基于ARM多用户智能电能表设计

0 引 言
随着城市居民住房的发展，楼房用表需求量不断增大，传统的把多个电能表挂在一起的计量方式越来越显出它的弊端；即体积大，成本高，工程造价高，不利于新型住房的集中用电管理。多用户、多功能智能电表不仅能很好地解决上述一体电感问题，还能实现很多智能化的功能。
多用户多功能智能电能表可同时计量48户居民的用电量。该电能表采用2块LPC2294控制，以完成数据的通信和采集；采用2块ARM，以减轻CUP的负担，提高系统的多功能化和智能化。相对于单用户电表，多用户电表有多达32路以上通道，采用同一系统进行分时处理，该系统采用12位A／D转换芯片AD8364，能保证数据采集的精度和速度。上位机还能实现与银联系统联网，可远程控制用户的用电。多用户、多功能电能表在电感器厂家灵活性、多功能化、智能化、精度等方面都有优势。

1 测量原理
该电能表采用交流采样方法进行数据采集，然后通过算法获得电压、电流、有功功率、功率因素等。

将上式离散化后得：

式中用1个周期内有限个采样电压数字量来代替1个周期内连续变化的电压函数电感生产值；△Tm为相邻两次采样的时间间隔；μm为第m一1个时间间隔的电压采样瞬时值；N为1个周期的采样点数。
当采用等间隔采样时，△Tm为常数△丁，同时N=(T／△T)+1，则式(2)变为：

式(3)是根据一个周期采样瞬时值及每周期点数计算电压有效值的公式。
电流计算公式：

计算有功功率的公式：

离散化后为：

式中：im，μm为同一时刻的电流、电压采样值。

2 系统总体方案
系统的硬件和软件采用模块化、标准化设计并充分考虑系统的扩展能力。电能表由主控板、通信板、显示板、继电器控制板和电源板5部分组成。通信模块负责远程通信；主控板完成电能表的所有基本功能；显示板作为系统的显示终端；继电器控制板完成断电和供电控制；电源大功率电感贴片电感器板为整个系统提供稳定安全的电流。图1是电能表的结构框图。该电能表的工作原理是：首先由32路电流互感器采样，再由模拟开关选通后放大滤波送入AD8364转化为数字量，同时电压互感器采样的电压经滤波送入A／D转换器。得到电压和电流的数字量转给采集CPU。采集CPU根据瞬时电压和瞬时电流计算瞬时功率，并把结果送到显示模块予以存储。采集CPU与通信cUP传递数据，通信CPU通过cAN总线传输到上位机。

3 系统单元电路
3．1 主控板
主控板对电流电压信号进行32路分时采集。对采集到的数据进行数据处理，得到有功功率、无功功率，并使精度达到0．1级标准。主控板还完成与通信板和继电器板的数据交换。能够安全监控，提供错误信息，出错保护和恢复。主控板由电源电路，A／D前置电路，数据采集电路，主CPU电路，E2PROM电路等子电路组成。
3．1．1 电源电路
电源电路采用常规的变压器降压供电。在变压器输入端，在对输入的电网电源进行预处理，如过压保护，过流保护，滤波。其原理框图见图2。

电源电路为整个系统供电，它从根本上决定了系统工作的稳定性和安全性，是系统：EMC设计的重要部分。电源电路能滤除外部电网的干扰，同时还能防止内部干扰窜人电网。提供各种保护功能，包括过流保护，输出短路保护，输出过载保护等。为通信板、主控板、继电器控制板和显示叠层片式电感器板提供稳定、充足的电源供应。当电网电压在一定范围内变化时，保证内部电压的基本稳定。

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