1、武汉理工大学毕业设计（论文 ） I 武汉理工大学毕业设计（论文） 智能 IC 多功能 电表的设计 学院（系）： 自动化学院 专业班级： 电气 学生姓名： 指导教师： 武汉理工大学毕业设计（论文 ） II 摘 要 智能电网的迅猛发展直接推动了智能电表的快速更新换代。 最早使用的电表是机械式电表，通过磁场对转盘产生的力矩转动转盘计费，这种电表弊端极多，磁场很容易受到外界环境的干扰，导致电能计量不精确，灵敏度和稳定性很差。其后兴起的电子式电能表抛弃了早先的机械式计量方式，利用集成电路进行数据处理，很大程度上提高了计量的精度，同时大 大减小了电能表的体积。随着近年来电子技术的飞速发展，电路集成化程度更
2、高，出现了单片机、 DSP、 ARM 等微处理器，人们将这些智能化集成芯片应用于电表中，使之具有更强大的功能。 本文设计了一款具有 功率检测 、 显示功能 ， 并能读取 IC 卡信息，能对电量进行管理的智能 多功能 电表。本设计以 DSP 微处理器作为核心，将采样得到的电参量进行实时分析，可存储测量结果，并通过网络将结果反馈给上位机，有显示和简单的操作功能，实现了人机交互。 本文首先介绍了智能电表发展的背景 、国内外发展现状和所涉及到的基本理论概念 ；然后介绍了系统硬件电 路的设计，包括对前置电路、 A/D 采样电路、 DSP数据处理系统，以及输入输出系统和 IC 卡读写模块的设计，讲述了元器
3、件的选型理由和每个模块的硬件连接电路；其次 详细说明了谐波功率测量及仿真验证方法，包括了对于周期信号的傅立叶级数分解公式、 DFT 的基本原理和 FFT 算法概念的介绍， 分析了谐波存在情况下的功率计算方法，介绍了 DSP 的浮点库，利用MATLAB 对 FFT 算法进行验证，给出了简单的谐波电能计量例子；最后介绍了系统的软件设计，利用模块化设计结构，分为 DSP 主程序、 AD 采样子程序、按键子程序、主循环流程几个部分进行 说明。 关键词： 智能 电表； FFT； AD 转换 ； DSP 武汉理工大学毕业设计（论文 ） III Abstract The rapid development
4、of smart grid directly promotes the rapid upgrading of smart electric meters. The earliest electric meter is the mechanical meter, which measures electricity by rotating the dial via a torque generated by the magnetic field. There are so many disadvantages in this way. For example, the magnetic fiel
5、d is so susceptible to the interference from external environment that the measurement is not enough accurate and the sensitivity and stability is poor. Then the electronic electric meter was invented, which abandoned the earlier mechanical measurement method. The electronic meter uses an integrated
6、 circuit for data processing. It greatly improved the accuracy of measurement, and greatly reduced the volume of meters. With the rapid development of electronic technology recently, the integrated circuit is higher intergraded than before, and the MCU (microcontroller), DSP, ARM and other microproc
7、essors is appeared. They are applied to the meter as intelligent integrated chip and the electric meters have more functions. This paper designed a smart electric meter, which can detect power, display, read the IC card information, and be able to manage the electric power. This design uses DSP as t
8、he CPU of the system. It can analysis electrical parameters that have been collected in real-time and store the measurement results, and then feedback 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 i
9、nteraction. Firstly, This paper introduces the background 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 card reader module design. It main
10、ly 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 based on the Fourier transform, including decomposition formula of Fourier series for a periodic 武汉理工大学毕业设计（论文 ） IV
11、signal, the basic principle of DFT and FFT algorithm, and analyzes the power calculation method in case where there is some harmonic and the Floating Point Unit of DSP, using MATLAB to verify FFT algorithm, and it also gives a simple example of the measurement of harmonic energy. Finally, this paper
12、 introduces the design of the software, it can be divided into four parts to explain with a modular design structure: the main program, AD sampling subroutine, key subroutine, the main loop flow. Key Words： smart electric meters； FFT； A/D conversion； DSP 武汉理工大学毕业设计（论文 ） 目 录 第 1 章 绪论 .I 1.1 课题的研究背景 .
13、 1 1.2 国内外发展现状 . 1 1.3 本文的计 量 理论基础 . 2 1.4 本文的设计目标和主要研究内容 . 3 第 2 章 系统硬 件设计 . 4 2.1 硬件系统总体方案设计 . 4 2.1.1 系统设计思路 . 4 2.1.2 总体设计框图 . 5 2.2 前置电路 . 6 2.2.1 互感器的选取与设计 . 6 2.2.2 放大滤波电路的选取与设计 . 7 2.3 采样电路 . 11 2.3.1 A/D 转换器的选取 . 11 2.3.2 AD7610 介绍 . 12 2.4 DSP 数据处理系统 . 13 2.4.1 DSP 在电能计量中的应用 . 13 2.4.2 DSP
14、 的选取 . 13 2.4.3 TMS320F28335 简介 . 14 2.4.4 TMS320F28335 与 ADC 接口电路设计 . 14 2.5 输入输出系统 . 15 2.5.1 显示模块设计 . 15 2.5.2 按键模块设计 . 16 2.5.3 无线通讯模块设计 . 17 2.6 IC卡读取模块设计 . 17 2.6.1 SLE4442 简介 . 18 2.6.2 SLE4442 与 DSP 接口电路设计 . 18 2.7 本章总结 . 19 第 3 章 谐波功率测量及仿真验证 . 20 3.1 傅立叶变换原理 . 20 3.2 离散傅立叶变换（ DFT） . 21 3.3
15、快速傅里叶变换（ FFT） . 21 3.4 谐波功率计算 . 24 3.5 FFT 程序设计 . 25 3.6 FFT 算法仿真验证 . 26 3.4.1 建立谐波电源 . 26 3.4.2 频谱分析计算 . 27 3.5 本章总结 . 29 第 4 章 系统软件设计 . 30 4.1 DSP 主程序设计 . 30 武汉理工大学毕业设计（论文 ） 4.2 AD 采样子程序设计 . 30 4.3 按键子程序设计 . 31 4.4 主循环流程图设计 . 32 4.5 本章总结 . 33 第 5 章 总结与展望 . 34 5.1 全文小结 . 34 5.2 本文不足与工作展望 . 34 参考文献
16、. 35 致 谢 . 36 武汉理工大学毕业设计（论文 ） 1 第 1 章 绪论 1.1 课题的研究背景 智能电网建立在高速双向通讯网络的基础上，通过先进的传感测量技术，实时将采集到用户用电情况反馈回网络，紧密的供需联系使智能电网能及时 应对电网出现的种种问题，使电网更加安全可靠、经济高效地运行。智能电网的卓越性能推动世界各国纷纷开始大刀阔斧地进行电力市场的改革创新 1。 最早使用的电表是机械式电表，通过磁场对转盘产生的力矩转动转盘计费，电流大小改变磁场大小，从而改变力矩及旋转速度，起到计量电费的作用。这种电表弊端极多，磁场很容易受到外界环境的干扰，导致电量计量不精确，灵敏度和稳定性很差。 其
17、后兴起的电能表是电子式电表， 这种电表得到广泛的使用，它 抛弃了早先的机械式计量方式，而是采取利用集成电路进行数据处理的方式，对电能进行计量，大大减小了 电能表的体积，很大程度上提高了计量的精度。随着电子技术的发展，电路集成化程度更高，单片机、 DSP、 ARM 等微处理器也在快速发展，人们将这些智能化芯片应用于电表中，实现了更多的拓展化功能，随之涌现出了许多功能更强的智能电表，例如分时计费电表、异地抄表电表、智能 IC 卡电表等。 作为智能电网的用户终端，智能电表也随之迅猛发展。世界各国都在积极发展智能电网的建设，网络化管理的兴起，直接导致了智能电表普及率激增，据调查研究统计，智能电表 的全
18、球使用量 将在 2020 年突破 5 亿只。我国也紧跟世界形势，积极推进智能电网的建设。 随着不断地改进，电表也从传统的机械式电表、人工抄表模式，逐渐变化到如今常见的电子式电表。然而这依然不能满足国际上对智能电表的 要求 ，除了能像传统电表能计量电量之外，智能电表还应具有支持用户控制的功能，不仅要保证计量精确，还要能实现对电量进行管理等智能化功能 2。 1.2 国内外 发展 现状 2009 年中旬，国家电网对智能电网的发展做出了详细规划： 20092011 年作为试点阶段，此阶段用来完整规划坚强智能电网，主要进行关键技术研究，构建基础构架； 20122015 年 初步完成集互动、通讯、服务于一
19、体的智能 电网 体系 ；20162020 年 为 整体加强阶段， 将“坚强智能电网”的各项要求全面落实 3。 武汉理工大学毕业设计（论文 ） 2 基于智能电网全面建设的大背景，国内智能电表市场也产生了极大需求量。由 仪器仪表行业协会统计 ， 2012 年国内 各类电表的 总产量 已经高达 1.1 亿只，其中 过半份额 被 智能电表占据。 随着“十二五”计划的推进，电表 市场 将在这一时期 大力改革，智能电表将取代传统电表成为主流。 从 2015 年开始，我国开始对 10KV 以上的工业用户启动智能电表试点，占比约 30%，使用用户将超过 6000万。从 2009 年初步计划时仅 5000 万只
20、以内的需求量，到 2012 年底 1.84 亿只的累计安装量，再到 2013 年 4.1 亿只的招标量 可以看出 ，智能电表的逐步普及势不可挡，它必将在不久的将来达到全面覆盖。 在 世界形势上，欧美市场仍旧是智能电表的主场，欧洲各国预计在 2020 年将智能电表的普及率提升到 80%以上， 与 2008 年的 普及率 占比相比 ， 复合增长率 高达 48%， 这与欧美智能电网构建较早，现已趋于成熟有关，智能电表的发展与智能电网的建设息息相关，与信息交互网络依存。 目前为止，美国也已累计安装了 5000 多万只智能电表 ，其中南加州爱迪生电力公司（ Southern California Edi
21、son，以下简称 SCE） 仅 统 计其服务区的智能电表总量就达到了 500 万只， 这些智能电表采集到大量的用户信息，数据信息时代 这些信息 是非常宝贵的资源，统计者可以利用这些数据分析挖掘出更多有价值的信息，用于其他用途以促进发展优化。目前 SCE 已经全面配置了账单收费功能， 除此之外， SCE 也 在积极分析智能电表数据 ，研发 相位识别 功能 ， 希望 通过 这些 数据分析 结果能确保负荷的三相平衡，如果此项研究成功，将是智能电网体系的又一大进步 4。 1.3 本文 的计 量 理论 基础 精确计量用户所用的电量是电表的主要功能，在智能电表的设计过程 中要尽量提高电表的精度。然而电网谐
22、波的存在使传统的计量方法不能精确地反映用户实际的用电量。 谐波是叠加在基波上的正弦分量，其频率是基波频率的整数倍。要想准确计量电量，就要在设计中考虑到谐波对测量结果的影响，对电网采样的数据进行谐波分析，使结果更加准确。 法国工程师 Fourier 在 1822 年提出一项重要理论：即任意一个连续的周期函数 x(t)都可以分解为无穷多个不同频率正弦函数的和。这就是本文谐波分析的理论基础。 把连续的时域信号转换为频域信号的方式称作连续傅立叶变换，它是电力系统信号处理领域中一种重要分析方法。 在实际的信号分析计算中，处理器难于对连续信号直接处理，通常需要对连续信号进行采样，对所得离散信号进行分析，
23、离散傅里叶 变换 （ DFT）就可用来分析 经采样离散化的模拟信号。由于离散傅立叶变换的计算量非常大，即使对长度较短的信号做离散傅立叶变换也需要完成相当多的复数乘加运算，这大大限制武汉理工大学毕业设计（论文 ） 3 的离散傅立叶变换的实时运用。 快速傅立叶变换的原理与离散傅里叶变换一样，不同的是快速傅里叶变换大大减少了计算离散傅里叶变换所需的乘法和加法次数，使 N点的 DFT 的运算量从2N 降为 2logNN ，从而极大地提高了运算速度。 通过使用快速傅立叶变换，以往要事后进行的数据处理和系统模拟研究等工作变得可以实时 完成 ，打开了数字信号处理应用上的新局面。 本文利用 快速傅立叶 算法（
24、 FFT）分解电能信号， DSP 接收到 AD 采集到的数据后，通过 快速傅立叶 变换，可以得到基波和各次谐波的电量参数，然后再计算功率和电能。 1.4 本文 的 设计 目标和 主要 研究内容 本文在基本的电子式电能表的基础上，设计一款具有 功率检测 、 显示功能 ，并能读取 IC 卡信息的电能表，以 0.05 精度级精准地进行计 量，并且可以管理用户使用的电量。 主要分为以下三部分进行介绍： （ 1） 系统硬件电路的设计：按照系统的整体设计框图，对前置电路、 A/D采样电路、 DSP 数据处理系统，以及输入输出系统和 IC 卡读写模块进行设计，分析各个元器件的选型理由和每个模块的硬件连接电路
25、。其中前置电路包括了互感器和放大器、滤波电路；采样电路由 A/D 转换器构成； DSP 作为系统 CPU，既完成数据处理的工作，同时还控制协同系统其他部分，使整个系统工作有条不紊地运行；输入输出系统包含了显示模块、按键模块以及与上位机做信息交互的无线通讯模块；最后是 IC 卡 读取模块，用来与 IC卡信息进行交互。 （ 2） 谐波功率计算方法及仿真验证： 介绍了基于傅里叶 变换的 谐波电能计量的理论基础 ，包括了对于连续 周期信号的傅立叶级数分解 公式 、 离散傅立叶变换 的 概念、快速傅立叶 算法的基本 原理、按时间抽取快速傅立叶算法的实现以及考虑谐波存在情况下的 功率 计算方法； 给出 F
26、FT 程序设计依据，即利用 DSP 浮点 计算 库，直接调用 FFT 算法，简单方便地实现了 RFFT（快速 FFT 变换）； 利用 MATLAB 构造简单的谐波电能计量例子进行仿真分析，以验证 FFT 算法。 （ 3） 系统软件设计：利用模块化设计结构，分为 DSP 主程序、 AD 采样子程序、按键子程序、主循环流程来详细说明，并给出了各个模块的流程图。 武汉理工大学毕业设计（论文 ） 4 第 2 章 系统硬件设计 2.1 硬件系统总体方案设计 2.1.1 系统设计思路 目前国内市场通用的电表多使用单微处理器结构，利用单片机或者 DSP 就可以完成数据处理、显示通讯等功能。还有小部分电表采用
27、双 CPU 结构，即 DSP加 MCU 的结构， DSP 具有高速运算的能力从而被用来进行高速的数据处理，而 MCU将数据处理的结果再处理，即负责系统调控、显示，连接上位机等功能。但这种构造的测量仪器结构复杂且成本很高。 本设计的 系统中 数据 处理核心为 FFT 算法，可以选用 MSP430 系列单片机或者 DSP 芯片来完成。 依照电能信号处理的习惯和工程经验，我们选择对每周波进行 64 次采样。 普通单片机的计算能力较差，尤其是对谐波分析时，需要进行 大量 的乘法和加法计算，然而普通单片机运算速度较慢，达不到本设计数据处理对实时性的较高要求；对于 MSP430 系列单片机，虽然能完成 F
28、FT 算法，但由 表 2.1可知， MSP430 做一次 64 点 FFT 浮点数运算的时间在 10.8ms，而本设计要求一个周期（即 20ms）内完成对电压、电流信号的两次 64 点 FFT 运算，所以使用 MSP430单片机依旧达不到本设计对计算速率的要求。 表 2.1 单周波打点数与时间对应表 算法 MSP430 扩展 C-16 位整型 标准 ANSI C-32 位浮点型 N=64 0.9ms 10.8ms N=128 2.1ms 25.7ms N=256 4.7ms 59.7ms N=512 8.9ms 135.4ms N=1024 22.9ms 304.2ms DSP 芯片具有高速信号处理的能力，能有效实现复杂的算法，尤其是 DSP 具有轻松实现 FFT算法的优点， 目前多种 DSP对乘加运算均有专门的硬件电路实现，可以在 一个指令周期内完成一次加法运算和一次乘法运算。通常可见的各种型号的 DSP 都提供了专门的快速傅立叶算法 函数 ，这些函数充分利用硬件电路资源和快速傅立叶算法的特征，使得 快速傅立叶 算法在 DSP 上实现快速而准确，开发方
