【自動化】智能ic電表的設(shè)計1

武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）智能IC電表的設(shè)計學(xué)院（系）自動化學(xué)院專業(yè)班級電氣1105班學(xué)生姓名肖廈穎指導(dǎo)教師黃亮學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨立進行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包括任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。作者簽名年月日學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保障、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向有關(guān)學(xué)位論文管理部門或機構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)省級優(yōu)秀學(xué)士論文評選機構(gòu)將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。本學(xué)位論文屬于1、保密囗，在年解密后適用本授權(quán)書2、不保密囗。作者簽名年月日導(dǎo)師簽名年月日摘要智能電網(wǎng)建立在高速雙向通訊網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，通過先進的傳感測量技術(shù)，實時將采集到用戶用電情況反饋回網(wǎng)絡(luò)，緊密的供需聯(lián)系使智能電網(wǎng)能及時應(yīng)對電網(wǎng)出現(xiàn)的種種問題，使電網(wǎng)更加安全可靠、經(jīng)濟高效地運行。智能電網(wǎng)的卓越性能推動世界各國紛紛開始大刀闊斧地進行電力市場的改革創(chuàng)新。最早使用的電表是機械式電表，通過磁場對轉(zhuǎn)盤產(chǎn)生的力矩轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)盤計費，這種電表弊端極多，磁場很容易受到外界環(huán)境的干擾，導(dǎo)致電能計量不精確，靈敏度和穩(wěn)定性很差。其后興起的電子式電能表拋棄了早先的機械式計量方式，利用集成電路進行數(shù)據(jù)處理，很大程度上提高了計量的精度，同時大大減小了電能表的體積。隨著近年來電子技術(shù)的飛速發(fā)展，電路集成化程度更高，出現(xiàn)了單片機、DSP、ARM等微處理器，人們將這些智能化集成芯片應(yīng)用于電表中，使更多拓展功能得以實現(xiàn)。本文設(shè)計了一款具有功率檢測、顯示功能，并能讀取IC卡信息，能對電量進行管理的智能電表。本設(shè)計以DSP微處理器作為核心，將采樣得到的電參量進行實時分析，可存儲測量結(jié)果，并通過網(wǎng)絡(luò)將結(jié)果反饋給上位機，有顯示和簡單的操作功能，實現(xiàn)了人機交互。本文首先介紹了基于傅里葉變換的諧波電能計量的理論基礎(chǔ)，包括了對于周期信號的傅立葉級數(shù)分解公式、DFT的概念和FFT算法的基本原理，以及考慮諧波存在情況下的功率計算方法；然后介紹了系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計，包括對前置電路、A/D采樣電路、DSP數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，以及輸入輸出系統(tǒng)和IC卡讀寫模塊的設(shè)計，講述了元器件的選型理由和每個模塊的硬件連接電路；最后介紹了系統(tǒng)的軟件設(shè)計，利用模塊化設(shè)計結(jié)構(gòu)，分為DSP主程序、AD采樣子程序、按鍵子程序、主循環(huán)流程幾個部分說明，其中給出了FFT程序設(shè)計依據(jù)，即利用DSP浮點庫，直接調(diào)用FFT算法，簡單方便地實現(xiàn)了RFFT（快速FFT變換）。關(guān)鍵詞智能電表；FFT；AD轉(zhuǎn)換；DSPABSTRACTTHESMARTGRIDISBASEDONTHEHIGHSPEEDBIDIRECTIONALCOMMUNICATIONNETWORK,ANDFEEDBACKSTHEELECTRICITYCONSUMPTIONOFUSERSWHICHHASBEENCOLLECTEDTOTHENETWORKINREALTIMETHROUGHADVANCEDSENSORMEASUREMENTTECHNOLOGYTHEINTIMATECONNECTIONBETWEENSUPPLYANDDEMANDMAKESITPOSSIBLEFORTHESMARTGRIDTOHANDLESORTSOFPROBLEMSINTIME,WHICHHELPSTOACHIEVEGRIDSSECURITY,RELIABILITY,ECONOMYANDEFFICIENCYHIGHPERFORMANCEOFSMARTGRIDPUSHESCOUNTRIESAROUNDTHEWORLDTOINITIATEDRASTICTHEREFORMANDINNOVATIONOFTHEELECTRICITYMARKETTHEEARLIESTELECTRICMETERISTHEMECHANICALMETER,WHICHMEASURESELECTRICITYBYROTATINGTHEDIALVIAATORQUEGENERATEDBYTHEMAGNETICFIELDTHEREARESOMANYDISADVANTAGESINTHISWAYFOREXAMPLE,THEMAGNETICFIELDISSOSUSCEPTIBLETOTHEINTERFERENCEFROMEXTERNALENVIRONMENTTHATTHEMEASUREMENTISNOTTHATACCURATEANDTHESENSITIVITYANDSTABILITYISPOORTHENTHEELECTRONICELECTRICMETERWASINVENTED,WHICHABANDONEDTHEEARLIERMECHANICALMEASUREMENTMETHODTHEELECTRONICMETERUSESANINTEGRATEDCIRCUITFORDATAPROCESSINGITGREATLYIMPROVEDTHEACCURACYOFMEASUREMENT,ANDGREATLYREDUCEDTHEVOLUMEOFMETERSWITHTHERAPIDDEVELOPMENTOFELECTRONICTECHNOLOGYRECENTLY,THEINTEGRATEDCIRCUITISBETTER,ANDTHEMICROCONTROLLERMCU,DSP,ARMANDOTHERMICROPROCESSORSHASAPPEAREDTHEYAREAPPLIEDTOTHEMETERASINTELLIGENTINTEGRATEDCHIPANDMAKETHEELECTRICMETERACHIEVEMOREFUNCTIONSTHISPAPERDESIGNEDASMARTELECTRICMETER,WHICHCANDETECTPOWER,DISPLAY,READTHEICCARDINFORMATION,ANDBEABLETOMANAGETHEELECTRICPOWERTHISDESIGNUSESDSPASTHECPUOFTHESYSTEMITCANANALYSISELECTRICALPARAMETERSTHATHAVEBEENCOLLECTEDINREALTIMEANDSTORETHEMEASUREMENTRESULTS,ANDTHENFEEDBACKTHESERESULTSTOTHEUPPERCOMPUTERTHROUGHTHENETWORKITCANALSODISPLAYTHERESULTSANDALLOWSDOINGSOMESIMPLEOPERATIONTOACHIEVETHEHUMANCOMPUTERINTERACTIONFIRSTLY,THISPAPERINTRODUCESTHETHEORETICALBASISOFTHEHARMONICENERGYMETERINGBASEDONTHEFOURIERTRANSFORM,INCLUDINGDECOMPOSITIONFORMULAOFFOURIERSERIESFORAPERIODICSIGNAL,THEBASICPRINCIPLEOFTHECONCEPTOFDFTANDFFTALGORITHM,THEPOWERCALCULATIONMETHODINCASEWHERETHEREISSOMEHARMONICTHENTHISPAPERINTRODUCESTHEDESIGNOFHARDWARECIRCUIT,INCLUDINGTHEPRECIRCUIT,A/DSAMPLINGCIRCUIT,DSPDATAPROCESSINGSYSTEMS,THEINPUT/OUTPUTSYSTEMANDICCARDREADERMODULEDESIGNITMAINLYTELLSTHESELECTINGREASONSOFHARDWARECOMPONENTSANDDESCRIBESTHESECONNECTIONCIRCUITSOFEACHMODULEFINALLY,THISPAPERINTRODUCESTHEDESIGNOFTHESOFTWARE,ITCANBEDIVIDEDINTOFOURPARTSTOEXPLAINWITHAMODULARDESIGNSTRUCTURETHEMAINPROGRAM,ADSAMPLINGSUBROUTINE,KEYSUBROUTINE,THEMAINLOOPFLOWAMONGTHESEPARTS,ITSPECIALLYEXPLAINSTHEDESIGNFOUNDATIONOFFFTPROGRAM,WHICHUSESTHEFLOATINGPOINTUNITOFDSPANDCALLSTHEFFTALGORITHMDIRECTLY,MAKINGITEASYTOACHIEVETHERFFTKEYWORDSSMARTELECTRICMETERS；FFT；A/DCONVERSION；DSP第1章緒論11課題的研究背景最早使用的電表是機械式電表，通過磁場對轉(zhuǎn)盤產(chǎn)生的力矩轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)盤計費，電流大小改變磁場大小，從而改變力矩及旋轉(zhuǎn)速度，起到計量電費的作用。這種電表弊端極多，磁場很容易受到外界環(huán)境的干擾，導(dǎo)致電量計量不精確，靈敏度和穩(wěn)定性很差。其后興起主流使用的電能表是電子式電表，電子式電表拋棄了早先的機械式計量方式，而是采取利用集成電路進行數(shù)據(jù)處理的方式，對電能進行計量，大大減小了電能表的體積，很大程度上提高了計量的精度。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電路集成化程度更高，單片機、DSP、ARM等微處理器也在快速發(fā)展，人們將這些智能化芯片應(yīng)用于電表中，實現(xiàn)了更多的拓展化功能，隨之涌現(xiàn)出了許多功能更強的智能電表，例如分時計費電表、異地抄表電表、智能IC卡智能電表等。12本論文研究方向作為智能電網(wǎng)的用戶終端，智能電表也隨之迅猛發(fā)展。世界各國都在積極發(fā)展智能電網(wǎng)的建設(shè)，網(wǎng)絡(luò)化管理的興起，直接導(dǎo)致了智能電表普及率激增，據(jù)調(diào)查研究統(tǒng)計，智能電表將在2020年突破2億只的使用量。我國也緊跟世界形勢，積極推進智能電網(wǎng)的建設(shè)。隨著不斷地改進，電表也從傳統(tǒng)的機械式電表、人工抄表模式，逐漸變化到如今常見的電子式電表。然而這依然不能滿足國際上對智能電表的定義，除了能像傳統(tǒng)電電表能計量電量之外，智能電表還應(yīng)具有如預(yù)付費等支持用戶控制的功能，不僅計量保證精確，還要能實現(xiàn)防竊電漏電等智能化功能。所以本文在基本的電子式電能表的基礎(chǔ)上，設(shè)計一款具有功率檢測、顯示功能，并能讀取IC卡信息的電能表，以005精度級精準地進行計量，并且可以管理用戶使用的電量。第2章總體設(shè)計方案21系統(tǒng)設(shè)計思路目前國內(nèi)市場通用的電表多使用單微處理器結(jié)構(gòu)，利用單片機或者DSP就可以完成數(shù)據(jù)處理、顯示通訊等功能。還有小部分電表采用雙CPU結(jié)構(gòu)，即DSP加MCU的結(jié)構(gòu)，DSP具有高速運算的能力從而被用來進行高速的數(shù)據(jù)處理，而MCU將數(shù)據(jù)處理的結(jié)果再處理，即負責(zé)系統(tǒng)調(diào)控、顯示，連接上位機等功能。但這種構(gòu)造的測量儀器結(jié)構(gòu)復(fù)雜且成本很高。隨著DSP的快速發(fā)展，其運行速度和引腳數(shù)量越來越多，內(nèi)部存儲空間和集成的外部設(shè)備也越來越豐富。它已經(jīng)可以代替MCU實現(xiàn)許多的拓展功能，而且DSP在數(shù)字信號處理的運算速度上明顯優(yōu)于MCU，本文是針對智能電表的設(shè)計，由于智能電表所需的相關(guān)功能由單獨的DSP已經(jīng)可以很好地實現(xiàn)，故而并不需要采用雙CPU的結(jié)構(gòu)進行設(shè)計。22總體設(shè)計框圖本次設(shè)計中要求智能電表要能夠?qū)崟r準確計量單相用戶消耗的電能，能夠顯示當(dāng)前時刻的電壓和電流大小。其次，電表所測得的功率和消耗的電能數(shù)據(jù)能夠通過無線通信傳到上位機。最后，電表具有預(yù)付費功能，能夠通過讀寫IC卡實現(xiàn)計費功能。系統(tǒng)的總體設(shè)計框圖如圖21所示，配電網(wǎng)電壓電流信號屬于強電信號，數(shù)字電路不能直接對其處理，且信號中含有豐富的諧波成分，在對信號采樣前需要進行信號調(diào)理。前置電路包括電壓互感器PT、電流互感器CT和放大、濾波電路。強電壓、電流信號通過電壓互感器和電流互感器即變?yōu)槿蹼娦盘?，互感器實現(xiàn)了一次側(cè)強電和二次側(cè)弱電信號的隔離，確保二次計量電路的安全。互感器輸出5V以內(nèi)的弱電壓信號，這一信號中還含有豐富的諧波成分，依據(jù)采樣定理，為了避免發(fā)生頻譜混疊，要求采樣頻率高于信號中最高頻率的兩倍。若直接用AD對互感器輸出信號進行采樣則采樣頻率會相當(dāng)高，給后續(xù)信號處理帶來麻煩。所以互感器輸出信號還需通過低通濾波和放大電路，濾除原信號中的高頻諧波和噪聲，調(diào)整信號幅值大小，便于AD采樣。調(diào)理后的信號通過16位高速AD（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，實現(xiàn)高速采樣，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)紻SP中，DSP最后對采樣得到的數(shù)據(jù)進行計算處理，這樣就得以精確實時地測量功率等重要電參量。DSP同時負責(zé)整個系統(tǒng)的控制管理，通過連接按鍵獲得用戶指令，通過LED數(shù)碼管顯示電參量，通過IC卡存儲電量消耗數(shù)據(jù)和計費信息，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)生功率和電量計量數(shù)據(jù)。PTCT放大器A/D轉(zhuǎn)換器DSP顯示濾波電路按鍵圖21系統(tǒng)總體框圖第3章電能表諧波電能計量的理論基礎(chǔ)精確計量用戶所用的電量是電表的主要功能，在智能電表的設(shè)計過程中要盡量提高電表的精度。然而電網(wǎng)諧波的存在使傳統(tǒng)的計量方法不能精確地反映用戶實際的用電量。諧波是疊加在基波上的正弦分量，其頻率是基波頻率的整數(shù)倍。要想準確計量電量，就要在設(shè)計中考慮到諧波對測量結(jié)果的影響，對電網(wǎng)采樣的數(shù)據(jù)進行諧波分析，使結(jié)果更加準確。法國工程師FOURIER在1822年提出一項重大理論即任意一個連續(xù)的周期函數(shù)XT都可以分解為無窮多個不同頻率正弦函數(shù)的和。這就是本設(shè)計諧波分析的理論基礎(chǔ)。把連續(xù)的時域信號轉(zhuǎn)換為頻域信號的方式稱作連續(xù)傅立葉變換，它是電力系統(tǒng)信號處理領(lǐng)域中一種重要分析方法。在實際的信號分析計算中，處理器難于對連續(xù)信號直接處理，通常需要對連續(xù)信號進行采樣，對所得離散信號進行分析，與連續(xù)傅立葉變換相對應(yīng)的分析方法是離散傅立葉變換（DFT）。由于離散傅立葉變換的計算量非常大，即使對長度較短的信號做離散傅立葉變換也需要完成相當(dāng)多的復(fù)數(shù)乘加運算，這大大限制的離散傅立葉變換的實時運用?？焖俑盗⑷~變換FFT的出現(xiàn)解決了這一問題，F(xiàn)FT并不是一種新的算法，而是快速計算離散傅立葉變換的一種方法，F(xiàn)FT的出現(xiàn)大大減小完成離散傅立葉變換所需的計算量和所需存儲空間，加快了離散傅立葉變換的運算速度，這一算法開啟了數(shù)字信號處理的新篇章，使得實時分析信號的頻率成分變成可能。目前多種DSP對乘加運算均有專門的硬件電路實現(xiàn)，可以在一個指令周期內(nèi)完成一次加法運算和一次乘法運算。通常可見的各種型號的DSP都提供了專門的快速傅立葉算法函數(shù)，這些函數(shù)充分利用硬件電路資源和快速傅立葉算法的特征，使得快速傅立葉算法在DSP上實現(xiàn)快速而準確，開發(fā)方便。本設(shè)計利用快速傅立葉算法分解電能信號，DSP接收到AD采集到的數(shù)據(jù)后，通過快速傅立葉變換，可以得到基波和各次諧波的電量參數(shù)，然后再計算功率和電能。31傅立葉變換原理電力系統(tǒng)的電壓、電流等非正弦周期信號可用以時間T變量的周期函數(shù)表示如下（31）FTFTKT式中T表示周期,單位為秒。該周期函數(shù)變化的頻率為，0,12TF/1角頻率為，令，該周期函數(shù)可以表示成為F/2T（32）RTFK式中為該周期函數(shù)的周期，以角度表示，單位RAD，。R2TR將周期函數(shù)用傅立葉級數(shù)進行分解,可以將原函數(shù)表示為基波和無數(shù)高FT次諧波之和，如下所示（33）1022110SINCOSISINSINNNTBTAATATTTF式中是直流分量，和分別是第N次諧波的余弦系數(shù)和正弦系數(shù)。（34）SINA（35）COB（36）2NNA（37）NBRCTG利用正弦函數(shù)的正交性，可得到（38）21100TDFDTFTA（39）COSCOS200TNTFTNTFN（310）I1I200TDTFTDTFTBN通常情況下，電力系統(tǒng)畸變波形幅值是連續(xù)的，沒有數(shù)學(xué)意義上的間斷點，滿足傅立葉級數(shù)存在的條件,因此都能按上述方法將波形分解,表示為基波和無數(shù)高次諧波之和1。32離散傅立葉變換DFT由于實際的信號都是連續(xù)的，數(shù)字信號處理器難于直接分析，所以一般先將它采樣做離散化再進行分析。離散傅里葉變換就可用來分析經(jīng)采樣離散化的模擬信號。時域下連續(xù)信號的頻譜可如下式表示（311）DTETXXJ將X（T）抽樣后得到X（NT），離散信號X（NT）的傅里葉變換可以表示為（312）10NNKNKW其中，被稱為蝶形因子。公式（312）計算了0,1KJE/2N點的離散傅立葉變換。計算X（K）約需次復(fù)數(shù)加法和次復(fù)數(shù)乘法。當(dāng)22NN較大時，這個計算量相當(dāng)大，限制了離散傅立葉變換的運用。蝶形因子良NW好的對稱性和周期性可以用來加快運算的速度2，下面為對稱性和周期性的表達式對稱性2/NKKNW周期性33快速傅里葉變換（FFT）傅里葉變換的發(fā)現(xiàn)使得許多在時域下不易分析的復(fù)雜信號得到一種簡便的分析方法。復(fù)雜信號在頻域下往往展現(xiàn)出一些有價值的特征，但是在進行頻譜分析時，離散傅立葉變換的計算量太大，導(dǎo)致了運算不易實現(xiàn)。這之后直到1965年，COOLEY和TURKEY機器計算傅立葉級數(shù)的一種算法一文的發(fā)表，提出了基于離散傅里葉變換的新型算法，這種新型快速算法解決了之前的問題，大大減小了運算量，經(jīng)過后人多年的改進，進一步減小了計算量，更加適合于處理器運算，發(fā)展成為一套完善的、高效的計算方法，被稱作快速傅里葉變換?？焖俑盗⑷~變換是近代數(shù)值計算最重要的成果之一，過去的數(shù)值處理、模擬研究等工作往往要等試驗結(jié)束后才能進行，而FFT可使這些工作得以實時完成。它將以往要事后進行的數(shù)據(jù)處理和系統(tǒng)模擬研究等工作進入到實時處理狀態(tài)，打開了數(shù)字信號處理應(yīng)用上的新局面?？焖俑盗⑷~變換的原理與離散傅里葉變換一樣，不同的是快速傅里葉變換大大減少了計算離散傅里葉變換所需的乘法和加法次數(shù)，使N點的DFT的運算量從數(shù)量級降為NN數(shù)量級，從而極大地提高了運算速度?？焖俑盗⑷~算法可分為兩大類即按頻率抽取DIF快速傅立葉算法和按時間抽取DIT快速傅立葉算法3。本設(shè)計選用較為常見的按時間抽取快速傅立葉算法。按時間抽取快速傅立葉算法是將輸入序列XN按N的奇偶分解為奇序列和偶序列4奇序列偶序列分別令N2R，N2R1，R0,1,2,N/21，可得（313）/21/212100/2/2RRNNKRKNRRRRRRXKWXW式中4/NN/2JJNE令（314）/21200,1/K，21RKNRAX，（315）/21/20,/W，NRKRB，N于是（316）KA0,1，/12KN，XB根據(jù)蝶形因子的對稱性，可以得到2/KN/2,/，N，N這樣X（K）就能用A（K）、B（K）完整地表示出來。當(dāng)N8時，A（K），B（K）及X（K）的關(guān)系如圖所示圖31N8時的FFT變換關(guān)系按照上述方法繼續(xù)分解，再分別令R2L，R211，L0,1,N/41，則A（K），B（K）又可分別表示為（317）/41/4122100/4/4WWNNLKLKNLLLLLLXXLL（318）/41/40KL，,1/NLKNLC（319）/41/40DL2，0,/41LKLX則（320）/2KC,N/KNAWD（321）/,0,1/44K同理，令（322）/41/40KL,K,N/NLNLEX（323）/41/40L3W,0,1/4LKLF那么（324）/2K，,/KNBF（325）/2KEWK，0,1N/44NBF若N8,這時CK,DK,EK,FK都是2點的DFT,不用繼續(xù)分解了,即（326）0X4,X5126F037,1CD當(dāng)N16,32,或2的更高次冪時，原序列的離散傅立葉變換均可按上述方法繼續(xù)細分下去，直到2點的離散傅立葉變換為止，可以方便地直接求出。蝶形運算如下圖所示X1KX2KX1KWNKX2KX1KWNKX2K圖32蝶形運算示意圖34諧波功率計算在考慮電網(wǎng)諧波的情況下,電壓與電流分別表示為（327）1SINKTNKKUU（328）1ITKKII式中，為第K次諧波電壓峰值和電流峰值。，為初相角。KUIK1有效值的計算電壓有效值的定義為（329）201TRAMUUDT直接將此公式離散化，用離散求和代替積分，可得（330）2S1MRAMUU式中M表示每周期電壓信號的采樣的點數(shù)，通常為2的冪。電流I的有效值定義類似，表示如下（331）2S1IMRAMI2單相有功功率的計算有功功率一般是指平均有功功率，其定義為（332）0UIDTTPT36仿真分析為驗證本章前面幾節(jié)所提出的算法，本節(jié)將用SIMULINK和MATLAB聯(lián)合仿真驗證智能電表的工作原理。整體的思路為在SIMULINK中模擬諧波電壓并施加到感性R和L串聯(lián)負載的兩端，測出負載兩端的電壓和電流，輸入到MATLAB的工作空間中。在MATLAB中對SIMULINK產(chǎn)生的電壓和電流信號進行快速傅立葉變換，再求得各次諧波功率之和。SIMULINK中的仿真模型如圖33所示，通過諧波電壓生成函數(shù)US，產(chǎn)生含有13次諧波的諧波電壓源，加到RL負載兩端，再用電壓表、電流表、示波器，得到電壓、電流的波形。US函數(shù)設(shè)置基波幅值為220V，初相角為0，第3,5,7,9,11,13次諧波的幅值分別為20V，10V，18V，17V，19V，18V；初相角分別為1/6，1/5，1/6，1/4，1/5，1/7。負載為20和10MH電感的串聯(lián)阻抗。圖33諧波電壓帶負載仿真模型示波器顯示的電壓、電流波形如圖34,35所示。圖34電壓波形圖圖35電流波形圖仿真中，為了得到較高的計算精度，且便于后續(xù)數(shù)據(jù)處理，設(shè)定了一較小的仿真步長，一周期取512個采樣點計算，然而本設(shè)計預(yù)設(shè)每周期進行64點FFT變換，所以需要在每八個點中只取一個點，對512點信號抽樣后變?yōu)?4點，再做FFT變換，作出輸出FFT變換所得的電壓、電流頻譜，如圖36和圖37所示。圖36電壓頻譜圖圖37電流頻譜圖由電壓和電流的傅立葉變換結(jié)果，算出電壓和電流相位，再算得各次諧波電壓和電流的相位差。電流幅值、電壓幅值和相位差的余弦值之積再求和即為功率值。最后求得各次諧波功率P約為603313W。35本章小結(jié)本章主要內(nèi)容是基于傅里葉變換的諧波電能計量的理論基礎(chǔ)。包括了對于連續(xù)周期信號的傅立葉級數(shù)分解公式、離散傅立葉變換的概念和快速傅立葉算法的基本原理與按時間抽取快速傅立葉算法的實現(xiàn)，最后介紹了考慮諧波存在情況下的功率計算方法，并給出了仿真分析。第4章系統(tǒng)硬件設(shè)計41硬件系統(tǒng)總體方案設(shè)計系統(tǒng)硬件設(shè)計分為前置電路、A/D采樣電路、DSP數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、輸入輸出系統(tǒng)（按鍵模塊、顯示模塊和通訊模塊）及IC卡讀取模塊這五大部分。MAX72198個8位共陰極LEDDIG07AG,DPDSPTMS320F28335UI前置電路KUKI按鍵模塊A/D轉(zhuǎn)換器SLE4442IC卡讀寫模塊顯示模塊SIM300C圖41系統(tǒng)總體設(shè)計圖本設(shè)計的數(shù)據(jù)處理核心為FFT算法，可以選用MSP430系列單片機或者DSP芯片。前文已經(jīng)提到，本設(shè)計對精度要求較高，對每周波進行64次采樣。普通單片機的計算能力較差，尤其是對諧波分析時，需要進行快速的乘法和加法計算，然而普通單片機運算速度較慢，達不到本設(shè)計數(shù)據(jù)處理對實時性的較高要求；對于MSP430系列單片機，雖然能完成FFT算法，但由表41可知，MSP430做一次64點FFT浮點數(shù)運算的時間在108MS，而本設(shè)計要求一個周期（即20MS）內(nèi)完成對電壓、電流信號的兩次64點FFT運算，所以使用MSP430單片機依舊達不到本設(shè)計對計算速率的要求。表41單周波打點數(shù)與時間對應(yīng)表算法N64N128N256N512N1024MSP430擴展C16位整型09MS21MS47MS89MS229MS標(biāo)準ANSIC32位浮點型108MS257MS597MS1354MS3042MS而DSP芯片具有高速信號處理的能力，能有效實現(xiàn)復(fù)雜、先進的算法，尤其是DSP具有輕松實現(xiàn)FFT算法的優(yōu)點，而且速度快精度高，故而本文采用DSP進行數(shù)據(jù)處理，完成數(shù)據(jù)的計算以及程序控制等工作，系統(tǒng)運算速度也得以大幅提高。DSP同時可以完成系統(tǒng)控制功能，將計算得到的數(shù)據(jù)二次處理，實現(xiàn)指令的鍵入，數(shù)據(jù)的儲存與顯示。下面將分別對各部分進行器件的選取及設(shè)計說明。42前置電路前置電路指輸入A/D轉(zhuǎn)換器之前的信號處理電路，包括了電壓互感器（PT），電流互感器（CT）和放大器。由于數(shù)值較大，從電網(wǎng)采集的電壓和電流信號并不能直接輸入到模數(shù)轉(zhuǎn)換器中，所以本設(shè)計先通過前置電路將其從大電壓、大電流轉(zhuǎn)換為適合A/D轉(zhuǎn)換器輸入的小電壓、小電流信號,為后續(xù)輸入模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊中進行處理做好準備。421互感器的選取與設(shè)計如果采用傳統(tǒng)的電磁式電流互感器進行電流轉(zhuǎn)換，則需要在互感器二次側(cè)接入小電阻將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號輸出，會產(chǎn)生會影響一次側(cè)電壓，而且二次消耗功率，造成發(fā)熱問題，影響測量精度，所以本設(shè)計中的電流轉(zhuǎn)換功能通過霍爾電流傳感器來實現(xiàn)，霍爾電流傳感器可將輸入電流信號直接轉(zhuǎn)換為電壓信號輸出，實現(xiàn)電流的非接觸測量。由于本設(shè)計的輸入電流取自電網(wǎng)，若家庭電功率為7KW，電壓有效值為220V，那么電流有效值大概為30A，所以選用南京托肯電子生產(chǎn)的型號為TBC50SY的霍爾電流傳感器，其參數(shù)見表42。本設(shè)計選用山東力創(chuàng)公司型號為LCTV3JCF的電壓互感器，因其機械性能好，、耐環(huán)境溫度范圍較大，電壓隔離能力強，安全可靠，且性價比高。表42霍爾電流傳感器TBC50SY相關(guān)參數(shù)產(chǎn)品型號TBC50SY額定輸入電流3050A測量電流范圍90150A匝比1300013125內(nèi)接測量電阻400250額定輸出電壓405V電源電壓155V靜態(tài)功耗電流15MA零電流失調(diào)20MV失調(diào)電壓漂移05MV/線性度01FS響應(yīng)時間1S絕緣電壓50KV工作溫度4085儲存溫度40125表43電壓互感器相關(guān)參數(shù)產(chǎn)品型號額定輸入電壓額定輸出電壓誤差線性度線性范圍隔離耐壓LCTV3JCF220VAC05VAC01L12倍額定2500V422放大器和濾波電路的選取與設(shè)計在信號沒有受到干擾等理想情況下的時候，常采用通用運算放大器對微弱的信號進行放大，然而實際的傳感器工作環(huán)境往往引起其兩條輸出線上產(chǎn)生較大的干擾信號，有時是共模干擾5。而在智能檢測系統(tǒng)中，往往對精確度要求較高，需要將傳感器輸出的電信號按所設(shè)倍數(shù)精確放大，而這些信號通常是差值信號，只有放大電路具有高的輸入阻抗，有較大的共模抑制比，才能滿足實際要求6。本設(shè)計選用AD813X作為放大器。AD813X不同于常規(guī)的運算放大器，它多一個輸入端和一個輸出端，并且有兩個反饋回路（常規(guī)運放只有一個反饋回路）。這種結(jié)構(gòu)特點使更多新型電路的設(shè)計成為可能，同時仍然可以利用運算放大器的基本原理（“虛短”和“虛斷”）來分析其放大倍數(shù)等工作參數(shù)7。AD813X基本電路結(jié)構(gòu)如圖42所示。AD813XININRG1RG2DINDINVOCMOUTOUTRF2RL,DMVOUT,DMRF1圖42AD813X基本電路結(jié)構(gòu)圖AD813X共有7個有用引腳，另一個引腳NC為無用引腳。其中，IN、IN分別是正輸入、負輸入；OUT、OUT分別是正輸出和負輸出，這里要注意，OUT和DIN反相；V和V分別為正電源電壓和負電源電壓；VOCM引腳的電壓以11的比例設(shè)定共模輸出電壓，例如此引腳電壓為1V，那么OUT和OUT的直流偏置電平就是1V。假設(shè)兩個反饋回路的反饋系數(shù)分別為1、2，那么根據(jù)運算放大器的典型假設(shè)可以得到1122/GFR由此又可得打適用于任何1和2值的單端轉(zhuǎn)差分增益方程1/當(dāng)設(shè)定的時候，增益方程可以化簡為。12/FGFGRR/FGR常用的濾波器有巴特沃茲（BUTTERWORTH）濾波器、切比雪夫濾波器、貝塞爾（BESSEL）濾波器等幾種8。巴特沃茲濾波器很好地平衡了衰減和相位相應(yīng)，通帶、阻帶都不存在紋波，但是其通、阻帶間的過渡較寬，瞬態(tài)特性一般。相同階數(shù)下，切比雪夫濾波器的過渡帶相對較窄，而其通帶紋波比較明顯。貝塞爾濾波器瞬態(tài)相應(yīng)更好，但是它的頻率相應(yīng)相對較差。綜合考慮本設(shè)計的各種要求，選擇切比雪夫濾波器來完成濾波功能。本設(shè)計取到的最高次諧波為第13次諧波，而根據(jù)采樣定理，采樣頻率應(yīng)不超過第32次諧波的頻率，所以要求將33次及以上的高次諧波完全濾去，要求濾波器必須有優(yōu)越的瞬態(tài)相應(yīng)，可以忽略一部分紋波帶來的影響，所以，切比雪夫濾波器相對之下最適合用于本設(shè)計。ACVIN4992492K100PF953215K33PFVOUT2K100PF953215K33PF549549200PF200PF圖43放大濾波電路如圖43是放大濾波電路的設(shè)計。由AD813X放大器和切比雪夫濾波原理結(jié)合而成，構(gòu)成一個有源濾波器。由圖該圖參考了ADI公司提供該款濾波器應(yīng)用設(shè)計資料。由前文介紹的該類放大器原理可知9，這個有源濾波器結(jié)構(gòu)在信號的輸入部分有兩個極點，在信號的輸出部分有一個極點，可以實現(xiàn)差分輸出，可在驅(qū)動差分輸入的A/D轉(zhuǎn)換器的時候起到抗混疊的作用。由前文的討論，利用圖43所示結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)一個三階切比雪夫濾波器，設(shè)計其截至頻率為16KHZ，由MATLAB濾波器設(shè)計工具求得該濾波器的三個極點分別為33512，1675687063，8706285I。由此求得濾波器的傳遞函數(shù)為235135179684KHSSS放大器的輸入端是一個多路反饋結(jié)構(gòu)，可較為方便的實現(xiàn)二階環(huán)節(jié)，其等效電路圖如下圖所示。而需要實現(xiàn)的傳遞函數(shù)為1132521211131413425由文獻14中所示參數(shù)的計算過程如下首先選定選定，求得中間變量543CPF，計算有052796871KF2512143438973085270734HPFNRKK實際中選擇VISHAY公司的HA系列電容器，HA10C01E容值43PF，HA10C01M容值82NF，D55342K07B電阻51K，D55342K07B電阻255K。在輸出部分實現(xiàn)一階環(huán)節(jié)，采用RC低通濾波結(jié)構(gòu)，傳遞函數(shù)為11參數(shù)計算如下。選定，則100120153661001091864實際中選擇VISHAY公司的D55342K07B18E2RS2電阻，阻值為182K。293D1051010A2電容100NF。在MATLAB中做出其BODE圖，可得頻率響應(yīng)如圖所示，可見該濾波其滿足設(shè)計要求，能夠濾掉高頻諧波，防止信號采樣造成頻譜混疊。43采樣電路A/D轉(zhuǎn)換作為采樣電路的核心，對本系統(tǒng)的各項性能指標(biāo)至關(guān)重要。電能表對數(shù)據(jù)采集的精度要求較高，如果精度不夠高，將會直接影響到采樣電路之后的數(shù)據(jù)處理部分的數(shù)據(jù)結(jié)果，導(dǎo)致結(jié)果出現(xiàn)較大偏差。431A/D轉(zhuǎn)換器的選?。?）A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)檢測系統(tǒng)的精度和其檢測范圍的大小決定了所需A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)。一般來講，其位數(shù)至少需要比總精度要求的最低分辨率高一位，且由這個位數(shù)對應(yīng)的最低分辨率應(yīng)不低于系統(tǒng)中其他模塊所能達到的最高精度。本設(shè)計要求的最小精度級為005，即005，一個N位A/D轉(zhuǎn)換器的精度為1/2N，12、14、16位A/D轉(zhuǎn)換器均可以滿足005精度級的要求，本設(shè)計選用16位A/D轉(zhuǎn)換器，因其比較常見，而且便于編程，同時，16位的高精度采樣有利于合理分配誤差來源。（2）A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率A/D的轉(zhuǎn)換速率主要由信號的最高頻率決定，滿足采樣定理，即在進行模擬/數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換過程中，當(dāng)采樣頻率大于最高頻率的2倍時FSMAX2FMAX，采樣得到的數(shù)字信號可以完整反映原信號包含的所有信息10，實際工程中一般還要求采樣頻率要達到被采樣信號最高頻率的510倍。假設(shè)所考慮的電網(wǎng)最高次諧波為第13次諧波，那么本設(shè)計選擇每周波采樣64個點，即采樣頻率大概是最高次諧波頻率5倍，基本滿足采樣定理和工程實際的要求。綜合以上分析，本文選用兩片ADI公司生產(chǎn)的AD7610作為模數(shù)轉(zhuǎn)換器，分別將電壓、電流信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸出，以實現(xiàn)對信號的處理和分析。AD7610是16位、速率為250KSPS、單通道、單極性/雙極性可編程輸入的A/D轉(zhuǎn)換器。其軟件可編程輸入范圍為5V，10V，符合前一環(huán)節(jié)放大器的輸出電壓范圍；轉(zhuǎn)換速率和信噪比高，滿足本設(shè)計測量要求；價格比四通道輸入的AD974等芯片相對較低，也滿足性價比高的設(shè)計需求。432AD7610介紹AD7610共有48個引腳，圖44為其引腳圖。圖44AD7610引腳圖（1）電源類模擬電源地引腳AGND（1,3,42腳），模擬電源引腳AVDD（2,44腳），輸入/輸出接口數(shù)字電源地OGND（6,7,17腳），輸入/輸出接口數(shù)字電源OVDD（18腳），數(shù)字電源DVDD（19腳）,數(shù)字電源地DGND（20腳），輸入范圍選擇TEN（30腳）和BIPOLAR（36腳）配合以選擇輸入電壓范圍，如表44所示。表44輸入范圍選擇輸入范圍BIPOLARTEN0V至5V低電平低電平0V至10V低電平高電平5V高電平低電平10V高電平高電平（2）輸入/輸出信號類模擬輸入地檢測IN（39腳），模擬輸入IN（40腳），并行16位輸出口D0D7（916腳）和D8D15（2128腳）。（3）控制信號類串行/并行選擇輸入SER/PAR（8腳），輸出繁忙BUSY（29腳），讀取數(shù)據(jù)/RD（31腳），片選/CS（32腳），關(guān)斷輸入PD（34腳）。44DSP數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)DSP是本設(shè)計數(shù)據(jù)處理的核心，通過DSP，可以完成數(shù)據(jù)采集、處理、計算、存儲等功能。同時，DSP控制前置電路中的A/D轉(zhuǎn)換器，使其配合數(shù)據(jù)處理的速率，高速有效地進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，一些可控接口電路也由DSP控制，協(xié)同DSP工作運轉(zhuǎn)。441DSP在電能計量中的應(yīng)用上文已經(jīng)提到，DSP由于其運算處理的快速性和精確性，而優(yōu)于普通單片機，作為精確測量儀表設(shè)計中的首選。作為電網(wǎng)不可或缺的元素之一的電能表，其計量精度更是關(guān)系到家家戶戶的使用者，只有電表的精度達到要求，才能保證用戶用電量的精確計量，保證供電方及時對用戶用電情況合理準確地進行分析，從而為廣大用戶提供更穩(wěn)定、更經(jīng)濟可靠的用電環(huán)境。普通的單片機囿于其計算能力的有限性，不能滿足電能表作為計量工具對精度的要求，目前，國內(nèi)已有智能電表生產(chǎn)商選用DSP作為核心測量芯片，以獲得電能計量精度的大幅提高，這也為后續(xù)電能表測量技術(shù)的發(fā)展開辟了新的領(lǐng)域11。本設(shè)計也沿用這一思路，以DSP作為數(shù)據(jù)處理的核心，完成相關(guān)功能。442DSP的選?。?）定點DSP。定點DSP只能完成對整數(shù)的運算，不能在較大動態(tài)范圍內(nèi)進行運算，而且在運算時要考慮到數(shù)值“溢出”的問題，給編程帶來許多麻煩，但其優(yōu)點在于運算簡單，功耗較小12。（2）浮點DSP與定點DSP相對比，浮點DSP不僅可以處理整數(shù)，也可以對浮點數(shù)進行運算，因為其允許尾數(shù)、階碼的數(shù)據(jù)格式，所以能提供很大的動態(tài)范圍，浮點DSP更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)也使其擁有實現(xiàn)更多功能的強大處理能力，但同時，長指令及寬的地址總線也給它帶來了相對較大的功率損耗13。因本設(shè)計對功耗要求不高而對數(shù)據(jù)精度要求較高，故選用浮點DSP。綜合比較眾多DSP的性能和國內(nèi)市場應(yīng)用率，本文選用美國德州儀器（TEXASINSTRUMENTS，TI）公司新推出的TMS320F28335作為數(shù)字信號處理器，TI公司是世界上最大的DSP供應(yīng)商，其市場份額遠遠領(lǐng)先于同行業(yè)的其他產(chǎn)家，在中國市場占有的市場份額也相當(dāng)大，選用該系列的DSP，除了其具有更優(yōu)的結(jié)構(gòu)功能、能實現(xiàn)設(shè)計要求的功能之外，還可以得到豐富的軟硬件材料支撐，對后續(xù)設(shè)計較有幫助。TMS320F28335是一款32位定點并包含單精度浮點運算單元（FPU）的DSP，片內(nèi)資源豐富，與原有的C2000系列DSP相比，TMS320F28335DSP增加了浮點運算內(nèi)核，在保持原有DSP芯片優(yōu)點的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了進行復(fù)雜浮點運算的功能，同時節(jié)省了程序代碼的執(zhí)行時間和存儲空間，具有成本低、功耗小、精度高、外設(shè)集成度高等優(yōu)點。443TMS320F28335簡介TMS320F28335在原有的32位定點架構(gòu)之上，多含一個32位單精度的TI浮點庫（FPU），這個高效的C/C引擎使用戶可以用高層次語言開發(fā)算術(shù)算法，可實現(xiàn)復(fù)雜的浮點運算，節(jié)省程序代碼執(zhí)行的時間和存儲空間。其3232位MAC64位處理能力使更高的數(shù)字分辨率問題得到有效解決。TMS320F28335的總線分為內(nèi)存總線和外設(shè)總線這兩種，在內(nèi)存、外設(shè)和CPU之間常用總線來進行數(shù)據(jù)移動。其多總線結(jié)構(gòu)（即通常所說的哈佛總線結(jié)構(gòu)）使得C28X能在一個單周期內(nèi)完成取一個指令，讀取并寫入一個數(shù)據(jù)值。TMS320F28335DSP具有150MHZ的高速處理能力，具備32位浮點處理單元（FPU），6個DMA通道，同時支持ADC、EMIF和MCBSP，能輸出多達18路的PWM，12位的16通道ADC?？傮w性能比上一代DSC提高了50，還能兼容定點C28X通用軟件，簡化了軟件開發(fā)，縮短了開發(fā)周期，降低了開發(fā)成本。（1）TMS320F28335主要特性操作速率為150MHZ。多總線（哈佛）結(jié)構(gòu)，可快速執(zhí)行中斷。40位的算術(shù)邏輯運算單元（ALU）。1616位乘法器，含浮點庫。功耗較低，33V工作電源。（2）主要引腳說明GPIO087通用輸入/輸出其中GPIO0GPIO63可任意與八個外部內(nèi)核中斷的其中一個相連。所有的GPIO引腳都可設(shè)置為“I/O/Z（I輸入，O輸出，Z高阻抗）”這三種狀態(tài)，內(nèi)部還有一個上拉電阻器，可選擇啟用或者禁用。其中，復(fù)位時GPIO0GPIO11引腳內(nèi)的上拉電阻器不啟用，而GPIO12GPIO87是啟用狀態(tài)。XD0XD31外部接口數(shù)據(jù)線路。444TMS320F28335與ADC接口電路設(shè)計本設(shè)計采用TI公司DSP器件TMS320F28335控制A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)采集，并將處理得到的數(shù)據(jù)進行再處理，管理輸入、輸出設(shè)備，使整個電表系統(tǒng)協(xié)調(diào)運行。模數(shù)轉(zhuǎn)換AD7610UI前置電路（220V）KUKI（4545V）IND0D15模數(shù)轉(zhuǎn)換AD7610IND0D15DSPTMS320F28335BUSYBUSY/CONVST/CS/CS（475475V）/CONVSTGPIO14XD0XD15GPIO15GPIO35GPIO16XD16XD31GPIO30圖45DSP與前置電路、ADC的接口電路裝置的硬件連接原理如圖4所示。DSP和AD的連接采用的是第6區(qū)域地址的外部接口功能，AD芯片工作在并行通信模式下，每次讀取一固定地址的數(shù)據(jù)，DSP的外部接口產(chǎn)生的信號時序直接將AD轉(zhuǎn)換結(jié)果取回。除數(shù)據(jù)傳輸之外，DSP通過GPIO35引腳用作片選信號使能AD芯片，GPIO15引腳作為控制采樣的時鐘信號，通過GPIO14、GPIO16引腳可查詢AD數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換是否完成。46輸入輸出系統(tǒng)DSP在完成數(shù)據(jù)處理功能之后，還要對這些數(shù)據(jù)結(jié)果進行二次處理，即控制輸入輸出設(shè)備，使用戶能輸入操作指令，也能直觀方便地看到系統(tǒng)的處理結(jié)果。DSP作為本系統(tǒng)的CPU，協(xié)調(diào)控制整個儀器系統(tǒng)的工作，使電表運行有序、穩(wěn)定，計算精確，操作起來簡單方便，顯示直觀，還可以在需要的時候根據(jù)功能拓展要求方便地實現(xiàn)其他功能。461顯示模塊設(shè)計本設(shè)計選用MAX7219芯片作為顯示電路的核心。MAX7219芯片結(jié)構(gòu)緊湊，該芯片實現(xiàn)了DSP與LED顯示芯片之間的接口，數(shù)據(jù)需要串行輸入，串行輸出，LED為傳統(tǒng)的7段式數(shù)碼管附加一個小數(shù)點，總共八位信號，共陰極作為驅(qū)動。它由條狀圖顯示，或由64個獨立的LED顯示。芯片上包含一個BCD碼解碼器、復(fù)用掃描電路、段與數(shù)字驅(qū)動器和用來存儲每一位數(shù)字的88位靜態(tài)RAM。而且它只需要利用一個外接電阻就能設(shè)置所有LED的段電流。方便使用的內(nèi)外性征保證MAX7219成為多種智能測量儀表的常選。（1）MAX7219芯片簡介1）MAX7219的性能特點10MHZ串行接口。獨立的LED段控制。150A低功耗關(guān)斷（數(shù)據(jù)保持），即當(dāng)芯片處于低功耗運行時，工作電流降為150A，相當(dāng)于關(guān)斷模式，而數(shù)據(jù)仍可以被保留下來。數(shù)字和模擬亮度控制，它能顯示18位的數(shù)字，可以全亮也能強迫消隱。上電時顯示消隱。驅(qū)動共陰極LED顯示屏。24引腳DIP和SO封裝。2）MAX7219引腳MAX7219采用24引腳DIP和SO封裝。引腳圖如圖46所示。圖46MAX7219引腳圖3）硬件連接MAX7219的DIG0DIG7對應(yīng)連接8位LED的位驅(qū)動端，SEGASEGDP對應(yīng)連接7位碼、小數(shù)點的顯示驅(qū)動端。外接電阻RSET如上文所述，連接在電源VDD和電流設(shè)定端ISET之間，用來設(shè)置峰值段電流，控制LED的亮度。RSET一般取10K以上。在電源和地之間還要接一個抗干擾電容，其值不小于10F，但電容取值太大其抗干擾作用就不顯著了，一般取10100F之間即可。MAX7219芯片工作在脈沖信號控制下，所以線路抗干擾也很重要，實際連接時應(yīng)將MAX7219與LED靠近，盡量減弱由環(huán)境造成的干擾。MAX7219DOUTVINDIG08個8位共陰極LEDACLKLOADISETV5VDIG1DIG2DIG3DIG4DIG5DIG6DIG7BCDGDPEFDSPTMS320F28335GPIO17GPIO19GPIO2010K圖47MAX7219外圍電路連接圖462按鍵模塊設(shè)計本文采用多按鍵組合的按鍵式鍵盤構(gòu)成按鍵模塊。每個按鍵代表不同的功能，KEY15分別代表1U電壓有效值；2I電流有效值；3P0基波功率；4P1諧波功率；5RESET復(fù)位。通過行列掃描法可以獲知對應(yīng)按鍵的鍵值，從而控制DSP發(fā)出操作指令。按鍵模塊與DSP的連接如圖48所示。DSPTMS320F28335GPIO21GPIO23GPIO26GPIO22GPIO275V圖48按鍵模塊與DSP接線圖在按下或釋放按鍵時，按鍵會產(chǎn)生抖動，這種抖動持續(xù)的時間根據(jù)按鍵材料的不同而不同，一般為510MS。抖動很容易誤導(dǎo)DSP識別失誤，如按鍵一次DSP卻發(fā)出多次對應(yīng)指令等。所以設(shè)計中必須考慮到抖動的影響，盡量消除它帶來的弊端。這里可以采用硬件設(shè)計或者軟件編程來去抖動。硬件設(shè)計可用RS觸發(fā)器來延長按鍵的觸發(fā)時間從而達到目的，但這增添了硬件電路的復(fù)雜度，所以本設(shè)計采用軟件編程的方法來實現(xiàn)去抖動，即加入延時子程序，當(dāng)有鍵按下時，執(zhí)行延時程序，然后再次檢測該按鍵電平是否已跳轉(zhuǎn)到閉合狀態(tài)，如果確定已閉合，則執(zhí)行對應(yīng)功能程序，從而消除了抖動對系統(tǒng)的干擾。463無線通訊模塊設(shè)計本設(shè)計選用SIM300C作為電能表和上位機之間通訊的工具。SIM300C具有兩種串口模式，這里選擇模式2即可完成所需功能。這種模式有如下特點（1）兩線串行端口接口；（2）只含TXD和RXD兩個數(shù)據(jù)線；（3）串口2只用于傳輸AT命令；（4）它不能用于CSD通話、FAX通話，而且不支持復(fù)用功能；（5）串口2支持這幾種通信速率9600，19200，38400，57600，115200。硬件連接上，只需要在DSP上分配GPIO40，GPIO45與SIM300C的TXD和RXD線相連即可。47IC卡讀取模塊設(shè)計IC卡（INTEGRATEDCIRCUITCARD