课程：计算机组成原理智能电表分析设计报告院系：安徽工程大学机电学院专业：计算机与软件工程系班级：软件1402组长：李和林组员：秦伟刘宣杨佳伯转转许展邵明时间：姓名职责目录第一章系统整体方案设计 (4)1.1智能电表系统设计思路 (4)1.2方案论证 (4)1.2.1三相电参数的测试与计量方案论证与比较 (4)1.2.2多功能化模块的方案论证与比较 (5)1.2.3电压电流采样方案论证与比较 (6)1.3通信标准的选择 (7)1.4系统总体方案确定 (8)第二章系统硬件设计 (9)2.1硬件整体系统设计 (9)2.2电源电路设计 (10)2.2.1工作原理 (10)2.2.2变压模块 (11)2.2.3稳压模块 (11)2.3电压电流采样处理单元 (12)2.3.1 ATT7030A简介 (12)2.3.2 ATT7030A结构框图 (13)2.3.3电能输出脉冲电路 (13)2.4 CPU中央处理单元 (14)2.4.1 CPU功能 (14)2.4.2 CPU选择 (15)2.4.3数据存储模块 (16)2.4.4显示模块 (18)2.4.5 红外通信模块 (20)2.4.6键盘模块 (22)2.4.7 485通讯模块 (23)第三章系统软件设计 (24)3.1软件设计的基本原则 (24)3.2系统软件设计 (25)3.2.1接收数据与通信的程序设计 (25)第四章总结 (29)第一章系统整体方案设计1.1智能电表系统设计思路将智能电表系统整体分为电量测量和智能管理两部分。
电量测量部分选用高精度、高可靠性的电量测量ASIC实现，能够完成三相电量的准确计量。
该部分是设计的关键和基础。
智能管理部分除核心元件微处理器外，还需要人机交互模块、数据存储模块及通讯模块。
该部分是实现电表“多功能化”的重要组成部分，对其要求是智能化程度高，易于功能扩展。
1.2方案论证1.2.1三相电参数的测试与计量方案论证与比较该部分是本系统设计的关键部分，要求电路结构简单、可靠、功能全面，能够完成预定功能。
目前，关于三相电参数的测试与计量主要有两种技术方案。
传统的模数转换和相位检测技术被测三相电压、三相电流通过相应互感器转变为能被后端电路接收的电信号，变化之后的信号需要做两方面的处理，一方面检测电压电流的相位差，确定功率因数，另一方面线性调整信号，传输给后端的A/D转换器。
电压、电流转换后的数字量和功率因数值传输给CPU处理器，根据三相功率、三相能量等电参数的计算公式计算相应的各个电参数，并对计算数据做相应处理。
该方案存在电路结构复杂，参数测试误差大，编程复杂、故障排除复杂等缺点。
该技术方案已不再适用于工业环境中三相电能表的电参数测量。
专用的三相电参数测试与计量技术随着大规模集成电路的迅速发展，有关电参数测量的集成电路市场上出现了多种专用产品，针对不同的电参量可以选用不同的产品。
目前，在我们国内比较流行的电量测试与计量芯片主要有美国ADI公司生产的ADE7755，美国CIRRUS LOGIC公司生产的CS5460，美国炬力公司生产的ATT7021、ATT7030、ATT7026等，国内上海贝岭公司也生产了相应的电量计量芯片。
以上IC芯片在国内电能表行业中得到了广泛的推广应用，多年来的应用表明，这些IC芯片在电参数的测试与计量的应用比较稳定，计量精度满足了国家标准。
采用专用的IC测试电参数已成为目前各种电能表制造厂商的首选技术方案。
其中，ATT7026、ATT7030是专用于三相电参数测量的IC芯片，外围电路配置简单，可方便地与CPU连接。
综合考虑本电能表所要实现的功能，我们选用第二种方案。
ATT7030A测试计量的电参数能满足本次设计题目提出的技术要求，是一款高精度的三相电能专用计量芯片，适用于三相三线和三相四线。
ATT7030A提供有功电能计量输出脉冲，微处理器可方便的对电能实现计量。
1.2.2多功能化模块的方案论证与比较多功能化模块应包括以下几个组成部分：CPU中央处理器、外部存储器、键盘、显示、485通信接口、红外收发电路、报警电路、负荷控制电路等八部分组成。
CPU中央处理器的选择方案有两种，方案一：选用DSP处理器；方案二：选用单片机。
DSP处理器具有运算速度快，处理能力强等优点，但存在价格相对较高，参考资料相对较少等缺点。
单片机是目前电能表行业中普遍选用的中央处理器。
比较以上两种方案，我们选用ATMEL公司的AT89S52单片机作为中央处理单元，该单片机具有较强的数据处理功能，与MCS-51完全兼容，设计使用方便。
外部存储器选择方案主要有两种。
方案一：选择RAM存储器；方案二：选择FLASH存储器。
RAM存储器速度快，可读写操作，但存在掉电数据丢失的缺点，为了保证数据不丢失，一般需要设计电池供电，增加了设备的体积，成本等。
外部FLASH存储器具有掉电数据不丢失的优点，速度相对较慢，可以进行读写操作。
由于电能表对数据存储的速度较低，数据量较少，因此，FLASH存储器是电能表行业中选择的主流芯片。
我们选用X5045作为外部数据存储器，选用该型号的存储器不仅可以方便数据的存储，而且具有看门狗功能，监视CPU的运行状态和系统的电压，保证系统的安全运行。
负荷控制电路设计具有预付费功能，即用户应先购电，后用电，用户购剩余电量达到报警值或剩余电量为零时，都要操作继电控制装置，提醒用户及时购电。
1.2.3电压电流采样方案论证与比较目前，电能表行业中，关于电源电压、电流的采样方案主要有三种：第一种是采用电流互感器、电压互感器采样；第二种电压采用电阻分压网络采样，电流采用锰铜电阻采样；第三种方案以上两种方案的交叉组成。
电流取样使用电流互感器具有过载能力强，精度高，抗干扰能力强的优点，但存在成本高，体积大的缺点；电压取样采用电压互感器同样具有过载能力强，精度高，抗干扰能力强的优点，存在成本高，体积大，校表难度高的缺点；与采用互感器取样比较电流采用锰铜电阻具有取样方便，成本低的优点，但存在过载能力弱，抗干扰能力差的缺点；电压采用电阻分压网络取样具有取样容易，校表方便、成本低的优点，但存在过载能力弱的缺点。
比较以上几种方案，结合本表的计量精度要求，电流取样采用高精度（0.1级）的电流互感器，电压取样采用电阻分压网络。
该方案既提高了本系统的抗干扰能力，又方便了电能表的校验。
根据上述方案论证，智能电表系统的实现方案如下：AT89S52(CPU)+ATT7030A(电量测量IC)+X5045（Flash存储器）+MAX7219 (LED 显示IC)+独立式键盘+75LBC184（485通讯IC）+红外调制管+MC7805(DC稳压电源IC)。
1.3通信标准的选择本系统的一个重要的问题就是通信问题。
要根据系统的通信距离来选择合适的通信标准。
如果通信距离要求太高的话，可以采用电话线公网或者无线 GPS 等方式来进行通信。
在通信方式中，大多数采用串行通信方式。
这里先对常见的串行总线标准作一个比较。
常用的总线标准有 RS-232、RS-422 和 RS-485 等等[6]，RS-232 是异步串行通信中应用最广泛的一种标准总线，其单向数据传输最大速率为了20Kbps，最大传送距离为 15m，显然这种总线标准是无法满足本系统的技术要求的，且其数据传输速率较慢，易产生干扰。
RS-422 传输距离较远，最短为 12m，数据传输最大速率为 10Mbps；当速率为 1Mbps 时，传输距离可达 120m；当速率为 100Kbps 时，传输距离可达 1200m；RS-422 抗干扰能力强，传输速率快，且为全双工的。
RS-232 和 RS-422 有一个显著特点，即 RS-232 接口与 RS-422 接口通常吸用于点对点通信系统中，若系统中需要相互通信的节点数超过两个时，他们都无法直接满足要求。
因此，EIA 制定了新的接口标准 RS-485，它能支持一点对多点的通信，RS-485 电气标准与 RS-422 完全一样，只是 RS-485 工作于半双工方式。
RS-485 标准总线是一种平衡传输方式的串行口接口标准，它允许在电路中有多个发送器，且允许一个发送器驱动多个负载设备，负载设备可以是被动发送器、接收器或收发器的组合单元。
RS-485 的共线电路结构是一对平衡传输的两端都配置终端电阻，其发送器、接收器、组合收发器可以挂在平衡传输线上任何位置，在数据传输中实现多个驱动器与接收器通用同一传输线的多点应用。
RS-485 通信接口的信号传输是用两根线之间的电压差来表示逻辑“1”或“0”的，因为发送端仅需两根传送线，而接收端也只需要两根传送线，这样，RS-485 接收端与发送端公需两根线就能完成信号传输。
RS-485 标准总线的特点是：抗干扰能力强、传输速率高、传输距离远，在采用双绞线，不用 Modem 的情况下，在100Kbps 的传输速率时可传送 1200m，若速率为 960Kbps 时，可以传送 1500m，甚至更远。
由于 RS-485 具有上述优点，能够支持一点对多点的通信，便于组网通信距离也能满足本系统的设计要求；且电表联网远程抄表系统对实时性要求不高，能耗的抄取也是不经常发生的，一般情况下仅需要每月抄一次。
所以本系统选择了半双工的 RS-485 的通信标准。
1.4系统总体方案确定在我们确定了通信标准之后，就可以对整个系统进行设计了。
既要充分考虑RS-485 通信标准中对传输距离和波特率的限制，又要兼顾到系统的带载能力，来确保系统运行的可靠性，在基表与上层管理微机之间，采用了采集器、集中器两级结构形式，系统的总体分布结构如下图系统总体结构图上位微机与集中器之间可通过 RS-485总线进行数据传输，采集器通过屏蔽双绞线采集用户各种远传能耗基表的信息，并进行换算和存储；采集器对电量的采集可以直接通过DF型电能表上的 RS-485 接口接受用户的电量信息，也可以通过采集器上的红外接口，利用专用红外抄表器对采集器进行各种能耗信息的读取等第二章 系统硬件设计2.1硬件整体系统设计根据方案比较与论证，三相智能电度表的整体电路主要包括：电源电路、电压电流采样处理单元、CPU 中央处理单元等三部分组成。
其中采样电路又分为电压采样模块、电流采样模块；CPU 中央处理器单元又分为CPU 中央处理器、键盘、显示、外部存储器、485接口、红外收发、负荷控制、报警模块。
整体设计方案见图CPU 中央 处理器 键盘 显示外部存储器 485接口 红外收发 报警 负荷控制CPU 中央处理单元 电 压 取样 电流取样 A UB UC U A I B I C I 电 源 电 路系统整体电路原理图系统工作原理：第一步接通电源电路，CPU 中央处理单元上电，系统进入待机状态。