基于ARM的智能电表系统研究与设计

摘要

智能电表在智能电网的发展中起着至关重要的作用，它可以完成对电能参数的测量、实时监控、信息交换等任务。而国内传统的智能电表有待改进的问题有如下几个方面：大多数电能表适用的环境较为单一，且常用的单片机运行速度相对迟缓，芯片的可利用资源很少，很难应用到要求计量精度高、信息实时交互的环境中;电网中谐波的出现，会对电量的计量精度产生很大的影响。当前对谐波的分析主要是将数字乘法器为中枢或将模拟乘法器为中枢的功率变换器，而都存在着成本高、精准度低且不稳定等特点;物联网技术的快速发展，无线通信技术也逐渐成为改善智能电表通信方式的重要研究方向，例如ZigBee、WiFi技术等，而上述方案都存在着传输距离有限、设备复杂且对应用环境的依赖性较高等不足。 本课题针对上述问题研究设计出一种基于ARM的智能电表系统。首先，研究系统的芯片架构，本课题采用的ARM芯片STM32系列，加上ATT7022E电能计量芯片作为系统的核心，使得硬件系统结构更简便，测量精准程度得到了改善，也很好地减小了功能损耗。其次，改善了智能电表系统的通信模块，用无线数传模块替代有线通信。利用LoRa无线模块进行组网，节省安装维护便捷性，并通过LoRa网关采集各个电表数据，进行远程充值缴费，使电表接收和发送数据更可靠。最后，确立系统的总体结构设计方案，对硬件系统采取模块化设计，并建立和编写了底层驱动程序和应用程序，然后结合硬件平台联调，通过谐波测量实验，收集数据，分析谐波与电表计量精度的关系，验证了本课题采取的FFT加窗插值算法来分析解决谐波对电能质量影响的可行性。 实验结果表明，测量误差大小均符合国家标准,证明了设计方案的可行性。且利用LoRa无线模块进行组网，实现了通信距离远、功耗低、实时性好等特点。

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第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状及发展动态

1.3 研究内容及结构安排

1.3.1研究内容

1.3.2结构安排

1.4本章小结

第2章 智能电表总体结构设计

2.1智能电表总体结构设计

2.1.1 通用芯片架构

2.1.2 MCU加专用芯片架构

2.2智能电表硬件方案设计

2.3智能电表软件方案设计

2.4本章小结

第3章 基于傅立叶变换的谐波功率算法

3.1傅立叶变换原理

3.2 DFT的原理

3.3 FFT算法

3.4谐波功率的算法

3.5电力系统谐波FFT的实现

3.6 FFT算法存在的主要问题与解决办法

3.6本章小结

第4章 智能电表硬件电路设计

4.1 MCU及RTC时钟计时模块

4.2 系统供电模块

4.3 信号采集电能计量模块

4.4 W25Q64数据存储模块

4.5 RS485通信模块

4.6 磁保持继电器控制模块

4.7 TFTLCD显示模块

4.8 LoRa通信模块

4.9 本章小结

第5章 系统软件平台设计

5.1 软件设计的整体架构

5.2 软件系统开发流程及开发平台

5.2.1软件系统开发流程

5.2.2软件开发平台

5.3 硬件驱动程序设计

5.3.1定时器程序设计

5.3.2 专用计量芯片ATT7022E程序设计

5.3.3 TFTLCD显示屏驱动程序设计

5.3.4 继电器控制程序设计

5.3.5 RS485通讯接口程序设计

5.3.6 W25Q64接口程序设计

5.3.7 LoRa接口程序设计

5.4 谐波分析功能设计

5.4.1谐波分析循环体程序设计

5.4.2 DMA中断

5.5 业务应用程序的开发

5.5.1 TFTLCD显示模块程序

5.5.2电能计量模块程序

5.5.3事件管理模块程序

5.5.4存储管理模块程序

5.5.5主程序模块

5.6 本章小结

第6章 系统仿真与测试结果分析

6.1 智能电表仿真研究

6.1.1插值算法仿真

6.1.2系统仿真测试

6.2 系统测试

6.3 实验结果分析

6.4 实验结论

6.5 本章小结

总结与展望

致 谢

参考文献

作者简介

攻读硕士学位期间发表的论文和科研成果