我的智能電表分析設計報告

1、課程：計算機組成原理智分析設計報告院系：安徽工程大學機電學院專業(yè)：計算機與軟件工程系班級：軟件1402組長：李和林組員：秦偉劉宣楊佳伯轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)許展邵明 時間:姓名職責第3頁共30頁- 一H hI芒Til li 扁 ii lh r 1叫 lit* .ii 収 jJ £ 卜PtiHj'ai I I 111屮目錄第一章系統(tǒng)整體方案設計4.1.1智能電表系統(tǒng)設計思路 4.1.2方案論證4.1.2.1三相電參數(shù)的測試與計量方案論證與比較 41.2.2多功能化模塊的方案論證與比較 51.2.3電壓電流采樣方案論證與比較61.3通信標準的選擇 7.1.4系統(tǒng)總體方案確定8.第二章系統(tǒng)硬件設計9

2、.2.1硬件整體系統(tǒng)設計 9.2.2電源電路設計1.02.2.1工作原理1.02.2.2變壓模塊.1.12.2.3穩(wěn)壓模塊.1.12.3電壓電流采樣處理單元122.3.1 ATT7030A 簡介122.3.2 ATT7030A 結(jié)構(gòu)框圖132.3.3電能輸出脈沖電路1.32.4CPU中央處理單元 142.4.1 CPU 功能1.42.4.2 CPU 選擇1.52.4.3數(shù)據(jù)存儲模塊162.4.4顯示模塊1.82.4.5紅外通信模塊202.4.6鍵盤模塊222.4.7 485 通訊模塊23第三章系統(tǒng)軟件設計243.1軟件設計的基本原則 243.2系統(tǒng)軟件設計 253.2.1接收數(shù)據(jù)與通信的程序設

3、計 25第四章總結(jié)29第#頁共30頁第一章系統(tǒng)整體方案設計1.1智能電表系統(tǒng)設計思路將智能電表系統(tǒng)整體分為電量測量和智能管理兩部分。電量測量部分選用高 精度、高可靠性的電量測量 ASIC實現(xiàn)，能夠完成三相電量的準確計量。該部分 是設計的關(guān)鍵和基礎。智能管理部分除核心元件微處理器外，還需要人機交互模 塊、數(shù)據(jù)存儲模塊及通訊模塊。該部分是實現(xiàn)電表“多功能化”的重要組成部分, 對其要求是智能化程度高，易于功能擴展。1.2方案論證1.2.1三相電參數(shù)的測試與計量方案論證與比較該部分是本系統(tǒng)設計的關(guān)鍵部分，要求電路結(jié)構(gòu)簡單、可靠、功能全面，能 夠完成預定功能。目前，關(guān)于三相電參數(shù)的測試與計量主要有兩種技

4、術(shù)方案。傳統(tǒng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換和相位檢測技術(shù)被測三相電壓、三相電流通過相應互感器轉(zhuǎn)變?yōu)槟鼙缓蠖穗娐方邮盏碾娦盘?，變化之后的信號需要做兩方面的處理?一方面檢測電壓電流的相位差，確定 功率因數(shù)，另一方面線性調(diào)整信號，傳輸給后端的 A/D轉(zhuǎn)換器。電壓、電流轉(zhuǎn)換 后的數(shù)字量和功率因數(shù)值傳輸給 CPU處理器，根據(jù)三相功率、三相能量等電參數(shù) 的計算公式計算相應的各個電參數(shù)，并對計算數(shù)據(jù)做相應處理。該方案存在電路結(jié)構(gòu)復雜，參數(shù)測試誤差大，編程復雜、故障排除復雜等缺 點。該技術(shù)方案已不再適用于工業(yè)環(huán)境中三相電能表的電參數(shù)測量。第5頁共30頁-血11 il h 11厲1弘 148¥1| II liT L i

5、i lhI叫 lit* . 'miVrhii II * id £ » Ptrlc I f 11|?巳屮專用的三相電參數(shù)測試與計量技術(shù)隨著大規(guī)模集成電路的迅速發(fā)展，有關(guān)電參數(shù)測量的集成電路市場上出現(xiàn)了 多種專用產(chǎn)品，針對不同的電參量可以選用不同的產(chǎn)品。目前，在我們國內(nèi)比較流行的電量測試與計量芯片主要有美國ADI公司生產(chǎn)的ADE7755美國CIRRUSLOGIC公司生產(chǎn)的 CS5460美國炬力公司生產(chǎn)的 ATT7021 ATT7030 ATT7026 等，國內(nèi)上海貝嶺公司也生產(chǎn)了相應的電量計量芯片。以上IC芯片在國內(nèi)電能表行業(yè)中得到了廣泛的推廣應用，多年來的應用表明，這

6、些IC芯片在電參數(shù)的測試與計量的應用比較穩(wěn)定，計量精度滿足了國家標準。采用專用的IC測試電參數(shù)已成為目前各種電能表制造廠商的首選技術(shù)方案。其中，ATT7026 ATT7030是專用于三相電參數(shù)測量的IC芯片，外圍電路配 置簡單，可方便地與CPU連接。綜合考慮本電能表所要實現(xiàn)的功能，我們選用第二種方案。ATT7030A測試計量的電參數(shù)能滿足本次設計題目提出的技術(shù)要求，是一款高精度的三相電能專用計量芯片，適用于三相三線和三相四線。ATT7030A提供有功電能計量輸出脈沖，微處理器可方便的對電能實現(xiàn)計量。1.2.2多功能化模塊的方案論證與比較多功能化模塊應包括以下幾個組成部分：CPU中央處理器、外部

7、存儲器、鍵盤、顯示、485通信接口、紅外收發(fā)電路、報警電路、負荷控制電路等八部分組 成。CPU中央處理器的選擇方案有兩種，方案一：選用DSP處理器；方案二：選用單片機。DSP處理器具有運算速度快，處理能力強等優(yōu)點，但存在價格相對較 高，參考資料相對較少等缺點。單片機是目前電能表行業(yè)中普遍選用的中央處理 器。比較以上兩種方案，我們選用ATME公司的AT89S52單片機作為中央處理單 元，該單片機具有較強的數(shù)據(jù)處理功能，與 MCS-51完全兼容，設計使用方便。外部存儲器選擇方案主要有兩種。方案一：選擇 RAM存儲器；方案二：選擇 FLASH存儲器。RAM存儲器速度快，可讀寫操作，但存在掉電數(shù)據(jù)丟失

8、的缺點，為了保證數(shù)據(jù)不丟失，一般需要設計電池供電，增加了設備的體積，成本等。外 部FLASH存儲器具有掉電數(shù)據(jù)不丟失的優(yōu)點，速度相對較慢，可以進行讀寫操作。 由于電能表對數(shù)據(jù)存儲的速度較低，數(shù)據(jù)量較少，因此， FLASHY儲器是電能表 行業(yè)中選擇的主流芯片。我們選用X5045作為外部數(shù)據(jù)存儲器，選用該型號的存 儲器不僅可以方便數(shù)據(jù)的存儲，而且具有看門狗功能，監(jiān)視CPU勺運行狀態(tài)和系 統(tǒng)的電壓，保證系統(tǒng)的安全運行。負荷控制電路設計具有預付費功能， 即用戶應先購電，后用電，用戶購剩余 電量達到報警值或剩余電量為零時，都要操作繼電控制裝置，提醒用戶及時購電。123電壓電流采樣方案論證與比較目前，電能

9、表行業(yè)中，關(guān)于電源電壓、電流的采樣方案主要有三種：第一種 是采用電流互感器、電壓互感器采樣；第二種電壓采用電阻分壓網(wǎng)絡采樣，電流采用錳銅電阻采樣；第三種方案以上兩種方案的交叉組成。 電流取樣使用電流互 感器具有過載能力強，精度高，抗干擾能力強的優(yōu)點，但存在成本高，體積大的 缺點；電壓取樣采用電壓互感器同樣具有過載能力強，精度高，抗干擾能力強的優(yōu)點，存在成本高，體積大，校表難度高的缺點；與采用互感器取樣比較電流采 用錳銅電阻具有取樣方便，成本低的優(yōu)點，但存在過載能力弱，抗干擾能力差的 缺點；電壓采用電阻分壓網(wǎng)絡取樣具有取樣容易，校表方便、成本低的優(yōu)點，但 存在過載能力弱的缺點。比較以上幾種方案，

10、結(jié)合本表的計量精度要求，電流取樣采用高精度（0.1級）的電流互感器，電壓取樣采用電阻分壓網(wǎng)絡。該方案既提高了本系統(tǒng)的抗干 擾能力，又方便了電能表的校驗。根據(jù)上述方案論證，智能電表系統(tǒng)的實現(xiàn)方案如下：AT89S52（CPU）+ATT7030電量測量 IC）+X5045（ Flash 存儲器）+MAX721QLED 顯示IC）+獨立式鍵盤+75LBC184（485通訊IC） +紅外調(diào)制管+MC7805（DC急壓電 源 IC）。第7頁共30頁=HIli in I I、i islr%. 刖 * I”h :i li 1:川I fc. Ii*:i ：l I1.3通信標準的選擇本系統(tǒng)的一個重要的問題就是通信

11、問題。要根據(jù)系統(tǒng)的通信距離來選擇合適 的通信標準。如果通信距離要求太高的話，可以采用電話線公網(wǎng)或者無線GPS等 方式來進行通信。在通信方式中，大多數(shù)采用串行通信方式。這里先對常見的串行總線標準作一個比較。常用的總線標準有 RS-232、RS-422和RS-485等等，RS-232是 異步 串行通信中應用最廣泛的一種標準總線，其單向數(shù)據(jù)傳輸最大速率為了 20Kbps,最大傳送距離為15m，顯然這種總線標準是無法滿足本系統(tǒng)的技術(shù)要 求的，且其 數(shù)據(jù)傳輸速率較慢，易產(chǎn)生干擾。RS-422傳輸距離較遠，最短為12m， 數(shù)據(jù)傳輸 最大速率為10Mbps；當速率為1Mbps時，傳輸距離可達120m；當速

12、率為100Kbps時，傳輸距離可達1200m； RS-422抗干擾能力強，傳輸速率快， 且為全雙工的。RS-232和RS-422有一個顯著特點，即RS-232接口與RS-422接 口通常 吸用于點對點通信系統(tǒng)中，若系統(tǒng)中需要相互通信的節(jié)點數(shù)超過兩個時，他們都無法直接滿足要求。因此，EIA制定了新的接口標準 RS-485，它能支持一點對多點的通信， RS-485電氣標準與RS-422完全一樣，只是 RS-485工作于半雙工方式。RS-485標準總線是一種平衡傳輸方式的串行口接口標準，它允許在電路中 有多個發(fā)送器，且允許一個發(fā)送器驅(qū)動多個負載設備，負載設備可以是被動發(fā)送 器、接收器或收發(fā)器的組合單

13、元。RS-485的共線電路結(jié)構(gòu)是一對平衡傳輸?shù)膬?端都配置終端電阻，其發(fā)送器、接收器、組合收發(fā)器可以掛在平衡傳輸線上任何 位置，在數(shù)據(jù)傳輸中實現(xiàn)多個驅(qū)動器與接收器通用同一傳輸線的多點應用。RS-485通信接口的信號傳輸是用兩根線之間的電壓差來表示邏輯 “ 1 ”或“0” 的, 因為發(fā)送端僅需兩根傳送線，而接收端也只需要兩根傳送線，這樣，RS-485接收端與發(fā)送端公需兩根線就能完成信號傳輸。RS-485標準總線的特點是：抗干 擾能力強、傳輸速率高、傳輸距離遠，在采用雙絞線，不用Modem的情況下，在 100Kbps的傳輸速率時可傳送1200m，若速率為960Kbps時，可以傳送1500m, 甚至

14、更遠。由于RS-485具有上述優(yōu)點，能夠支持一點對多點的通信，便于組網(wǎng)通信距第7頁共30頁 一L u ih F I叫 hiA . hJUq-hniiwqJd L 卜 hpq 滬M'hII t 'lhlf離也能滿足本系統(tǒng)的設計要求；且電表聯(lián)網(wǎng)遠程抄表系統(tǒng)對實時性要求不高，能 耗的抄取也是不經(jīng)常發(fā)生的，一般情況下僅需要每月抄一次。所以本系統(tǒng)選擇了 半雙工的RS-485的通信標準。1.4系統(tǒng)總體方案確定在我們確定了通信標準之后，就可以對整個系統(tǒng)進行設計了。既要充分考慮RS-485通信標準中對傳輸距離和波特率的限制，又要兼顧到系統(tǒng)的帶載能力， 來確保系統(tǒng)運行的可靠性，在基表與上層管理微

15、機之間，采用了采集器、集中器 兩級結(jié)構(gòu)形式，系統(tǒng)的總體分布結(jié)構(gòu)如下圖系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖上位微機與集中器之間可通過 RS-485總線進行數(shù)據(jù)傳輸，采集器通過屏蔽 雙絞線采集用戶各種遠傳能耗基表的信息，并進行換算和存儲；采集器對電量的 采集可以直接通過DF型電能表上的RS-485接口接受用戶的電量信息，也可以 通過采集器上的紅外接口，利用專用紅外抄表器對采集器進行各種能耗信息的讀 取等第二章系統(tǒng)硬件設計2.1硬件整體系統(tǒng)設計根據(jù)方案比較與論證，三相智能電度表的整體電路主要包括：電源電路、電壓電流采樣處理單元、CPU中央處理單元等三部分組成。其中采樣電路又分為電 壓采樣模塊、電流采樣模塊；CPU中央處理

16、器單元又分為CPU中央處理器、鍵盤、 顯示、外部存儲器、485接口、紅外收發(fā)、負荷控制、報警模塊。整體設計方案 見圖CPU中央處理單元IcUSI AU AU BIB系統(tǒng)整體電路原理圖系統(tǒng)工作原理：第一步接通電源電路，CPL中央處理單元上電，系統(tǒng)進入待機狀態(tài)。此狀態(tài) 下，CPU取出存于外部存儲器中的剩余電量數(shù)據(jù)和本電表機號并顯示于顯示模塊 上。當按下鍵盤“設置鍵”時，系統(tǒng)進入功能設置狀態(tài)，按“確定鍵”則退出該 狀態(tài)。第二步采樣單元發(fā)出電量計量脈沖信號，系統(tǒng)進入工作狀態(tài)。次狀態(tài)下，CPU 對脈沖進行計數(shù)及計算電量，經(jīng)過一段時間運算后得到這段時間中用戶消耗的電 量。用戶上次預購電量減去剩余電量， 得

17、到用戶新的預購電量剩余值。 如果該值 小于某一值時，通過報警模塊通知用戶及時購電。有兩種事件是隨機發(fā)生的：485通信和紅外通信事件。當上位機向電表發(fā)出 通信請求時，系統(tǒng)進入485通信狀態(tài)，通信結(jié)束退出該狀態(tài)。當紅外抄表器向電 表發(fā)出通信請求時，系統(tǒng)進入紅外通信狀態(tài)，通信結(jié)束退出該狀態(tài)。第11頁共30頁-血11“卜U imlh bl叫 lit* . m“4:lidill 才Jil，姑！ 1嗆14, I i |/<|系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖：2.2電源電路設計三相電壓、電流采集處理電路與CPU中央處理單元均需要5V直流電源供電, 為提高系統(tǒng)工作可靠性及適應現(xiàn)場電壓波動范圍大的情況， 本系統(tǒng)采用三相

18、電源 變壓-整流-濾波-穩(wěn)壓方式。具體設計電路見圖系統(tǒng)電源電路圖221工作原理系統(tǒng)直流電源AVCC直接由三相交流電源轉(zhuǎn)換而來。以 A相位例，A相220V 交流電經(jīng)變壓器變壓得到交流電 V1, V1經(jīng)過整流橋整流得到含有較大紋波系數(shù) 的直流電V2, V2經(jīng)C13 C14濾除紋波后進入三端穩(wěn)壓器件 LM7805穩(wěn)壓處理得 到V3, V3經(jīng)C15 C16濾波得到系統(tǒng)需要的直流電源 AVCC B相、C相原理于A 相相同。由Multisim 軟件仿真得到VI、V2、V3波形如圖/r； |i1/»,1/11i1I1fTl'!1=口1F/*ij*liii:Il>111ri:1 i l

19、 1 'i)1 1JIlliJ|>l1J |1:；v'1 |> 1| 亠q亠二事九二亠亠+ q h!iii*i _L 1 - it T1 T i i k i - L n J I i1I!L !i11 :丿1iii 'ii1j !ii41: /1 - /1 1i1rB11JII1ik: Jii miII1II J'VI；青色綠色 ¥3紫色系統(tǒng)電源部分電壓波形圖2.2.2變壓模塊由220V交流電得到5V直流電第一步需要選用變壓器進行降壓處理， 變壓器 兩端的匝數(shù)比決定著降壓系數(shù)。三端穩(wěn)壓電源 LM7805最大輸入電壓為30V,正 常范圍為518

20、V,所以變壓器副邊輸出電壓 V1可以選擇15V。根據(jù)變壓器兩側(cè) 電壓比，可計算出變壓器的原副邊匝數(shù)比：N1: N2=VA V1=220:152.2.3穩(wěn)壓模塊穩(wěn)壓電源分為線性穩(wěn)壓電源和開關(guān)穩(wěn)壓電源兩類，其中：線性穩(wěn)壓電壓優(yōu)點是穩(wěn)定性高、波紋小、電路簡單，缺點是體積大、效率低、驅(qū)動電流??；開關(guān)電 源優(yōu)點是體積小、效率高、驅(qū)動能力強；缺點是波紋系數(shù)大，穩(wěn)定性不如線性穩(wěn) 壓電源好。本系統(tǒng)電源直接供給IC,對驅(qū)動電流要求不大，且 ATT7030A對電源 穩(wěn)定性要求較高，所以這里我們選擇線性穩(wěn)壓電源。三端穩(wěn)壓集成電路LM7805所需的外圍元件極少，電路內(nèi)部有過流、過熱及第13頁共30頁血11 il h

21、11厲1 首 1芒屮| II ji* U i»lh r 1叫 lit* .“ li in 111 h » i'liiHrai I I i調(diào)整管的保護電路，使用起來可靠、方便，而且價格便宜，所以被廣泛應用。LM7805 如圖3-6所示，1腳為輸入端，2腳為輸出端，3腳為接地端。zLM7805引腳圖V2經(jīng)過電容濾波進入LM7805輸出電壓V3穩(wěn)定為5V，LM7805后仍需接大 小兩個電容輸出電壓才能真正穩(wěn)定。 其中，大電容的作用是增強負載特性（輸出 阻抗隨頻率增加基本保持不變）和瞬變響應（利用電容電壓不能瞬間改變特性）， 小電容的作用則是濾除高頻干擾，兩者耐壓值選擇 1

22、5V。2.3電壓電流采樣處理單元系統(tǒng)電壓電流采樣處理單元采用 ATT7030A乍為核心處理芯片，外圍輔以電源、電壓電流模擬輸入、脈沖輸出等電路。2.3.1 ATT7030A 簡介ATT7030A是 一款對三相有功電能進行高精度測量的芯片，其特點如下：高精度，在1000到1的動態(tài)范圍內(nèi)誤差小于0.1%;電能測量符合 1S、0.5S 級，支持 IEC 687/1036 標準，GB/T 17215-1988;提供有功電能測量當任意一相功率反向時，提供功率反向指示信號REVP當三相合功率為負時提供反相指示信號 NEGP可以用于止逆場合；提供缺相指示PA/PB/PC提供有功電能校準輸出脈沖：CF1;提供

23、輸出脈沖F1/F2，用于驅(qū)動電量計度器和步進電機;-三相合電能計算模式是可選擇的； -提供校準電阻網(wǎng)絡;-+5V單電源供電2.3.2 ATT7030A 結(jié)構(gòu)框圖SCO OS CIVI P 1T1FT V3PV3NV5FVSNV2TWV4Tv«rVBFvenSEL suw S3G KE SET SO 51 3CF電能瀕FAVLCIffiFOUT電跆ATT7O30A 樺塊聞AVCC VDD并常電IFREVFFD2.3.3電能輸出脈沖電路ATT7030A提供兩種輸出脈沖：高頻輸出脈沖 CF1和低頻輸出脈沖F1/F2。在功率測量信號處理電路中，開關(guān)電壓和電流信號相乘得到瞬時功率，瞬時功率 第

24、15頁共30頁hr U I "d、i I* * I ii I 沾 1“ i *、. 'TI I :i II 、：ih “ 円“ 11:丨,丨1” a對時間積分轉(zhuǎn)換為電能。A/B/C相電能根據(jù)代數(shù)和模式或者絕對值和模式相加， 通過改變頻率信號和分頻信號，我們得到高頻電能脈沖輸出信號，該信號可以用 來進行校正。在此基礎上，分頻信號也可以得到低頻輸出脈沖信號用于驅(qū)動步進 電機。2.4 CPU中央處理單元241 CPU功能CPU中央處理單元由于需要實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲、顯示、鍵盤、通信等功能，因此 電路較為復雜，元件較多。CPU選用AT89S52外部存儲器選用X5045, 方面存儲數(shù)據(jù)滿足掉

25、電數(shù)據(jù) 不丟失，其次X5045具有看門狗功能，監(jiān)視CPU運行狀態(tài)及電源電壓，保證系統(tǒng) 可靠運行。485通信選用75LBC184集成電路，具有帶載能力強，傳輸距離遠的 特點。紅外采用38KHZ調(diào)制方式，傳輸距離超過5米，誤碼率低。CPU有功電量 采樣使用光電耦合器隔離，提高其采樣的可靠性。校表通過光電耦合器輸出校表脈沖，方便與校表試驗臺連接。:11-Fi卜F #I卜ip.*F卜JijEEIp"kri；e|轟I.H 0 - -J:.a:-品第19頁共30頁CPU中央處理單元設計原理242 CPU選擇AT89S52是一種低功耗、高性能 CMOS位微控制器，具有8K在系統(tǒng)可編程 Flash存

26、儲器。使用ATME公司高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51產(chǎn) 品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī) 編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，使得AT89S52 在眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)中得到廣泛應用。AT89S52主要功能特點：與MCS-51產(chǎn)品兼容； 8K字節(jié)在系統(tǒng)可編程Flash存儲器； 1000次擦寫周期；全靜態(tài)操作：0HZ-33MH z;三級加密程序存儲器； 32個可編程I/O 口線；三個16位定時器/計數(shù)器；八個中斷源；全雙工UART串行通道；低功耗空閑和掉電模式；掉電后中斷可喚醒；看門狗定時器；雙數(shù)據(jù)指針；掉

27、電標識符。AT89S52引腳圖如圖：JWUD PCI 勺L'i I %in 予 IJ1I門 Is;1N3斗7Li1.3F1.J13LlJL!r>1QLrlIF521廠*24盅百3C5f1CJ11丐pA廠Q 1 a 3 4 e ? PAPP口 prFp243數(shù)據(jù)存儲模塊因本系統(tǒng)需要存儲用戶電量等數(shù)據(jù)，且要求掉電數(shù)據(jù)不丟失，該系統(tǒng)選擇 X5045器件。X5045是一種集看門狗、電壓監(jiān)控和串行EEPRCOM種功能于一身的可 編程電路。這種組合設計減少了電路對電路板空間的需求。X504沖的看門狗對系統(tǒng)提供了保護功能。當系統(tǒng)發(fā)生故障而超過設置時間 時，電路中的看門狗將通過RESE信號向CP

28、U作出反應。X5045提供了三個時間值 供用戶選擇使用。它所具有的電壓監(jiān)控功能還可以保護系統(tǒng)免受低電壓的影響， 當電源電壓降到允許范圍以下時，系統(tǒng)將復位，直到電源電壓返回到穩(wěn)定值為止。 X5045的存儲器與CP可通過串行通信方式接口，共有4096個位，可以按512X 8 個字節(jié)來放置數(shù)據(jù)。2.4.3.1引腳介紹X5045采用DIP8封裝形式，其管腳排列如圖3-20所示，共有8個引腳，各引腳 功能如下：CS :電路選擇端，低電平有效;SQ串行數(shù)據(jù)輸出端；SI :串行數(shù)據(jù)輸入端；SCK串行時鐘輸入端；WP :寫保護輸入端，低電平有效;RESET復位輸出端;VCC電源端；VSS接地端。243.2工作

29、原理（1）上電復位向X5045加電時會激活其內(nèi)部的上電復位電路， 從而使RESE引腳有效。該信 號可避免系統(tǒng)微處理器在電壓不足或振蕩器未穩(wěn)定的情況下工作。當 Vcc超過器 件的Vtrip門限值時，電路將在200ms （典型）延時后釋放RESE以允許系統(tǒng)開始 工作。（2）低電壓監(jiān)視工作時X5045對Vcc電平進行監(jiān)測，若電源電壓跌落至預置的最小 Vtrip 一下 時，系統(tǒng)及確認RESET從而避免微處理器在電源失效或斷開的情況下工作。當 RESE被確認后，該RESE信號將一直保持有效，知道電壓跌到低于 IV。當Vcc返 回并超過Vtrip達到200mS寸，系統(tǒng)重新開始工作。（3）看門狗定時器看門狗

30、定時器的作用是通過監(jiān)視 WD輸入來監(jiān)視微處理器是否激活。由于微 處理器必須周期性的觸發(fā)CS/WD引|腳以避免RESE信號激活而使電路復位，所以 CS/WDI引腳必須在看門狗超時時間終止之前受到由高到低信號的觸發(fā)。（4）重新設置Vcc門限X5045出廠時設置的Vcc門限電壓為Vtrip，但在應用時，如果標準值不恰當， 用戶可以重新調(diào)整。（5）SPI穿行存儲器器件存儲器部分是帶塊保護的CMO串行EEPROM列，陣列的內(nèi)部組織是X 8 位。X5045可提供最少為1000000次擦寫和100年的數(shù)據(jù)保存期，并具有穿行外圍 接口（ SPI）和軟件協(xié)議的特點，允許工作在簡單的四總線。X5045主要通過一個

31、8位的指令寄存器來控制器件的工作，其指令代碼通過第21頁共30頁=Ili in I 1、i ish*. 刖 * i”h :i 1山：川I fc. ISI輸入端（MS在前）寫入寄存器。表3-4所列為X5045勺指令格式及其操作。（6）時鐘和數(shù)據(jù)時序當CS變低以后，SI線上的輸入數(shù)據(jù)在SCK勺第一個上升沿時被鎖存。而SOt 的數(shù)據(jù)則有SCK勺下降沿輸出。用戶可以停止時鐘，然后再啟動它，以便在它停 止的地方恢復操作。在整個工作期間，CS必須為低。244顯示模塊本智能電表系統(tǒng)需要顯示電表機號、 電流互感器系數(shù)、電量等數(shù)據(jù)，無需文 字顯示，八位LED碼管即可完成顯示任務，故我們選擇 8位LE醱碼管驅(qū)動器

32、 MAX72192.4.4.1 MAX7219 概述MAX721是MAXI公司生產(chǎn)的串行輸入/輸出共陰極數(shù)碼管顯示驅(qū)動芯片，一 片MAX721可驅(qū)動8個7段（包括小數(shù)點共8段）數(shù)字LED LED條線圖形顯示器、或 64個分立的LEC發(fā)光二級管。該芯片具有10MH傳輸率的三線串行接口可與任何微 處理器相連，只需一個外接電阻即可設置所有LED勺段電流。它的操作很簡單， MC只需通過模擬SPI三線接口就可以將相關(guān)的指令寫入 MAX721的內(nèi)部指令和數(shù) 據(jù)寄存器，同時它還允許用戶選擇多種譯碼方式和譯碼位。此外它還支持多片 7219串聯(lián)方式，這樣MC就可以通過3根線（即串行數(shù)據(jù)線、串行時鐘線和芯片選 通

33、線）控制更多的數(shù)碼管顯示。244.2 功能特點 10M H連續(xù)串行口獨立的LED段控制數(shù)字的譯碼和非譯碼選擇 150uA的低功耗關(guān)閉模式亮度的數(shù)字和模擬控制高電壓中斷顯示共陰極LE驅(qū)動 24腳的DIP和SO1 寸裝2.443寄存器介紹（1）數(shù)據(jù)寄存器和控制寄存器MAX721內(nèi)部的寄存器主要有：譯碼控制寄存器、亮度控制寄存器、掃描界 限寄存器、關(guān)斷模式寄存器、測試控制寄存器。編程時只有正確操作這些寄存器， MAX721才可工作。（4）亮度控制寄存器（OAHMAX7219通過加在V+和ISET之間的外部電阻來控制顯示亮度。段驅(qū)動電流 一般是流入ISET端電流的100倍。這個電阻可以是固定的，也可以

34、是可變電阻， 通過前面板控制以選擇合適的亮度：其最小值為9.53Kohm它設定段電流為40mA顯示亮度可以通過亮度寄存器來控制。數(shù)字控制顯示亮度是通過亮度寄存器的低四位來控制的脈寬調(diào)制器來控制。 調(diào)制器將段電流平均分為16個階次，最大值為由Rset設置的最大電流為31/32， 最小值為電流峰值的1/32 。244.4 MAX7219與單片機連接電路MAX721%單片機連接如下圖，單片機通過 P2.0（ CLK、P2.1 （ LOAD、P2.2（ DIN）三根控制線完成顯示操作。第23頁共30頁一血11 il h 11厲1暫1於屮li II $4 L ii lh r 1罟 lit* . mhU-

35、hH II iir Jd 右卜PliiHyi I I i Mh'P屮e捷裁2龜/孚徴席球洗血11 il h屮 li II li* U "Ihrl'hlit*.H II nF Jil h »I I i Th*fOnDIGIT uPDIimJtrMAX7219與單片機連接圖245紅外通信模塊本智能電表系統(tǒng)需要完成與抄表器數(shù)據(jù)傳輸功能，紅外通信具有控制簡單、 實施方便、傳輸可靠性高的特點，是一種較為常用的通信方式。使用手持紅外抄 表器通過遙控的方式，來完成電度表用電量的抄錄、設置表電流互感器系數(shù)等工 作。實現(xiàn)單片機系統(tǒng)紅外通信的關(guān)鍵在于紅外接口電路的設計以及接口驅(qū)

36、動程序 的設計。2.4.5.1紅外通信的基本原理紅外通信是利用950nn近紅外波段的紅外線作為傳遞信息的媒體，即通信信 道。發(fā)送端采用脈時調(diào)制（PPM方式，將二進制數(shù)字信號調(diào)制成某一頻率的脈 沖序列，并驅(qū)動紅外發(fā)射管以光脈沖的形式發(fā)送出去；接收端將接收到的光脈轉(zhuǎn) 換成電信號，再經(jīng)過放大、濾波等處理后送給解調(diào)電路進行解調(diào)， 還原為二進制 數(shù)字信號后輸出。簡而言之，紅外通信的實質(zhì)就是對二進制數(shù)字信號進行調(diào)制與 解調(diào)，以便利用紅外信道進行傳輸；紅外通信接口就是針對紅外信道的調(diào)制解調(diào)第27頁共30頁245.2紅外通信接口的硬件電路設計單片機本身并不具備紅外通信接口，但可以利用單片機的串行接口與片外的

37、紅外發(fā)射和接收電路，組成一個應用于單片機系統(tǒng)的紅外串行通信接口。（1）紅外發(fā)射模塊的實現(xiàn)紅外發(fā)射模塊主要包括脈沖振蕩器、與非門、驅(qū)動三極管、紅外發(fā)射管等。 其中脈沖振蕩器選用38K晶振，用于產(chǎn)生載波信號；紅外發(fā)射管用來發(fā)射 950nm 的紅外光束。發(fā)射模塊工作方塊圖如下圖所示。本系統(tǒng)采用基于UAR口的紅外發(fā)射電路，此模式是紅外通信原理與串口通信 原理的有機結(jié)合。紅外發(fā)射器的原理：串行數(shù)據(jù)由單片機的串行輸出端TXD送出, 經(jīng)兩級與非門驅(qū)動PN三極管,數(shù)位0'使三極管導通。38K晶振與電阻、電容及 與非門組成振蕩器以產(chǎn)生38KH瀕率載波，并通過與非門對串行數(shù)據(jù)進行調(diào)制。 調(diào)制出的信號經(jīng)過三

38、極管基極的紅外發(fā)射管以光脈沖形式向外發(fā)送信號。數(shù)位1'時三極管截止，紅外發(fā)射管不發(fā)光。其設計電路如圖：紅外發(fā)射模塊電路圖（2）紅外接收模塊的實現(xiàn)如圖為紅外接收的工作方塊圖，其主要控制組件為紅外接收模塊，其內(nèi)部 含有高頻載波電路，專門用來濾除紅外線合成信號的載波信號（ 38KHZ而送出 發(fā)射器的控制信號。當紅外線合成信號進入紅外接收模塊， 在其輸出端便可以得 到原先的數(shù)字控制編碼，只要經(jīng)過單片機譯碼程序譯碼即可。_n_n_n_紅外接收器部分我們采用紅外專用接收集成電路HS003來完成紅外信號的光電轉(zhuǎn)換及接收。HS0038是塑封一體化紅外線接收器，它是一種集紅外線接收、 放大、整形于一體的

39、集成電路，不需要任何外接元件，就能完成從紅外線接收到 輸出與TTL電平信號兼容的所有工作，沒有紅外遙控信號時為高電平，收到紅外 信號時為低電平，它適合于各種紅外線遙控和紅外線數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)中我們將紅外接收器輸出數(shù)據(jù)直接連接到單片機的串口接收RX端，單片機讀取串口接收緩沖寄存器并譯碼即可還原信息。其電路如圖:紅外接收模塊電路圖工；Px246鍵盤模塊設計中鍵盤作用主要用來設置電表號和電流互感器系數(shù)，有功能選擇鍵-h Wi* 杓li 騙 l “ X r 1叫 It* .電Td-Fnii Id 収 ill h 卜I I lhl4；e捷裁2龜/孚徴席球洗血11 il h屮li II Ik I imlh

40、r l*h lit* . WJ|p*Fi “ | 卄山| 山卜i1tiH,9i I I i系統(tǒng)鍵盤與CPU連接圖247 485通訊模塊本智能電表系統(tǒng)采用RS-485差分總線收發(fā)器75LBC18進行485通信，它性能 優(yōu)于MAX485 75LBC18采用單一電源+5 V工作，額定電流為300卩A,采用半 雙工通訊方式。它完成將 TTL電平轉(zhuǎn)換為RS- 485電平的功能。MAX48芯片 的結(jié)構(gòu)和引腳都非常簡單，內(nèi)部含有一個驅(qū)動器和接收器。R丙DI端分別為接收器的輸出和驅(qū)動器的輸入端，與單片機連接時只需分別與單片機的RXD和TX相連即可；/RE和DB端分別為接收和發(fā)送的使能端，當/RE為邏輯0時，器

41、件處于接收狀態(tài)；當 DE為邏輯1時，器件處于發(fā)送狀態(tài)，因為MAX48工作在半雙工狀態(tài)，所以只需用單片機的一個管腳控制這兩個引腳即可；A端和B端分別為接收和發(fā)送的差分信號端,當A引腳的電平高于B時，代表發(fā)送的數(shù)據(jù)為1 ;當A的電平低于B端時，代表發(fā)送的數(shù)據(jù)為0。在與單片機連接時接線非常簡單，75LBC18與單片機連接圖如圖Ji2北4rTFTI肝F513inLLL3L4:ji MP L£rJr-rUsofli2tFl UTi PL 3(TJK£aFL 5 MCSE FL fl HTJO1 FL TMC MT/TFT MCD JJ3 TMPF5 non F3.3 fKTfPia

42、TQP34- Ti陽圧 WTA北 fiFPJ tST*L5 XTAL LFCiQ FCJ &TW如器£wFO5PCI 7 EFep nr.KTRCGF5EtfFITP2£MJP34MJ工空Q4F?D系統(tǒng)半雙工通訊第三章系統(tǒng)軟件設計在微機測量和控制系統(tǒng)中，軟件的重要性與硬件同樣重要。系統(tǒng)的硬件電路 一旦確定以后，系統(tǒng)的主要功能還需要通過軟件來實現(xiàn)。如果說硬件是軀體，那 么軟件則是靈魂；如果說硬件決定了產(chǎn)品的造價，那么在硬件設計合理的前提下， 軟件在很大程度上就決定了產(chǎn)品的性能。 因此，智能儀表的設計很大程度上可以 說是軟件的設計，系統(tǒng)使用的方便性和靈活性主要體現(xiàn)在計算

43、機的軟件設計上。 對高可靠性要求的遠程抄表系統(tǒng)的設計就更是如此。3.1軟件設計的基本原則為了滿足遠程抄表系統(tǒng)的設計要求，應根據(jù)以下基本原則進行軟件的編制：1. 易讀性和易維護性。這通常是指軟件系統(tǒng)容易被發(fā)現(xiàn)和糾正錯誤，容易 修 改和補充。由于生產(chǎn)過程自動化程度越來越高，測控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)也日趨復雜， 設計人員很難在短時間內(nèi)就能對整個系統(tǒng)理解得準確無誤，軟件的設計與調(diào)試 也不 可能一揮而就，在發(fā)現(xiàn)問題時又要便于修改和完善。 在軟件的設計方法中， 結(jié)構(gòu)化程序設計就是最好的設計方法之一， 這種設計方法是由整體到局部，再由 局部到細節(jié)；先考慮整個系統(tǒng)所要實現(xiàn)的功能，確定整體目標，然后把這個目標 逐步分解成

44、一個個任務，任務又可以進一步分解成若干個子任務，這樣逐層細分、 第#頁共30頁"4hui 1“1 * 11"； I li : I 削.*劇小|山 ii H 骯 川| |L卜上丹|4'81 II C、逐個實現(xiàn)。在此過程中可能會有一些問題逐步暴露， 這就要求軟件易被修改，那 么，結(jié)構(gòu)化設計就是最好的設計方法。智能電表系統(tǒng)的軟件設計就是采用上述模塊化設計方法。這樣，不但使得設 計目標明確、思路清晰，而且在檢錯和系統(tǒng)聯(lián)機調(diào)試時也較為方便。如果每個子程序都能單獨運行，那么，像搭積木一樣，把他們聯(lián)合起來的時候，只要安排恰 當，一般來說不會有太大的問題。即使有問題也可以根據(jù)問題的

45、種類和現(xiàn)象來進 一步判斷是哪一部分出了問題，也為系統(tǒng)功能的擴充和移植提供了很大的方便。2. 可測試性。系統(tǒng)軟件的可測試性有兩方面含義：其一是較容易制定出測試， 并據(jù)此對軟件進行測試；其二是軟件設計工作完成后，首先在模擬環(huán)境下運行，經(jīng)過靜態(tài)分析和動態(tài)仿真運行，證明準確無誤后才可投入實際使用。3. 準確性。這對整個系統(tǒng)具有重要意義，對遠程抄表系統(tǒng)而言就更具有實際意義，其結(jié)果的準確程度直接關(guān)系到千家萬戶的切身利益。因此，在算法選擇和位數(shù)選擇方面要滿足實際要求、運算結(jié)構(gòu)要符合國家相關(guān)的技術(shù)標準。4. 實時性。它是檢測系統(tǒng)的普遍要求，即要求系統(tǒng)及時響應外部時間的發(fā)生， 并及時給出處理結(jié)果。近年來，由于硬件高度集成化和速度的提高， 配合相應的 軟件，系統(tǒng)實時性的要求較容易得到滿足，特別是對于使用匯編語言編制的軟件。5. 可靠性。它是系統(tǒng)軟件最重要的指標之一，該要求有兩層意義：第一是運 行參 數(shù)環(huán)境改變時，軟件能可靠地運行并給出正確的結(jié)果，即要求軟件具有自適應性；第二是在環(huán)境惡劣、干擾嚴重的情況下，軟件必須保證系統(tǒng)也能可靠地運 行, 這對系統(tǒng)的整體可靠運行尤為重要。3.2系統(tǒng)軟件設計3.2.1接收數(shù)據(jù)與通信的程序設計主程序中的串行中斷打開，使它處于PC機的接收狀態(tài)，還要用中斷的模式 來定時的收集數(shù)據(jù)采集模塊中的能量數(shù)據(jù)。這里