即关闭发送中断允许,待延时时间到后再允许发送中断。
多功能表程序流程图
多功能表主程序流程主要包括初始化、数据校验、负荷曲线修补和事务处理等,其流程图如图5所示。
日常事务处理流程集中体现了多功能表的大部分主要功能,包括费率处理、计量数据采集及处理、自动抄表、电能脉冲输出、校表模块和掉电检测及处理模块等,其流程图如图6所示。
电子设计大赛报告论文
随着人们自身素质提升，报告的使用成为日常生活的常态，多数报告都是在事情做完或发生后撰写的。我们应当如何写报告呢？下面是我为大家收集的电子设计大赛报告论文，欢迎大家分享。
摘要： 突出重点。电路主要由哪几部分构成，针对某一技术难题，本组的解决方案。最后总结本设计的总体特点（稳定性、可控性、带宽....），完成/基本完成了全部基本功能及扩展功能。本作品基于压控对数放大器设计，由前级放大模块、增益控制模块、......
关键词： 比较器正弦波—方波转换电路……
一、总体方案设计
列些出设计功能，具体指标。
设计并制作一个宽带直流放大器及所用的直流稳压电源
（1）电压增益AV≥40dB，输入电压有效值Vi≤20mV。AV可在0～40dB范围内手动连续调节。
（2）最大输出电压正弦波有效值Vo≥2V，输出信号波形无明显失真。
（3）3dB通频带0～5MHz；在0～4MHz通频带内增益起伏≤1dB。
（4）放大器的输入电阻≥50，负载电阻（50±2）。
（5）设计并制作满足放大器要求所用的直流稳压电源。
根据要求，总体电路可由三个模块构成：1.模块一名称；2.模块二名称；3.模块三名称。具体说明每一模块的功能。
二、方案比较/论证（针对框图中的每一模块的内容进行方案比较）
2.1模块一名称
方案一：……
方案二：……
方案三：……
总体讨论上述方案的利弊，做出本设计的选择。
2.2模块二名称
方案一：……
方案二：……
方案三：……
总体讨论上述方案的利弊，做出本设计的选择。
2.3模块三名称
方案一：……
方案二：……
方案三：……
总体讨论上述方案的利弊，做出本设计的选择。
2.1可控增益放大器
方案一： 采用场效应管或三极管控制增益。主要利用场效应管的可变电阻区（或三极管等效为压控电阻）实现增益控制，本方案由于采用大量分立元件，电路复杂，稳定性差。
方案二： 为了易于实现最大60dB增益的调节，可以采用高速乘法器型D/A实现，比如AD7420。利用D/A转换器的`VRef作信号的输入端，D/A的输出端做输出。用D/A转换器的数字量输入端控制传输衰减实现增益控制。此方案简单易行，精确度高，但经实验知：转化非线性误差大，带宽只有几kHz，而且当信号频率较高时，系统容易发生自激，因此未选此方案。
方案三： 根据题目对放大电路增益可控的要求，考虑直接选取可调增益的运放实现（如运放VCA810）。其特点是以dB为单位进行调节，可调增益±40dB，可以用单片机方便地预置增益。
方案三电路集成度高、条理较清晰、控制方便、易于数字化用单片机处理。所以本系统采用方案三。
三、理论分析及参数计算
根据设计要求，针对上述所选方案，进行理论分析及整体电路主要外围元器件参数计算。
3.1带宽增益积
带宽增益积(GBP)是这是用来简单衡量放大器的性能的一个参数，这个参数表示增益和带宽的乘积。按照放大器的定义，这个乘积是一定的。题目中要求放大器最大电压增益AV≥60dB，即Gain≥1000V/V。
放大器的通频带0～10MHz，所以本放大器的带宽增益积为GBP=1000*10M=10G
单个放大器是很难达到10G的GBP，所以我们考虑多级放大器级联。
经过查阅手册，OPA691的GBP为450M，级联上后级的VCA810和THS3120，足以达到题目要求。
四、单元模块设计
4.1模块一电路：
根据理论分析结果设计电路，进行器件选择，（接口电路的连接），对所选电阻、电容、运放等的参数大小进行分析计算，描述模块中信号的流向、变化，画出具体电路图。
4.2模块二电路：
.......
4.3模块三电路：
.......
4.1压控增益电路
可控增益调节部分我们使用压控增益放大器VCA810，VCA810在宽频带工作模式下，增益控制范围为-40dB～+40dB，且控制电压与增益dB数成线性关系，满足设计要求。其中1脚为了匹配输入阻抗并接了50
的电阻，8脚接25的偏置电阻，其中5脚接500的负载电阻.......如图2所示。
五、系统测试及数据分析
5.1测试方法
5.1测试方法
（1）用示波器和信号发生器手动扫描测带宽。
（2）用串入电阻法测输入电阻10MHz带宽测试结果：
打开带宽控制开关选择不同带宽进行设置增益40dB，Vinp-p=3mV，观察示波器测试信号源的频率及步进，并记录电压峰值。
5.2测试仪器
5.2测试仪器
（1）泰克TDS100260M数字示波器
（2）RIGOLDS102220M信号源
5.3测试数据（根据要求列出各个表格,列出实际测量实际值及理论值，最好能进行多次测量，保证数据的确切性，不是偶然的。）
5.4数据分析（根据5.3的各表格，分析电路指标是否达到题目要求）
由表1可以看出放大器在预置带宽为5M的时候，0~4M通频带内很平坦，最大起伏出现在3M、增益40dB的时候，放大dB数为，,完全符合题目要求中通频带内增益起伏≤1D的指标。
由表2可知，系统可以实现电压预置并可以实现5dB的步进，而且可以输出9V左右的有效值。
六、结论
总结达到那些指标：
总结未达到那些指标，分析可能原因。
6.1作品达到了题目所有基本和部分扩展功能及指标的要求：
（1）最大电压增益Av≥60dB，输入电压有效值Vi≤10mV。
（2）在Av＝40dB时，输出端噪声电压的峰－峰值VONPP≤0.03V。
（3）最大输出电压正弦波有效值Vo≥5V，输出信号波形无明显失真。
（4）电压增益Av可预置并显示，预置范围为0～60dB，步距为5dB并且可以手动连续调节）；放大器的带宽可预置并显示（5MHz、10MHz两点）。在通频带内增益起伏≤1dB。
（5）通过制作开关电源来提高电源效率。
（6）本设计多使用集成芯片，以较低的成本实现了题目要求。
6.2存在问题及改进措施：
不断发展的社会和不断进步的科学，使得人们的需求大大改变，理所当然，高频电子技术在改变中是必不可少的，下面是我整理的高频电子技术论文，希望你能从中得到感悟!
高频电子线路仿真实验的设计与实践
【摘要】不断发展的社会和不断进步的科学，使得人们的需求大大改变，理所当然，电子技术在改变中是必不可少的，不管是学生还是电子线路工作人员都把电子线路作为其学习和研究的内容。想要学习和研究高频电子线路终究都离不开实验探索，本文通过对高频电子线路仿真实验特点的分析和了解，设计了高频电子线路的仿真实验并进行研究。
【关键词】高频电子线路，设计，实践
前言：高频电子线路之所以被大众熟知和关注，是因为其在电子信息类技术中扮演着不可缺少的角色。如果我们想要了解甚至研究高频电子线路，实验操作这一步是必不可少的。一般来说，高频电子线路，学生的操作只能局限于实验箱上，很难升级硬件，也很难更新内容。本文根据高频电子线路课程的特点结合3大电子仿真软件SPICE、EWB、MATLAB的特点，优化了高频电子线路的实验内容。
一.高频电子线路仿真实验的特点
在教学过程中，老师的教学方式是先进行理论教学，然后再进行实验验证，最后进行综合性课程设计，但是这样的教学方式达不到很好的效果，传统的课堂教学都注重于理论分析、实验物件的介绍，难以给学生留下深刻的印象，导致学生对所学习内容的兴趣慢慢消失。如果在授课过程中，能够在对电路进行理论分析的同时加入仿真软件SPICE、EWB、MATLAB的仿真演示，从而达到理论讲解和验证的同时进行，这样既增强了教学的灵活性和直观性，也能够在有效的学识内，让学生加深对基本理论知识的理解，这比传统的 教学 方法 更有效率，更有活力。
二.高频电子线路仿真实验的设计
我们在对高频电子线路的了解中，不能仅停留在个别内容的认知，而进行应该对整个高频电子线路体系达到认知的效果，这有利于我们对相关领域技术的领悟。
1对于电路原理的通信系统仿真实验。对于在教学中，学生的理解只停留在公式层面上的问题，我们可以设计以教学为基础的通信系统仿真实验，让学生加深对数学模型的理解。因为实验中的每一个模块都是根据该模块所代表的单元电路来实线原理的建立，使数学模型更具有关联性和形象性。
2对于硬件电路的仿真实验。为了使得硬件测试与软件仿真相结合，设计了硬件电路的仿真实验。我们可以了解到，高频电子线路是电子技术类课程的其中一种。课程中除了相关的原理外，还有大量关于电路分析与设计的问题。
在软件仿真实验中，我们可以观测到一些现象，这些现象是无法在硬件电路实验中所观察到的。比如，振荡电路中有些参数对时间的影响，又比如电路参数的相关条件对电路性能的影响等等。另外，我们可以节约实验的花费，不必花大量的钱购买相关仪器。如果学生掌握了仿真软件的使用方法，那就为后期的电路设计应用铺好了道路，能够更好地认识电路的分析、设计和优化。
三.高频电子线路仿真实验的实践
1.模拟通信系统的仿真实验研究。Matlab中的Simulink是一种具有可视化功能的工具，与传统的模式相比更容易被大众所接受，因为它具备更灵活、更直观的优点。Simulink可以很简单灵活的把数字模型转化为软件模型，从而可以进行动态的仿真实验，这种仿真注重了可操纵性，也注重了系统的概念。在 操作系统 中，为了使大家更清楚的了解系统的结构、仿真模型、数字模型这三者的对应关系，在显示的界面，我们还可以清楚的了解到具体的发射系统和接收系统。
2.电路仿真实验研究。Protel是应用最广泛的电路辅助设计软件，它与其他软件最大的区别就在于具有很强大的印制版设计功能和电路原理图设计功能。电路仿真实验已经在高频电子线路实验中进行了多方面的应用。
3.接收机电路仿真实验研究。进行接收机的电子线路仿真实验的目的是专门为了突出二极管包络检波器的特有性能以及小信号调谐放大器的特有性能等等。我们在进行这两种实验的时候发现，改变硬件的参数操作非常不方便，一方面是浪费时间，另一方面也浪费精力。所以我们根据在实际操作中出现问题才设置了这类的仿真实验，达到解决这方面的很多问题。新方案中信道检查这一功能，能够很迅速的检测到各路信号能否满足幅值要求，不满足要求的能通过报警然后发出通知，让我们知道系统的出错位置在哪里，并且达到很具体的效果。针对粗码信号，我们主要需要检查是否存在高低电平的变化。针对精码信号可以根据比较精码信号的A/D量，来判断这五种幅值标准是否达到要求 。这五种检测项目的要求分别如下所示：(a)峰值幅值小于或者等于98%;(b)、峰值幅值大于或等于75%;(c)、谷值幅值大于等于或2%;(d)、谷值幅值小于或等于25%;(e)、幅值的误差小于10%。
四.编码连续性的实时性检查
如果想要保证整个系统正常工作的基本功能，你们就需要编码的正确率，什么叫做编码正确，直接的来说，就是没有出现跳码。如果一旦出现跳码，有关系统都将失去控制，甚至导致整个系统的瘫痪。正因为如此，我们在编码器信号处理系统中增加了了实时进位检查的功能，这个不仅能够准确的检测编码器编码，而且在发现错误时，还能迅速出现报警然后通知上位机系统，这样就能够让上位机能及时的采取相应施，避免了失控造成大的巨大损失。
实验中，我们还采用了抛物线拟合算法，通过等时间采样连续的几个位置点以此推算出未来位置点得位置，假如未来点的位置出现的偏差是在游走在误差范围内的，我们就判定出编码是连续的，相反如果出现报警并通知上位机系统，那就是不连续的。
五.结束语
我们利用各种仿真软件对高频电子线路进行了仿真分析，了解其特点，测试了调幅信号的输出波形的变化规律和检波后的波形变化规律;观察并分析了电路中关键节点的 频谱关系，得到的结果是一致的，即虚拟仿真结果与理论分析相对应。我们将仿真软件高效合理地应用到高频电子线路的实验教学中，可让很多抽象的理论教学变得更简单明了，让学生更有效的从实验中了解到相关知识。希望通过一系列的仿真实验，也能够为?集成电路(IC)是整个电子信息产业奠定基础.随着电子计算机技术的飞快进步，高频电路的集成化已经成为高频电子线路发展的一个重要方向.一方面可以节省时间另一方面也可以节省费用，缩短周期。因此，各种简洁方便的仿真软件不断涌现，并得到广泛的认可。
参考文献：
[1]吴青萍，罗锦宏;PSPICE在高频电路仿真分析中的应用[J];常州信息职业技术学院学报;2003，(02)
[2]马立华，席惠;MATLAB在电力电子实验教学中的应用[J];实验室研究与探索;2005，(02)
[3]刘静波;;高频电子线路实践教学的建设和探索[J];电气电子教学学报;2006，(04)
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竞赛结束时，参赛队需要上交的材料包括：（1）《设计报告》；（2）制作实物；（3）《2007全国大学生电子设计竞赛登记表》。上述材料使用赛区统一制作的封条，封入由各校自备的纸箱。密封后的纸箱外部不得出现任何校名、参赛队代号、参赛队员姓名及其它暗记，否则视为无效。纸箱封条由赛区组委会自备，各参赛学校必须按照赛区组委会要求的时间、地点上交参赛作品。
9、《设计报告》写作与装订要求
《设计报告》正文的图文篇幅限制为6页，第一页含300字以内的设计中文摘要，正文采用小四号宋体字，单倍行距，标题字号自定，一律采用A4纸，页面纵向打印、装订，装订时第一页为空白页。电路图可另附，报告格式按照竞赛题目中的报告要求撰写。《设计报告》每页上方必须留出3cm空白，空白内不得有任何文字，每页右下角注明页码。报告用纸由各参赛校自行解决。
10、《设计报告》的密封方法
竞赛结束时，参赛队应将设计报告密封纸在距设计报告上端约2厘米处装订，然后将参赛队的代码（代码由赛区组委会统一编制，在发放题目时通知各参赛队）写在设计报告密封纸的最上方。设计报告装订好后将密封纸掀起并折向报告背面，最后用胶水在后面粘牢。设计报告上不允许出现参赛队的学校、姓名等文字。
11、发题时间
参赛地区教委及赛区竞赛组委会必须保证本省内不同城市的参赛学校，在2007年9月2日这天同时如数取到竞赛题目，但开赛前不得启封。
电子设计大赛论文报告格式
**设计报告内容：
1．封面：单独1页（见样件）
2．摘要、关键词：中文（150～200字）、英文；单独1页
3．目录：内容必要对应页码号
4． 设计报告正文：
一、前言：
二、总体方案设计：
包括方案比较、方案论证、方案选择
（以方框图的形式给出各方案，并简要说明）
三、单元模块设计：
① 各单元模块功能介绍及电路设计；
② 电路参数的计算及元器件的选择；
③ 特殊器件的介绍；
④ 各单元模块的联接，以一个模块为一个框，画出框的联接图并简要说明。
四、系统调试：
说明调试方法与调试内容，软件仿真放这里。
五、系统功能、指标参数：
①说明系统能实现的功能；②系统指标参数测试，说明测试方法，要求有测试参数记录表；③系统功能及指标参数分析（与设计要求对比进行）。
六、设计总结：
包括：①对设计的小结；②设计收获体会；③对设计的进一步完善提出意见或建议。
5． 参考文献：
如：
[1] 陈武凡.小波分析及其在图像处理中的应用.科学出版社，2002.01.
[2]
[3]
6． 附：
① 系统原理图；
**设计报告格式：
设计报告统一用A4纸打印，设计报告正文大标题用小三号宋体、小标题用四号宋体、内容用小四号宋体。报告从正文开始统一编页码、左侧装订。设计报告要求20页左右。
