带通讯接口的单相电子式电能表的设计

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学术论文

带通讯接口的单相电子式电能表的设计

柳澹许谦／华南理工大学

本文讨论了电子式电能表的工作原理，并介绍了一种带ＲＳ－４８５接口电能表的硬件设计方案，最后再对该电能表电路和通信接口设计进行了分析。关键词

单片机：ＲＳ４８５接口；电表常数

１

简介这样，若在一定时间内对脉冲进行计数，即可测得电能值。根据电能表基本工作原理，电子式电能表的电表常数也可以求出，如式（３）所示：

目前国内的家用电能表仍然以人工抄表为主，随着经济的快速发展，使用自动化程度和精度更高的电子式电能表成为一种必然的趋势，同耗费大量的人力和财力的人工读表方式相比，电表联网的集中采集数据功能具有很大的优越性，不必经常派人去接触分布在各个地方的电表，网络化的电表自动读表系统（ＡＭＲ）还进一步减少了人身安全方面的问题。由于网络化电表布安装地点更为灵活，所以安装成本也会更低些。本设计用于频率为５０Ｈｚ，额定电压为２２０ｖ的单相交流有功电能，其性能均符合ＧＢ／Ｔ

１７２１５．

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式中ｉＭｐ为脉冲数目。３电路组成

交流电压和电流分别经分压器和分流器转换为小信号电压和电流，再送到电能计量专用集成电路，经电能计量芯片中的模拟乘法器、Ｖ／Ｆ转换器、基准电源等，将电压和电流信号转换成频率正比于用电功率的单路脉冲，单片机接收到该脉冲后产生中断响应，累加计数即可以计量用电功率，同时驱动计度器以显示用电量，每两小时保存一次数据，ＲＳ４８５通讯口采用扫描方式监测。

系统能适应的电表常数总共７种（１６００、８００、２００等），电表常数的选择在硬件上以设置跳线（３条）实现，软件中对其设置进行识别，系统采样部分按照电表常数Ｎ输出脉冲信号，Ｍｃｕ接收脉冲并进行累加，当脉冲数累加到Ｎ／１００时，电

２００２标准中１级单相电能表的技术要求，数据通讯规约符

合ＤＬ／Ｔ６４５．１９９７的相关要求，且具有防窃电功能：防止

短接窃电、把电表倾斜、外加磁场等窃电行为。对于反向用电仍能正常计量，通过ＲＳ４８５通讯接口可以直接对电能表进行读取电量、表号、设置电表地址、电表底数等操

作。

２设计原理

电能的基本表达式如式（１）所示：

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以ｆ）＝Ｊｏｐ（力ｄｆ＝Ｊｏ“（Ｏｉ（力出（１）

能值增加０．０１度，在ＥＥＰＲＯＭ中储存该值。并且能够按照国标协议与抄表系统通讯，异步串口通讯拟采用扫描方式。３．１工作原理图（图１）

相线进相线出中线进中线出

式中斗（力，ｆ（力，ｐ（力，分别是瞬时电压、电流、功率值，所以测量电能的基本方法是将电压电流相乘，然后在时间上再累加（即积分）起来。为了便于自动化测量，都将功率转换成脉冲频率输出。在额定电压、电流输入下，即

输入功率一定时，崩或正）也是个固定值。输入改变时斤也

跟着改变，而正比于输入功率。这是电子式电能表的最基本工作原理。由此可知，对于电子式电能表来说，测功率就是测频率。测功率测频率，就是在单位时间内对脉冲进行计数。若要测量电能，可以根据电子式电能表的基本原理求出每个脉冲所代表的电能值，即脉冲当量，如式（２）所示：

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（２）

图１

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３．２硬件设计（图２）

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图２

计量采样部分使用ＡＤＥ７７５５，这是电能计量集成电路．其内部电压、电流通道各有一个１６位—气仍转换器，所以它是采用数字乘法器进行功率运算，运算结果经数字一频率转换器，变为电能计量的高频标准脉冲ｃＦ。Ｍｃｕ采用ｉ星Ｓ３Ｃ９４５４，内部带有４Ｋ字节的Ｉ的Ｍ和２０８个字节的凡～Ｍ，一个内部定时器，一个基本定时器用作看门狗，外部晶振最大１０Ｍ，驱动电流２０ｎＡ，可直接驱动机械计度器。为满足多种电表常数的选择，单片机通过使用外接焊盘改变相应引脚实现，其不同的状态对应不同的电表常数。

单片机的中断１用于接收计量芯片产生的脉冲，并响应该中断，累计脉冲数，当累计的脉冲数达到０．０１度（即电表常数／１００个脉冲数），驱动计度器转动１格，并且将累

积的电量加０．０１，定时器每１０ｍｓ中断一次，这样当时间累

积到２个小时，单片机将累计的电能值储存到ＥＥＰＲＯＭ，外部中断ｌＮＴ０用来完成掉电数据保存，当外部发生掉电时，芯片ＲＨ５ｖＴ４５Ｃ产生一个脉冲信号给单片机，ｓ３ｃ９４５４响应中断，将电量和电表表号保存在储存芯片，单片机的复位端连接到一个１０¨Ｆ的电解电容，这样当掉电发生时，该复位端能维持几十毫秒的高电压，使得单片机有足够的时间完成数据保存再进行复位。

４通信接口

４．１串行接口的基本通信方式

串行接口有异步和同步两种基本通信方式。异步通信采用异步传送格式。

起始位８位数据偶校验位停止位

图３字节传输序列

每字节含８位二进制码，传输时加上一个起始位（０）、一个偶校验位和一个停止位（１），共１１位。其传输序列如图３。Ｄ０是字节的最低有效位，Ｄ７是字节的最高有效位。先传低位，后传高位。上述字符格式通常作为一个串行帧。串行通信中，每秒传送的数据位称为波特率。如数据传送的波特率为１２００，每秒传送字节为１２０个，而字节中每一位传送时间即为波特率的倒数：Ｔ＝１／１２００＝０．８３３ｍｓ。同

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样，如数据传送的波特率为９６００，则字节中每一位传送时

间为Ｔ＝１／９６００＝０．１０４ｍｓ。根据数据传送的波特率即字节

中每一位的传送时间，我们便可用普通Ｉ／０口来模拟实现

串行通信的时序。

４．２

ＲＳ４８５接口

通讯采用Ｒｓ＿４８５标准串行电气接口，可实现多点总线通

信一主多从的数据交换方式，数据终端（ＰＣ机）为主站，费率装置（电表）为从站。每个费率装置均有各自的地址编码。通信链路的建立与解除均由主站发出的信息帧来控制。

４．３帧格式

帧是传送信息的基本单元，每帧由帧起始符、从站地址域、控制码、数据长度、数据域、帧信息纵向校验码及帧结束符等７个域组成。每部分由若干字节组成。帧格式

如表１所示：

表１

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