基于ARM多用戶智能電能表設(shè)計(jì)

3 系統(tǒng)單元電路
3．1 主控板
主控板對(duì)電流電壓信號(hào)進(jìn)行32路分時(shí)采集。對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到有功功率、無功功率，并使精度達(dá)到0．1級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。主控板還完成與通信板和繼電器板的數(shù)據(jù)交換。能夠安全監(jiān)控，提供錯(cuò)誤信息，出錯(cuò)保護(hù)和恢復(fù)。主控板由電源電路，A／D前置電路，數(shù)據(jù)采集電路，主CPU電路，E2PROM電路等子電路組成。
3．1．1 電源電路
電源電路采用常規(guī)的變壓器降壓供電。在變壓器輸入端，在對(duì)輸入的電網(wǎng)電源進(jìn)行預(yù)處理，如過壓保護(hù)，過流保護(hù)，濾波。其原理框圖見圖2。

電源電路為整個(gè)系統(tǒng)供電，它從根本上決定了系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性和安全性，是系統(tǒng)：EMC設(shè)計(jì)的重要部分。電源電路能濾除外部電網(wǎng)的干擾，同時(shí)還能防止內(nèi)部干擾竄人電網(wǎng)。提供各種保護(hù)功能，包括過流保護(hù)，輸出短路保護(hù)，輸出過載保護(hù)等。為通信板、主控板、繼電器控制板和顯示板提供穩(wěn)定、充足的電源供應(yīng)。當(dāng)電網(wǎng)電壓在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，保證內(nèi)部電壓的基本穩(wěn)定。
3．1．2 A／D前置電路
A／D前置電路負(fù)責(zé)分時(shí)選通各路電流電壓傳感器通道，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大和濾波處理，再送入后面的A／D電路進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。用運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)信號(hào)放大并完成有源濾波。多路選擇器相當(dāng)于多路電子開關(guān)，用8通道A／D芯片CD4051，其電阻小，帶寬大，損耗小，接通電阻小于100 Q。其原理框圖見圖3。

電流和電壓傳感器均由互感器組成，經(jīng)電阻取樣后全部轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)輸出。為防止因傳感器損壞造成后級(jí)電路故障，對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行了保護(hù)處理。32路電流取樣信號(hào)分為3組，分別對(duì)應(yīng)三相電的A相，B相，和C相，而三相電壓取樣信號(hào)則與三級(jí)電流取樣信號(hào)對(duì)應(yīng)，由數(shù)據(jù)選擇器進(jìn)行分時(shí)選通，以保證任一采樣時(shí)刻可以同時(shí)選通三相電流取樣信號(hào)和對(duì)應(yīng)的電壓取樣信號(hào)。從傳感器輸出的信號(hào)一般都比較微弱，不適合進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采用運(yùn)算放大器進(jìn)行放大，同時(shí)，為了防止其他干擾，還要進(jìn)行濾波處理。從這一級(jí)輸出的信號(hào)達(dá)到了信號(hào)處理的要求，就進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換。
3．1．3 數(shù)據(jù)采集電路
數(shù)據(jù)采集由AD8364完成，AD$8364是美國(guó)TI公司生產(chǎn)的高速、低能耗、6通道同步采樣轉(zhuǎn)換、單+5 V供電、16位高速并行接口的高性能模／數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)芯片，芯片帶2．5 V基準(zhǔn)電壓源，可用作ADS8364的參考電壓。每片ADS8364由3個(gè)轉(zhuǎn)換速率為250 kb／s(當(dāng)外部時(shí)鐘為5 MIIz)的ADC構(gòu)成，每個(gè)ADC有2個(gè)模擬輸入通道，每個(gè)通道都有采樣保持器，3個(gè)ADC組成2對(duì)模擬輸人端，可同時(shí)對(duì)其中的1～2對(duì)輸入信號(hào)同時(shí)采樣保持，然后逐個(gè)轉(zhuǎn)換。由于6個(gè)通道可同時(shí)采樣，系統(tǒng)中由電流和電壓采樣得到的6組模擬量同時(shí)進(jìn)行采集。3個(gè)用于采集電流量，另3個(gè)用于采集電壓量。
3．1．4 485接口電路
在要求通信距離為幾十米到上千米時(shí)，廣泛采用RS 485串行總線標(biāo)準(zhǔn)。RS 485采用平衡發(fā)送和差分接收，因此具有抑制共模干擾的能力。加上總線收發(fā)器具有高靈敏度，能檢測(cè)低至200 mV的電壓，故傳輸信號(hào)能在千米以外得到恢復(fù)。RS 485采用半雙工工作方式，任何時(shí)候只能有一點(diǎn)處于發(fā)送狀態(tài)，因此發(fā)送電路須由使能信號(hào)加以控制。RS 485用于多點(diǎn)互連時(shí)非常方便，可以省掉許多信號(hào)線。應(yīng)用RS 485可以聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成分布式系統(tǒng)，其允許最多并聯(lián)32臺(tái)驅(qū)動(dòng)器和32臺(tái)接收器。
3．2 顯示板
顯示板OLED顯示友好界面，全面顯示用戶信息，采用485與主控板交換數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)的液晶顯示器為10．4英寸，分辨率為640×480，26萬色。驅(qū)動(dòng)采用FPGA內(nèi)設(shè)計(jì)液晶控制電路。該系統(tǒng)采用Avalon LCDController的顯示控制IP模塊，可以非常方便地將其移植到Altera公司的CYCLONE系列FPGA中，占用6 000個(gè)左右的LE，能實(shí)現(xiàn)非常豐富的功能。