基于SOC技术的单相智能电表的设计与实现

摘要

随着智能电网建设步伐的加速，人们对智能电表的需求与日俱增，尤其对单相智能电表的需求规模越来越大。现在已经出厂的单相智能电表大多以“专用计量芯片+专用RTC+控制芯片”的组合方案为主，但此方案存在芯片之间传输可靠性低、更新换代兼容性差和成本较高的问题。为进一步提高单相智能电表的性能、降低单相智能电表的生产成本，本文采用SOC技术，以美信出厂的高集成度、高性能的系统级芯片71M6542F为核心，设计了一款具有双向计量、实时时钟、多通信方式的高精度远程费控单相智能电表。该电表集成度高、计量精准、性能稳定且成本低廉，为智能电表的未来发展开辟了新的思路。
　　本文首先介绍智能电表的发展历史，探讨了国内外单相智能电表发展现状，根据需求对比分析各种SOC方案的优劣，从而引出基于71M6542F芯片的远程费控单相智能电表，重点分析了71M6542F芯片工作原理和特性。然后，按照电路模块的不同功能应用，设计出了硬件总体框图，阐述了基于71M6542F的远程费控单相智能电表的硬件设计，包括电流电压采样电路、电源管理、通信电路、按键显示等接口电路，给出了硬件各电路的工作原理和电路的具体实现。接着，按照模块化和层次化的设计思想，介绍了基于71M6542F芯片的单相智能电表软件设计和运行平台，重点探讨了时钟的温度补偿算法以及小电流滤波算法。最后，介绍了基于SOC技术单相智能电表的误差分析和校正，按技术条件对单相智能电表进行了性能测试，给出了性能测试结果并说明了目前的运行情况。
　　实际应用中的测试和运行表明，本文设计的基于71M6542F的单相远程费控智能电表工作稳定性高，计量精确，满足国家电网的相关技术要求。

目录

文摘

英文文摘

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第1章 绪论

1.1 智能电表的发展历程

1.1.1 感应式电能表

1.1.2 电子式电能表

1.1.3 智能式电能表

1.2 国内外智能电表的现状和趋势

1.3 课题研究的背景和意义

1.4 课题的来源及本文主要内容

第2章 基于SOC技术的单相智能电表总体设计

2.1 单相智能电表的设计要求

2.1.1 单相智能电表的工作原理

2.1.2 单相智能电表的功能要求

2.1.3 单相智能电表的技术指标

2.2 单相智能电表的SOC芯片选型

2.371M6542F芯片介绍

2.3.171M6542F芯片的结构和特性

2.3.271M6542F芯片的工作原理

2.3.371M6542F芯片的优缺点分析

2.4 单相智能电表的系统框架

2.4.1 单相智能电表的硬件结构设计

2.4.2 单相智能电表的软件架构设计

2.5 本章小结

第3章 基于71M6542F的单相智能电表硬件设计

3.1 电源电路设计

3.1.1 电源方案对比

3.1.2 电源电路

3.2 采样电路设计

3.2.1 单相智能电表的接口规格

3.2.2 电压采样电路

3.2.3 火线电流采样电路

3.2.4 零线电流采样电路

3.3 通信电路设计

3.3.1 RS-485通信电路

3.3.2 红外通信电路

3.3.3 载波通信接口

3.3.4 其他通信电路

3.4 显示与按键电路

3.5 其他接口电路设计

3.5.1 继电器控制电路

3.5.2 指示灯和电池接入电路

3.5.3 脉冲输出电路

3.6 硬件抗干扰设计

3.7 本章小结

第4章 基于71M6542F的单相智能电表软件设计

4.1 软件开发环境与设计原则

4.1.1 软件开发环境

4.1.2 软件设计思想

4.2 主程序设计

4.2.1 正常状态的程序设计

4.2.2 低功耗状态的程序设计

4.3 计量单元程序设计

4.3.1 多路采样和CE初始化

4.3.2 电参量计算程序设计

4.3.3 脉冲计量程序设计

4.4 通信单元程序设计

4.5 显示与按键程序设计

4.5.1 显示驱动程序设计

4.5.2 显示管理程序设计

4.5.3 按键程序设计

4.6 时钟单元程序设计

4.6.1 时钟读写程序设计

4.6.2 时钟的工作误差

4.6.3 时钟的温度补偿

4.7 电流滤波程序设计

4.7.1 无限脉冲响应滤波器

4.7.2 软件滤波算法的实现

4.7 本章小结

第5章 单相智能电表的误差修正与测试

5.1 单相智能电表误差分析与修正

5.1.1 单相智能电表的误差分析

5.1.2 单相智能电表的误差修正

5.1.3 单相智能电表的校表流程

5.2 单相智能电表的基本性能测试

5.2.1 起动试验

5.2.2 潜动试验

5.2.3 有功基本误差试验

5.2.4 电压影响试验

5.2.5 频率影响试验

5.2.6 功耗测试

5.2.7 其他性能测试

5.3 单相智能电表的运行情况

5.4 本章小结

结论与展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间发表的学术论文和专利

附录B 攻读学位期间参加的科研项目

附录C 电能量处理程序部分代码

附录D 智能单相电表实物图