电能表中通讯接口电路的设计以及实现
电能计量系统通信接口设计
ª 信息技术28电能计量系统通信接口设计马彪（辽宁信息职业技术学院）摘要：文章介绍了基于485网络的学生公寓电能计量管理系统的设计，详细地介绍了系统的硬件构成及工作原理，并结合实际需要设计了网络通信协议。
系统采用微机与IC 卡管理机进行双重管理，使系统工作可靠、操作方便。
关键词：电能计量；485网络；AD77551引言随着大专院校后勤社会化改革的不断发展，学生公寓用电管理已逐步采用付费方式，急需一种新的电能集中计量管理系统。
基于485网络的公寓电能计量系统采用了先进的电能计量芯片，是一种先进的集中式电能计量系统，具有电能计量、负荷检测、数据统计、报表、打印等多种功能。
本文重点介绍其通信接口与通信协议设计。
2系统组成与硬件单元电路设计系统组成见图1所示。
本系统设计计量房间数为510户，制作四个计量控制柜，每个控制柜由8个计量控制子系统组成，可计量128个房间。
各计量控制子系统采用插卡式结构，由控制电路、显示电路、母板电路、及16个电量采样电路模块组成。
电量采样电路用于采样某一房间的用电量并将其转换成标准脉冲信号；显示电路用于巡回显示16个房间的用电信息；各种信号与数据均通过母板电路进行传输；控制电路实现对数据的采集处理并产生各种控制信号。
各计量控制子系统通过485接口与IC 卡管理机及微机相联构成通信网络，从而实现智能化管理。
2.1 IC 卡管理机IC 卡管理机可实现系统实时信息查询、电费存储与查询及开关定时控制等，其组成框图见图2所示。
电路由89S52微处理器、时钟芯片（PCF8563）、E 2PROM 存储器（24LC64）、IC 卡接口电路、17键串行键盘、大屏幕液晶显示器（LCD ）、485通信接口电路及掉电检测电路（MAX813L ）组成。
2.2电量采样电路设计电量采样电路为电能计量的关键电路。
该电路以电能计量转换芯片AD7755为核心实现对公寓各房间用电的计量，并将电能信号转换成标准脉冲信号送到单片机处理电路。
智能电能表RS—485通讯接口设计及现场失效分析
智能电能表RS—485通讯接口设计及现场失效分析随着国家智能电网的快速发展，智能电表和电能量采集系统在城乡电网中普遍安装应用，本文就目前在智能电能表组网过程中遇到的问题，从RS-485接口电路原理分析入手，分析现场遇到的RS-485通讯失效问题，解释问题原因，并提出相应解决方法和手段。
关键字：RS-485 智能电能表通讯接口失效分析前言为贯彻落实国家电网公司建设和构建智能电网、智能用电的发展战略与服务体系，智能电表用电信息采集系统得到大范围的推广和安装。
智能电能表与用电信息采集系统的信息交互式通过电能表的本地通讯接口完成。
因此，智能电能表的本地通讯接口工作的稳定性和可靠性显的尤为重要。
1 智能电能表RS-485接口硬件电路分析作为一种简单、廉价而且可靠的通讯规范，RS-485采用平衡发送和差分接收的形式，因此在其使用过程中具有很强的抑制共模干扰的能力，加上RS-485接口的接收器具有200mV的接收灵敏度，能够在千米之外恢复通讯信号。
目前在智能电能表上采用的RS-485通讯接口电路如图1所示。
电路中U2为将TTL电平转换成差分输出的RS-485驱动芯片，目前智能电能表中广泛采用的RS-485驱动芯片种类繁多，但这些芯片的功能是一致的，通讯效果差异不大。
此电路与典型RS-485推荐电路相比较，省去了U2收发控制端的驱动隔离光耦，原因一是智能电能表生产厂家成本控制的结果，即减少智能电能表生产成本；二是降低RS-485电路的功耗。
RS-485接口输出电平“1”时，光耦E2处于截止状态，电阻R6和R8的分压作用，使芯片U2的收发控制端处于低电平，即U2处于接收状态，输出A和B 为高阻状态，电阻R9和R10对拉使得RS-485总线处于确定的“1”状态，所以此电路输出“1”不是驱动芯片U2S输出完成，是由电阻R9和R10对拉形成。
RS-485接口输出电平“0”时，光耦E2处于导通状态，驱动芯片的收发控制端处于高电平，使芯片处于发送状态。
[实用参考]用单片机C语言实现多功能电能表通信协议(电能表端)
![[实用参考]用单片机C语言实现多功能电能表通信协议(电能表端)](https://img.taocdn.com/s3/m/8942f4ea9ec3d5bbfd0a7476.png)
毕业论文(设计)题目名称：用单片机C语言实现多功能电能表通信协议（电能表端）题目类型：毕业设计学生姓名：院(系)：电子信息学院专业班级：指导教师：辅导教师：时间：20GG年2月21日至20GG年06月10目录长江大学毕业论文(设计)任务书 (I)长江大学毕业论文(设计)开题报告....................................................................................... I II 长江大学毕业论文(设计)指导教师评审意见 ..................................................................... IG 长江大学毕业论文(设计)评阅教师评语............................................................................... G 长江大学毕业论文(设计)答辩记录及成绩评定 ................................................................. GI 摘要.......................................................................................................................................... G II Abstract ................................................................................................................................. G III 第一章前言 .. (1)第二章选题背景 (2)2.1行业现状及发展趋势 (2)2.2选题任务 (3)第三章方案论证 (5)3.1DL/T645-20GG《多功能电能表通信协议》介绍 (5)3.2整体设计思想 (8)3.3单片机的串行口简介 (8)3.4单片机多机通信系统相关理论 (14)3.5通信接口的选择 (15)3.6微控制器的选择 (19)3.7软件环境 (20)第四章设计论述 (22)4.1硬件原理图设计 (22)4.2软件设计 (22)第五章结果分析 (37)第六章设计总结 (38)6.1工作总结 (38)6.2存在的不足 (38)6.3设计展望 (39)参考文献 (39)致谢 (41)附录 (42)长江大学毕业论文(设计)任务书学院（系）电子信息学院专业电气工程及其自动化班级学生姓名指导教师/职称1.毕业论文(设计)题目：用单片机C语言实现多功能电表通信协议（电能表端）2.毕业论文(设计)起止时间：20GG年12月18日～20GG年6月10日3．毕业论文(设计)所需资料及原始数据（指导教师选定部分）1)DL/T645协议4．毕业论文(设计)应完成的主要内容1)学习单片机汇编和C语言编程2)熟悉单片机串口通信相关知识3)编程实现DL/T645多功能表通信协议（电能表端）5．毕业论文(设计)的目标及具体要求1)学习单片机汇编和C语言编程2)熟悉单片机串口通信相关知识3)编程实现DL/T645多功能表通信协议（电能表端）6、完成毕业论文(设计)所需的条件及上机时数要求120学时任务书批准日期20GG 年12月日教研室(系)主任(签字)任务书下达日期20GG 年12月18日指导教师(签字)完成任务日期20GG 年6 月10日学生（签名）长江大学毕业设计开题报告题目名称用单片机C语言实现多功能电能表通信协议（电能表端）题目类别毕业设计院（系）电子信息学院专业班级电气10703学生姓名指导教师辅导教师开题报告日期20GG年3月14 日用单片机C语言实现多功能电表通信协议（电能表端）学生：电子信息学院指导教师：电子信息学院1题目来源题目来源：生产/社会实际2研究目的和意义电能是最重要的能源，它的应用在生产技术上曾引起划时代的变革。
智能电表的设计
四川理工学院课程设计书学院计算机学院专业物联网工程20121班课程无线传感器网络题目现代小区智能电表课程设计教师符长友学生胥玉环刘依粒胡伟杰宋治桦设计时间：2014年7月5日至2017年7月11日前言近年来，在低碳经济、绿色节能及可持续发展思想的推动下，如何进一步提高电网效率，积极应对环境挑战，提高供电可靠性和电能质量，完善电力用户服务，适应更加开放的能源及电力市场化环境需要，对未来电网的发展提出了更高的要求。
智能电网的概念应运而生并成为全球电力行业共同研究和探讨的热点，支撑中国乃至全球智能电网的将是通信技术、信息处理技术和控制技术。
智能电表作为智能电网建设的重要基础装备，加快智能电表产业链整合，促进其产业化，对于电网实现信息化、自动化和互动化具有支撑作用。
基于以上分析，本文研究旨在基于AT89C51单片机的智能电表的设计。
本次设计基于单片机AT89C51是以微处理器或微控制器芯片为核心的可以存储大量的测量信息并具有对测量结果进行实时分析、综合和做出各种判断能力的仪器。
一般具有自动测量功能，强大的数据处理能力，进行自动调零和单位换算功能，能进行简单的故障提示，具有操作面板和显示器，有简单的报警功能。
本文主要包括以下三个方面的工作：(1)智能电表的设计背景、优点及发展现状本文首先分析智能电表的设计背景，其次讨论智能电表的优点及相关的应用。
(2)智能电表的硬件和软件实现分析智能电表应该具备的功能，给出该仪表的总体设计框图；详细讨论了该电路的核心芯片选取、数据采集电路的设计、通信电路及输入输出系统的实现并给出了核心芯片．AT89C51的详细参数；使用结构化程序设计手段，利用单片机C语言程序实现按键的扫描并处理程序、数据的采集及后续的算法程序、红外或RS485通信方式的自动抄表程序、CPU卡的读写操作程序以及段式LCD的显示驱动程序。
(3)设计的结论分析、不足及未来的展望阐述了设计的测试结果并对结论进行了分析，给出了设计中的不足之处，并提出了将来的修改意见及改进之处，对智能电表的未来进行展望。
电子式电能表无线通信接口设计
１ 硬 件 设 计
电子 式 电能 表无 线 通 信 接 口 的 电路 原 理 图如 图 １ 所示 。主要 由 ＭＣ 控 制 单 元 和 无 线 收 发与 无 线 通 信 接 口连 接 ，采
表 ：
；口． Ｕ控 制 单元 Ｓ 无 收 ０ＭＣ Ｐ 线发 Ｉ
［ 收稿 日期］２ １ —０ 一ｌ ０２ １ １ ［ 基金项 目］湖北省教育厅 科学研究计划资助项目 （ ２ ０ １ ０ ） Ｄ ０９５３ 。 ［ 作者简介］郝毫毫 （９８一 ，男，１８ 年大学毕业 ， １６ ） ９９ 硕士 ，讲师 ，现主要从事智能仪器 、无线传感器网络技术等方面的教学与研究工作。
通信 、红外 通信 以及 短距 离无 线 通信 等 ，其 中 Ｒ 一８ Ｓ４ ５接 口布线 工 作量 大 、维 护 费用 高 ，电力 线 载波 存
在 电力 网污 染严 重 的 问题 ，红外 通信 距 离较短 、抗 干扰 性 能差 ］ ，而短距 离无 线 通信无 需 布线 、组 网简
单 ，是 一种较 为合理 的通 信 方式 。下 面 ，笔 者 以 Ｓ ｍｔｃ 司 的 Ｓ ２ ３为 无 线 收发 单元 ，以 Ｔ 公 司 的 ｅ ｅｈ公 Ｘ１３ Ｉ ＭＳ ４ ０ Ｉ９的 １ Ｐ ３Ｆ ４ ６位低功耗 微控制器 为 中央处 理单元设计 了一种 电子式 电能 表 的短距离 无线通信接 口。
ｄ ｉ ０ ３ ６ ／．ｓｎ １ ７ —４ ９ （ ｏ：１ ． ９ ９ ｊｉ ． ６ ３１ ０ Ｎ） ． ０ ２ ０ ． ４ ｓ ２ １．４ ０ １
电 子 式 电 能 表 无 线 通 信 接 口设 计
郝 毫 毫 ，熊俊 俏 （ 武汉工程大学电气信息学院， 湖北 武汉 ４０７） ３０３
张 鲲 （ 武汉大学电气工程学院， 北 武汉 ４０ ２ 湖 ３０ ） ７
电力系统中智能电能表的使用方法与数据采集技巧
电力系统中智能电能表的使用方法与数据采集技巧智能电能表是一种新型的电力计量设备，具备集数据采集、通信、储存、显示等功能于一体的特点，被广泛应用于电力系统中。
本文将介绍智能电能表的使用方法与数据采集技巧，以帮助读者更好地了解和应用这一新兴的智能设备。
一、智能电能表的使用方法1. 安装与连接智能电能表的安装与连接过程与传统的电能表类似，首先需要确保安全电路断开，然后根据接线图和安装说明将电能表与电路正确连接。
安装完成后，恢复安全电路，确保电能表正常运行。
2. 参数设置智能电能表具备多种参数设置功能，可以根据具体需求进行灵活配置。
常见的参数设置包括时间、电价、数据采集间隔等。
通过按照说明书进行设置，可以根据实际情况进行灵活调整。
3. 数据读取智能电能表具备显示屏和通信接口，可以方便地读取电力数据。
通过按下显示屏上的相应按键，可以查看电流、电压、功率等实时数据。
同时，智能电能表还支持通过通信接口连接电力管理系统，实现数据远程读取和管理。
二、智能电能表的数据采集技巧1. 技术准备进行智能电能表数据采集之前，需要进行一些技术准备工作。
首先，需要确保采集设备与智能电能表之间的通信接口匹配，可以通过USB接口、以太网接口或其他通信方式进行连接。
其次，需要下载并安装相应的数据采集软件，以便进行数据读取和处理。
2. 数据读取采集智能电能表的数据时，可以通过数据采集软件进行读取。
在软件中，设置与智能电能表通信的相关参数，例如通信接口类型、通信端口号等。
然后，通过软件进行数据读取，可以获取到智能电能表传输的实时数据。
3. 数据处理与分析采集到的智能电能表数据可以进行进一步的处理和分析。
首先，可以将数据导入电力管理系统，进行数据存储和管理。
其次，可以利用数据处理软件进行数据分析，例如绘制曲线图、计算能耗等。
通过对数据的分析，可以更好地了解电力系统的运行情况，为电力管理提供参考依据。
4. 数据安全与隐私保护在进行智能电能表数据采集时，需要注意保护数据的安全性和隐私性。
基于单片机的数字电能表设计
基于单片机的数字电能表设计数字电能表是测量电能并传递数据的电气装置。
它们通常采用单片机芯片来实现计算，并将其存储在内存中。
本文将介绍单片机数字电能表的设计方案。
1. 系统结构设计数字电能表的系统结构包括传感器、信号处理电路、单片机芯片、数字显示部分和通讯接口。
传感器用于测量电压、电流等信号并将其转换为电信号。
信号处理电路将采集到的模拟信号转换为数字信号并进行滤波和放大处理。
单片机芯片负责处理信号并实现计算，测量功率、电能、电量等。
数字显示部分将计算结果以数字形式展示出来。
通讯接口用于与计算机、集中抄表系统等外部设备进行数据通讯。
2. 系统功能设计数字电能表的主要功能包括：测量电量、功率、电流、电压等参数；统计电量、功率等负荷分布；完成智能电网的控制和管理；提供数据采集和远程通讯功能等。
3. 硬件设计3.1 传感器设计传感器主要包括电压、电流互感器以及电能表表芯等，其中电压互感器和电流互感器将采集到的电信号转换为电压信号和电流信号，电能表表芯则用于计量电能。
应选择准确可靠的传感器，以保证数字电能表的精度和稳定性。
3.2 信号处理电路设计信号处理电路主要完成信号转换、滤波和放大作用。
转换模拟信号为数字信号是数字电能表工作的前置条件。
采用滤波技术可有效降噪，提高系统稳定性。
应选择具有较高增益、较低噪声、抗干扰能力强的运放等器件。
3.3 单片机设计单片机芯片是数字电能表的核心部分。
MCU通常采用单片机，具有高精度、运算速度快、易于编程、易于扩展等优势。
应根据用户需求选择不同类型的MCU，如8位单片机、16位单片机等。
3.4 数字显示部分设计数字显示部分是数字电能表中的另一个重要组成部分。
可通过数码管、液晶显示屏、LED显示等形式直观地显示电能、功率、电压等参数。
应选择可靠、耐用、能够满足用户需求的显示器件。
3.5 通讯接口设计通信接口可采用RS485通讯、光纤通讯、以太网通讯等形式。
RS485通讯是数字电能表中应用最广泛的通信方式，稳定性好、通讯距离远。
电能表中通讯接口电路的设计以及实现
电能表中通讯接口电路的设计以及实现随着电力和电子产业的蓬勃发展,及用户和电力公司对电能表的要求愈来愈高,电能表作为用户和电力公司交易平台,其作用至关重要。
电能表作为衡量电能的计量仪器,其技术性要求很高,既要求精确、更要求稳定,并保证长期可靠运行,并且随着我国电力市场的逐步建立和完善,电力系统越来越复杂,作为电力系统重要组成部分的电能表受到了越来越多的关注。
为了满足各方面的需求,电能表设计也朝着复费率、精确计量、智能化和网络化的方向发展,在工业用户的电力系统中,电能表从性能上还要满足恶劣的工作环境,电压高、电流大、负荷重等条件。
但我国早先普遍使用的感应式电表存在精度差、功耗大、受谐波影响大等问题,在用电计费上给国家带来了很大的损失。
随着电子技术发展和现代电力应用,电能表专用计量芯片如ATT7022B、ATT7022C也随即而出,从某种程度上提高了电能计量精度,简化了电度表设计结构,功能上也得到了更多的扩展[1]。
但是为了提高电力管理部门工作效率,实现远程控制、自动抄表等,那么高精度智能电能表才是今后市场的迫切所需。
本系统采用专用计量芯片来检测电信号,配以微控制器(MCU)编程实现多种功能。
检测部分由精密电流互感器、电压互感器和外围处理电路组成,从而得到电流、电压、频率、相位等电网的实时参数,经计量芯片ATT7022B处理,并使用FPGA实现其通信,将计量得到各种电网参数进行处理和相应的存储,最后通过液晶显示屏显示或通过通信模块(RS-485或红外)进行远程通信和红外抄表。
1.SPI通信接口本论文设计的SPI接口电路连接可以参考图1,ATT7022B的SPI 通信格式是相同的,8位地址,24位数据,MSB在前,LSB在后。
CS为片选,允许访问串口的控制线,CS由高电平变为低电平是表示SPI操作开始,CS由低电平变为高电平时表示SPI操作结束,所以每次操作SPI 时CS必须出现下降沿,CS出现上升沿时表示SPI操作结束;DIN为串行数据输入,用于把用户的数据(如数据/命令/地址等)传输到ATT7022B;DOUT为串行数据输出,用于从ATT7022B寄存器读出数据;SCLK为串行时钟,控制数据移出或移入时串行口的传输率,上升沿放数据,下降沿取数据。
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电能表中通讯接口电路的设计以及实现
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随着电力和电子产业的蓬勃发展,及用户和电力公司对电能表的要求愈来愈高,电能表作为用户和电力公司交易平台,其作用至关重要。
电能表作为衡量电能的计量仪器,其技术性要求很高,既要求精确、更要求稳定,并保证长期可靠运行,并且随着我国电力市场的逐步建立和完善,电力系统越来越复杂,作为电力系统重要组成部分的电能表受到了越来越多的关注。
为了满足各方面的需求,电能表设计也朝着复费率、精确计量、智能化和网络化的方向发展,在工业用户的电力系统中,电能表从性能上还要满足恶劣的工作环境,电压高、电流大、负荷重等条件。
但我国早先普遍使用的感应式电表存在精度差、功耗大、受谐波影响大等问题,在用电计费上给国家带来了很大的损失。
随着电子技术发展和现代电力应用,电能表专用计量芯片如ATT7022B、A TT7022C也随即而出,从某种程度上提高了电能计量精度,简化了电度表设计结构,功能上也得到了更多的扩展。
但是为了提高电力管理部门工作效率,实现远程控制、自动抄表等,那么高精度智能电能表才是今后市场的迫切所需。
本系统采用专用计量芯片来检测电信号,配以微控制器(MCU)编程实现多种功能。
检测部分由精密电流互感器、电压互感器和外围处理电路组成,从而得到电流、电压、频率、相位等电网的实时参数,经计量芯片ATT7022B处理,并使用FPGA实现其通信,将计量得到各种电网参数进行处理和相应的存储,最后通过液晶显示屏显示或通过通信模块(RS-485或红外)进行远程通信和红外抄表。
1.SPI通信接口
本论文设计的SPI接口电路连接可以参考图1,ATT7022B的SPI通信格式是相同的,8位地址,24位数据,MSB在前,LSB在后。
CS为片选,允许访问串口的控制线,CS由高电平变为低电平是表示SPI操作开始,CS由低电平变为高电平时表示SPI操作结束,所以每次操作SPI 时CS必须出现下降沿,CS出现上升沿时表示SPI操作结束;DIN为串行数据输入,用于把用户的数据(如数据/命令/地址等)传输到ATT7022B;DOUT为串行数据输出,用于从ATT7022B寄存器读出数据;SCLK为串行时钟,控制数据移出或移入时串行口的传输率,上升沿放数据,下降沿取数据。
SCLK下降沿时将DIN上的数据采样到ATT7022B中,SCLK上升沿时将ATT7022B的数据放置于DOUT上输出。
SPI读操作时序图如图2。
ATT7022B的计量参数以及校表参数寄存器是通过SPI
提供给外部FPGA来进行处理。
其命令格式为
7 6 5 4 3 2 1 0
Bit7:0表示读命令,用于读取A TT70
22B的计量及校表寄存器。
Bit7:1表示写命令,用于更新校表数据。
Bit6…0:表示数据地址,可参考数据输出寄存器。
SPI读工作过程中,通过SPI写入一个8Bits的命令字之后,需要一个等待时间,然后才能通过SPI读取24Bits的数据。
在SCLK低于200kHz时,可以不需要等待;当SCLK频率高于200kHz时,则需要等待大约3us。
SPI写操作时序图如图3。
外部处理器可通过SPI对ATT7022B的校表寄存器进行写操作。
其命令格式为
7 6 5 4 3 2 1 0
Bit7/6:1 0表示写命令,用于更新校表数据寄存器。
 
/h1
; Bit7/6:1 1表示写入特殊命令字。
Bit7: 0表示读命令,用于外部处理器读取ATT7022B的计量数据。
Bit5…0:表示数据地址,可参考校表寄存器。
SPI写工作过程中,通过SPI写入一个8Bits的命令字之后,不需要一个等待时间,
继续通过SPI写入24Bits的数据即可。
2.实验及其结果
校表是对各相电流增益、电压增益、功率增益、相位进行补偿,功率增益不要分段。
相位校正可根据精度要求,考虑分段或不分段进行。
分段是按电流的大小来分,对相位校正,最多可分五段进行。
A TT7022B做软件校表时,一般来说电压、电流校正,启动电流设置,断相阈值电压设置,均没有顺序上的要求,但在进行功率增益校正时,应先设置合相能量累加模式(这个步骤也可省去,直接使用缺省值)、电压通道ADC增益和高频输出参数,这是功率校正的条件,而后先作功率增益校正,再进行相位校正,相位校正是在完成功率增益校正后进行的。
所有校正都是在相应的校表寄存器参数为零的条件下进行的。
电能表主要功能是计量有功无功电量,对其精度的测试是判断产品是否满足设计要求首要条件,常用的测试方法是用精度更高的表(称作标准表)做参考,观察其与标准表的误差有多大,并把误差大小作为判断其合格与否的重要参数,图 4 为误差测试图,该实验主要是对有
功、无功、电压、电流、频率等参数进行测试。
这些数据都通过SPI通讯接口传输出来。
所以只要能正确获得相关参数数据,那么就能验证SPI设计的正确性。
精密电源台提供电压、电流分别给电能表与精度为万分之五(0.05级)的标准表,通过标准表可测试有功、无功功率的误差。
通过电能表LCD显示器可读取电压、电流、频率值,并与电源显示的标准值进行比较,计算出误差。
对电压、电流、频率的测试过程是:读取电源台显示的电压、电流、频率值,同时通过LCD读取电能表显示的电压、电流、频率值,将测试的数据计算出相对误差与绝对误差。
因以前没有电能表显示电压电流值的国家标准,根据1级表的概念,电压、频率的相对误差应小于1%,由于电流属于电能中变化范围非常宽的参数,对其小信号的判断不能按上述办法,根据经验,电流的绝对误差应小于0.1安培。
表1记录了电压的测试结果,按照上述判断依据,电能表显示的电压值满足标准要求。
而且也表明本文所设计的SPI工作稳定可靠。
3.结论
本文提出在电能表设计中使用FPGA实现电能表内部数据显示在外部显示其的方法,通过整机调试实验证明,该方法可行并且实用。
本论文为进一步使用FPGA替代MCU来实现电能表的功能控制及通讯控制做了开拓性的研究,为进一步实现更高速的电能表的控制系统研究另辟了一条研究方向。