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ADissertationSubmittedtoShanghaiJiaoTongUniversityforMasterDegreeofEngineeringTHERESEARCHANDAPPILCATIONOFINTELLIGENTELECTRICALINSTRUMNETBASEDONPROFIBUSAuthor：：：JiabinXuSpecialty:ControlEngineeringAdvisorⅠⅠⅠ:AssociateProf.WeiWangAdvisorⅡⅡⅡ:SnEngr.LanPengShanghaiJiaoTongUniversityShanghai,P.R.ChinaMarch15,2013第2页万方数据 万方数据 万方数据 上海交通大学工程硕士学位论文摘要ProfibusProfibus现场总线技术在智能电力仪表中的研究应用Profibus现场总线技术在智能电力仪表中的研究应用现场总线技术在智能电力仪表中的研究应用现场总线技术在智能电力仪表中的研究应用摘摘摘摘要要要要智能电力仪表具有多功能，智能化，具备远程通信接口以及模块化等特点，所以其是智能电网监控系统的重要组成部分，对于实现智能电网安全和经济的运行具有重要的意义。Profibus现场总线技术相较于其他远程通信方式具有国际化、开放式以及不依赖生产设备商等特点，因此将高速度低成本的Profibus总线技术应用于智能电力仪表设计中，能够满足智能电力仪表的特点，并且更加安全准确的实现远程通信。本文主要就是将智能电力仪表的设计与Profibus总线技术相互结合。本文设计了一款具有Profibus通信接口的智能三相电力仪表。论文首先介绍了基本电力参数的测量原理和电力系统的谐波分析原理。其次论文对目前国内外常见电力监控装置的结构进行了分析和比较，并在此基础上设计了一种基于CPU加专用电能计量芯片ATT7022B的多功能电力监控装置。本文对ATT7022B的各项技术参数以及相关应用实现进行了详细的阐述。另外本文采用高性能低功耗的ATmega128/128L芯片作为CPU，它主要完成对ATT7022B芯片的电力参数测量值的读取，电压电流瞬时波形的采集与谐波分析等其他监控功能。为了实现将Profibus总线技术应用到智能三相电力仪表中，本设计选用SPC3芯片，SPC3是一款Profibus专用芯片，选用其的目的是因为SPC3向CPU提交数据请求时将相应CPU内部寄存器的数据发送给SPC3，SPC3会自动打包成符合Profibus协议的数据帧发给上位机，不需用软件完成Profibus协议，因此软件设计大大简化了。论文中硬件电路的设计工作分为计量模块、主控制模块和通讯模块三个部分，并结合设计原理图分别介绍了这三部分的工作原理。然后对智能三相表进行了软件系统设计，这个部分包含有μC/OS-Ⅱ系统的移植，系统驱动程序的设计，仪表应用程序的设计以及本文中的重点针对SPC3芯片功能实现的程序设计。第I页万方数据 上海交通大学工程硕士学位论文摘要最后对智能三相表的软、硬件做了调试并进行了校准和初步的实验，结果表明装置运行稳定，实现了对电网电力参数的精确测量和波形的实时谐波分析，基本符合预期的设计要求。关键词:::智能电力仪表，ATT7022B，ATmega128/128L，SPC3,谐波分析,μCOS-:Ⅱ,ATT7022B的校准。第II页万方数据 上海交通大学工程硕士学位论文ABSTRACTTHERESEARCHANDAPPILCATIONOFINTELLIGENTELECTRICALINSTRUMNETBASEDONPROFIBUSABSTRACTTheintelligentelectricalinstrumentiskindofmulti-function,modularandintelligentdevicethathasremoteinterface,thereforetheintelligentelectricalinstrumentisanimportantpartinthepowermonitorsystermandissignificanttothesafety,efficientyandeconomyofpowergrid.Comparedtootherbuscommunicationsysterms,Profibusistechnologyofcommunicationnetworkwhichisopenandindependentontheequipmentmanufacturer.Therefore,theProfibusasthecommunicationprotocolwithhighspeedanddlowcostisusedintheequipmentdesignoftheintelligentelectricalinstrument,theremotecommunicationoftheintelligentelectricalinstrumentwillbeimprovedmorestableandfaster.ThisthesisisfocusedontheresearchandapplicationoftheintelligentelectricalinstrumentbasedontheProfibus.Thethesisfirstintroducesthemeasurementtheoryofbasicelectricalparametersandtheprinciplesoftheharmonicanalysisinthepowersysterm.Then,byanalyzingandcomparingthesystermstructureofthecommonlyuseddomesticandoverseapowermonitoringdevices,itproposesakindoftheintelligentelectricalinstrumentbasedonCPUandenergymeteringICATT7022B.ThethesisintroducesthetechnicalparametersandapplicationofATT7022B.Thehigh-performanceandlow-powerATmega128/128Lmicrocontrollerisusedasthemaincontrolchip,whichrealizesdatafromATT7022B,instantaneouswaveformcaptureandharmonicanalysisandothermonitorfunctions.Inaddition,SPC3isusedastheappropriativeProfibusIC.SPC3cancommunicatewithCPU,packagethedataasProfibusprotocolandsendthemtotheuppercomputerautomaticallytosimplifythesoftwaredesign.Thedetailschematicdiagramofthedevicehardwareispresentedinthethesis,whichcomprisesthemeasuremodule,themaincontrolmoduleandthecommunicationmodule.Afterthat,itpresentsthesoftwaredesignofdevice,portingembeddedtherealtimeoperatingsystermµC/OS-IItoATmega128/128L,establishingdevicedriversoftwareanddevicefunctionsoftwareespeciallySPC3functionsoftwaredesign.Finally,thecalibrationofthedeviceisimplementedandthepreliminaryexaminationofstabilityandcommunitionspeedforthedeviceisdone.Theresult第III页万方数据 上海交通大学工程硕士学位论文ABSTRACTshowsthatthesystermisreliable,itcancompletethefunctionsofharmonicanalysisandaccuratebasicpowerparametersmeasurementandsatisfytheexpecteddesignrequirement.Keywords:Intelligentelectricalinstrument,ATT7022B,ATmega128/128L,SPC3,µC/OS-Ⅱ,calibrationofATT7022B.第IV页万方数据 上海交通大学工程硕士学位论文目录目目目目录录录录摘摘摘要要要.................................................................................................................................IABSTRACT..................................................................................................................III首字母缩写语表..............................................................................................................1表格目录..........................................................................................................................2图片目录..........................................................................................................................3第一章绪论....................................................................................................................41.1课题研究的背景以及意义.....................................................................................41.2智能电力仪表的研究现状以及PROFIBUS在其中的应用现状..............................51.3课题研究内容.........................................................................................................7第二章PROFIBUS-DP通讯协议原理以及电力参数测量原理...................................82.1PROFIBUS-DP通讯原理...........................................................................................82.1.1概述.................................................................................................................82.1.2PROFIBUS-DP协议结构.................................................................................82.1.3PROFIBUS-DP数据通讯协议.........................................................................82.1.4PROFIBUS现场总线通信..................................................................................................102.2电力参数测量原理................................................................................................112.2.1电压、电流有效值的采样测量.......................................................................112.2.2功率测量.........................................................................................................122.2.3电能测量.........................................................................................................132.2.4功率因素的测量.............................................................................................132.2.5频率测量.........................................................................................................142.3电力系统谐波分析算法.......................................................................................142.4本章小结..............................................................................................................16第三章智能电力仪表的硬件实现.............................................................................173.1智能电力仪表功能分析.......................................................................................173.2智能电力仪表的硬件总体设计............................................................................183.3计量模块..............................................................................................................193.3.1电力计量专用芯片.........................................................................................193.3.2ATT7022B芯片的外围电路............................................................................21第V页万方数据 上海交通大学工程硕士学位论文目录3.4CPU模块..............................................................................................................243.4.1AVRAtmage系列单片机简介.........................................................................243.4.2AVRAtmage系列单片机寄存器结构.............................................................253.4.3AVRAtmage系列单片机的选型.....................................................................303.4.4Atmega128/128L芯片介绍.............................................................................313.4.5系统时钟电路.................................................................................................333.4.6JTAG接口电路...............................................................................................333.4.7RTC电路........................................................................................................343.5通讯模块..............................................................................................................353.5.1PROFIBUS专用通讯芯片介绍......................................................................353.5.2SPC3通讯接口的防雷击电路........................................................................383.6本章小结..............................................................................................................39第四章智能电力仪表的软件设计.............................................................................404.1UC/OS-Ⅱ在ATMEGAL128单片机上的移植和开发.................................................404.1.1uC/OS-Ⅱ嵌入式实时操作系统简介..............................................................404.1.2Atmega128的中断响应机制...........................................................................414.1.3将uC/OS-Ⅱ移植到Atmega128单片机上.....................................................424.2硬件驱动程序的编写...........................................................................................474.2.1SPI总线驱动..................................................................................................474.2.2I/O口驱动......................................................................................................524.3智能电力仪表的应用程序设计............................................................................534.4智能电力仪表的PROFIBUS通讯协议程序设计...................................................554.4.1SPC3初始化函数...........................................................................................554.4.2诊断数据的发送.............................................................................................574.4.3SPC3的中断程序设计...................................................................................584.4.4上位机与SPC3数据通讯的程序实现...........................................................604.4.5电子设备数据文件GSD的编制...................................................................624.5本章小结..............................................................................................................63第五章智能电力仪表的测试.....................................................................................645.1智能三相表的校准...............................................................................................645.2智能三相表精度测试...........................................................................................665.3智能三相表的通讯测试评估...............................................................................675.4智能三相表界面介绍...........................................................................................715.5本章小结..............................................................................................................73第六章总结及展望.....................................................................................................74第VI页万方数据 上海交通大学工程硕士学位论文目录参参参考考考文文文献献献..................................................................................................................76附录1符号与标记........................................................................................................78致致致谢谢谢..........................................................................................................................79攻读硕士学位期间已发表或录用的论文......................................................................80第VII页万方数据 上海交通大学工程硕士学位论文首字母缩写语表首字母缩写语表首字母缩写语表首字母缩写语表DSPDSPDigitalsignalprocessor,数字信号微处理器；DSPMCUMCUMicrocontrolunit,微控制单元；MCUUARTUARTUniversalAsynchronousreceiver/transmitter,UART异步收发器；ASICASICApplicationspecificintegratedcircuit,专用集ASIC成电路；DDLMDDLMDirectdatalinkmapper,直接数据链路映像程序；DDLMSPISPISerialperipheralinterface,串行外围设备接口；SPIRISCRISCReducedinstructionsetcomputing,精简指令集；RISCRTCRTCReal-Timeclock,实时时钟；RTCCMOSCMOSComplementarymetalOxidesemiconductor,互补金CMOS属氧化物半导体；SPC3SPC3Simensprofibuscontroller,profibus-DP开放式工业SPC3现场总线智能接口芯片；第1页万方数据 上海交通大学工程硕士学位论文表格目录表格目录表格目录表格目录表2-1Profibus-DP协议结构……………………………………………………………...….....................8表3-1ATmage8状态寄存器……………………………………………………………...…......................25表3-2ATmage8中断控制寄存器……………………………………………………………...….............25表3-3ATmage8I/O特殊功能寄存器………………………………………………………………........25表3-4ATmage8T/C0控制寄存器……………………………………………………………...…............26表3-5ATmage8寄存器bit位介绍…………………………………………………………….................26表3-6ATmage8定时计数器中断屏蔽寄存器………………………………………………………....26表3-7ATmage8定时计数器中断标志寄存器……………………………………………………….....26表3-8ATmage8SPI控制寄存器……………………………………………………………...…..............27表3-9ATmage8SPI状态寄存器……………………………………………………………...….............27表3-10ATmage8USART数据寄存器………………………………………………………………...........28表3-11ATmage8USART控制状态寄存器UCSRA………………………………………………………28表3-12ATmage8USART控制状态寄存器UCSRB………………………………………………………28表3-13ATmage8USART控制状态寄存器UCSRC………………………………………………………29表3-14ATmage8模数转换功能ADC有关的I/O寄存器……………………………………………..29表3-15ATmage8ADC控制和状态寄存器……………….………………………………………………29表3-16ATmage8ADC数据寄存器…………………………………………………………………………30表3-17ATmage8EEPROM地址寄存器……………………………………………………………………30表3-18ATmage8EEPROM控制寄存器……………………………………………………………………30表3-19JTAG接口引脚定义………………………………………………………………………………….34表5-1频率测试值………………………………………………………………………………………...…66表5-2电压有效值测试值……………..………………………………………………………………...…66表5-3电流有效值测试值………………..……………………………………………………………...…66表5-4功率因素测试值………………………...………………………………………………………...…67表5-5有功功率测试值……………………………………………...…………………………………...…67表5-6谐波测试值………………………………………………………………………………………...…67表5-7智能电力仪表与上位机通讯检测结果……………………………………………………….…69第2页万方数据 上海交通大学工程硕士学位论文图片目录图片目录图片目录图片目录图2-1电压，电流有效值测量示意图……………………………………………………………...…......11图2-2ATT7022B有功功率测量示意图……………………………………………………………...…...12图2-3ATT7022B无功功率测量示意图……………………………………………………………...…...13图3-1智能电力仪表功能示意图……………………………………………………………...….............17图3-2智能电力仪表硬件结构示意图……………………………………………………………...…....18图3-3ATT7022B芯片七路模拟输入电流与电压通道示意图………………………………………21图3-4电流前端采样电路示意图……………………………………………….……………...…............21图3-5ATT7022B外围电路示意图…………………………………..………………………...…..............22图3-6ATmage128/128L时钟电路示意图…………………………………………………………….....33图3-7JTAG接口电路示意图……………………………………………………………...….....................34图3-8RTC电路示意图……………………………………………………………...…................................35图3-9SPC3与ATmage128/128L连接示意图……………………………………………………………37图3-10SPC3通讯接口防雷击电路示意图………………………………………..……………….…......38图4-1ATmage128/128L中断程序示意图…………………………………………………………….....42图4-2INCLUDES.H文件……………………………………………………………...…..............................44图4-3OS_CPU.H文件……………………………………………………………...…...................................45图4-4OS_CPU_C.C文件……………………………………………………………...…..............................46图4-5SPI数据传输时序图……………………………………………………………...….......................47图4-6主机与SPI从机字节传输的软件实现示意图…………………………………………………48图4-7SPI读操作时序图……………………………………………………………...…............................49图4-8ATT7022B的SPI方式下寄存器的读操作流程图…………………………………………….50图4-9SPI方式下寄存器读函数为Read_SPI示意图………………………………………………..51图4-10SPI写操作时序图…………………………………………………………...….................................51图4-11SPI方式下寄存器写函数为Write_SPI示意图……………………………………………….52图4-12I/O读操作示意图…………………………...………………………………...….............................53图4-13I/O读操作程序示意图……………………………………………………………...…...................53图4-14ATT7022B初始化及校准流程示意图……………………………………..…………………......54图4-15SPC3初始化流程图………………………………………………………….…...…........................56图4-16SPC3中断流程示意图…………………………………………………………......…......................59图5-1通讯速率验证流程图……………………………………………………………...…......................69图5-2上位机电压监控图……………………………………………………………...…..........................70图5-3上位机电流监控图I……………………………………………………………...….......................70图5-4上位机电流监控图II……………………………………………………………...….....................71图5-5Profibus地址设置……………………………………………………………...….........................71图5-6波特率设置……………………………………………………………...…........................................72图5-7接线方式设置……………………………………………………………...…....................................72图5-8电压及频率……………………………………………………………...…........................................73第3页万方数据 上海交通大学工程硕士学位论文第一章绪论第一章绪论绪论绪论绪论本章将要探讨智能电力仪表的研究意义，以及阐述其目前的发展状况。并详细介绍了本文将要完成的研究设计工作，提出了本文需要完成的设计目标等内容。除此之外，本章还介绍了论文各个章节的大致结构和研究内容。1.11.1课题研究的背景以及意义1.1课题研究的背景以及意义课题研究的背景以及意义课题研究的背景以及意义电力资源相比于其他能源，具有大规模和大范围的开发消纳，以及远距离传输等特点。智能电网是目前能够满足上述特点的最理想的方式，这是因为智能电网具备有满足用户的多样化需求，有利于电力资源优化配置以及为电力资源的集约化提供发展平台等优势。智能电网的建设将为我国经济发展方式转变提供重要的实践机遇。这一点表现在以下两个方面：（1）智能电网能够带动通讯等高科技产业链的发展，协助整合调整整个产业结构，从而达到装备升级以及促进技术进步等目的。（2）智能电网能够促进制造等传统产业的良性发展，同时由于发展智能电网需要在关键技术领域的研究中立足于自主创新，这也为自动化、通讯等新兴产业的发展提供了广阔的平台。作为电网中的二次设备，本文所要论述的智能三相表具有测量各类电力参数的功能，除此之外，该智能三相表还具备有通讯接口以便与控制监控系统进行网络连接，这是传统电力仪表所不具备的功能。正是由于智能三相表具备这些功能，操作人员能够迅速便捷的设置仪表参数并且更快更准确的获得测量参数，这使得智能三相表的人机界面更加人性化。目前，在各类工业化自动化系统、低压变配系统、工矿企业电量管理等相关应用中，各种不同类型的智能电力仪表都开始发挥出巨大的作用。目前企业正在对其电力成套设备产品进行技术革新，本文中论述的就是一款能够集成至电力成套设备中的智能三相表。企业最早设计生产的电力成套设备中使用的仪表是模拟式仪表或者是数字式测量仪表。但是考虑到电力成套设备往往都是被安装使用在工矿企业以及大型楼宇这种工业环境内，并且目前企业和楼宇都会对其电网中各个设备进行联网监控以便及时采集数据进行管理，所以上述两款老式的检测仪表在实际使用中的缺点就十分明显，如不能兼容到企业的控制网络中，不适宜复杂的工业环境等等。因此研究出这么一款具备有多功能、智能化、具备远程通讯端口、模块化的智能三相电力仪表就变的十分迫切。同时，鉴于目前国内大范围引进欧式的电力控制系统和各类设备，所以在通讯方面Profibus总线的应用越来越普及，加之Profibus其本身的高效可靠性，为了达到能让智能三相表能够与企业电力控制网络兼容，从而增加成套电力设备的市场竞争力的目的，本文在智能三相电力仪表设计中采用Profibus总线通信端口。本文研究的智能三相表将要达到如下设计要求：智能三相表能够自动测量电网的电压、电流、功率以及相位和频率等；智能三相表对电力参数的测量误差小于0.2%（其中有功功率第4页万方数据 上海交通大学工程硕士学位论文第一章绪论测量要满足0.5S级有功测量）；智能三相表具有谐波分析功能，其测量值误差要小于0.3%；智能三相表能够与上位机通过Profibus总线进行通讯，通讯的波特率可从4800,9600,19200，38400b/s中进行进行选择；通讯可靠性强。综上所述，对于智能仪表的各种功能的研究和开发具有迫切性和必要性以及广阔的前景。1.21.2智能电力仪表的研究现状以及1.2智能电力仪表的研究现状以及智能电力仪表的研究现状以及Profibus智能电力仪表的研究现状以及ProfibusProfibus在其中的应用现状Profibus在其中的应用现状在其中的应用现状在其中的应用现状电力仪表及装置随着电测量理论的发展大致经历了三个阶段：第一阶段是模拟式仪表，它直接对模拟量进行测量，如模拟万用表、电压表和电流表等；第二阶段是数字测量仪表，它与模拟式仪表不同的是其先通过转换电路将模拟信号转变成数字电路后再进行计算和显示等。数字测量仪表的优点是可靠性比较高并且测量精度也有很大的提高，但是它的缺点就是转换电路过于复杂从而不足以应付复杂多变的工业环境且不易校准；第三阶段是智能仪表，这类仪表整体结构最为简化，这是因为它都含有微处理器，并且[1]通过微处理器进行数据采集、分析和存储。这类仪表具有测量精度高、功能强、能适应各种复杂的环境变化和易于校准等优点，微机技术以及电子技术的高速发展已经使电力仪表进入智能仪表时代。目前市场上已出现不少生产厂家开发出的多功能智能电力仪表，应用在输、配电网中。此类产品通常具备以下特点：1.多功能。电力仪表具备有两个基本功能：首先是电力参数的监控，然后是电能的计量。在上述两个基本功能的基础上，还可以根据实际应用情况对电力仪表进行升级使其具备有电[2]能质量的检测分析以及遥控等高级功能。随着电力部门用电管理、营销模式的发展，电力仪表也需适应电力系统管理需求集多种辅助功能于一体。2.智能化。电力仪表内部计量和管理的MCU具备越来越强的数据处理能力，能够快速捕获电网问题，实现谐波分析等高级功能，同时还有一定的数据存储能力，能够对实时数据进行统计分析并保存，满足长期在线监测的需求。3.具备远程通信接口。在当前电力网、通讯网、因特网三网合一的趋势下，电力仪表必须具有通讯功能才能使系统处于有效的监控之下，由监控和管理系统对电能质量现象进行深入的分析、统计、长期评估和预测等。4.模块化。软、硬件采用模块化设计，一方面使得功能上具备配置的灵活性，以适应电力系统的不同应用场合；另一方面，电力市场改造力度大，技术更新较快，模块化设计对标准模块进行封装，如电源模块、计量模块、显示模块等，开发升级集中在各个模块技术上的更新。从具体实现的方式来看，当前智能电力仪表硬件在结构上大体分为以下几种：1.双MCU结构：通过A/D采集三相电压电流信息，前端MCU负责数据的采集及处理，后端MCU负责计算出各电力参数，并完成数据的分析、统计及保存、显示、控制和数据通信等功能。由于结构的限制，MCU本身的性能、采样算法的选用以及采样频率等多个因素都第5页万方数据 上海交通大学工程硕士学位论文第一章绪论会最终影响仪表的测量精度。这类结构可以较好的实现各种控制功能，但处理复杂数据的能力比较差，数据的精度不是很理想。2.DSP+MCU结构：用DSP取代上述结构中的前端MCU,利用其强大的数字信号处理功能完成数据采集和运算，可以得到更高的数据精度。MCU主要完成显示、通信和控制等功能。这种结构的优点是便于MCU和DSP的各类功能得到充分的利用，同时它也使系统资源预留下有一部分空间便于系统的改进和扩展。它的缺点是造成一定的资源浪费，造价较高。3.MCU+ASIC结构：基于数字信号处理的专用电能计量集成芯片以ADC过采样和包含数字滤波器、乘法器、开平方器和各种计量算法的定制DSP为主要技术，能够实现对电力数据的采集及电力基本参数的精确计算。由于DSP分担了一部分计算任务，所以MCU所要执行的任务相对比较简单：对计量芯片进行数据通讯和统计分析，对寄存器状态进行控制以及处理中断。这种结构使得装置的计量单元和数据处理两大单元较为均衡和合理。前两种结构均需要利用位数较多的A/D转换电路来获得较高的数据精度，因此硬件结构非常复杂，并且元器件非常多，导致设计过程复杂，对企业而言也不够经济。第三种方案在不仅简化了硬件设计，也降低了软件编程的复杂性，使得电力监控装置的体积大为减小，功耗成本降低，提高了系统可靠性和测量精度。据此，本文中将采用MCU+专用电能计量芯片方案，开发一种集测量、显示、控制、保护于一体的高精度多功能的智能电力仪表。正是由于智能电力仪表需要具备远程通讯接口的特点，所以目前绝大多数的智能电力仪表研发设计公司都推出了使用各种总线协议通讯的智能仪表。而本文中将研究的Profibus总线，主要具备有如下特点：（1）线存储协议的实时性。Profibus主站之间采用的传递方式是令牌传递,主站和从站[3]之间采用的传递方式是主从传递。令牌传递能够确保每个主站在一定时间内得到令牌进行总线访问，在访问期间根据主从关系表和从站进行数据通讯。系统通过上述方式来保证实时性。例如,主频200MHz的CPU,300个I/O点的扫描周期小于50ms。（2）系统配置灵活。可根据应用对象的控制要求,灵活选择纯主-从系统、纯主-主系统或多主多从的混合系统.。Profibus能够根据应用的需要来选择合适的系统，如：主从系统、主主系统以及多主多从系统等。DP系统和FMS系统能够在一根双绞线上同时操作，这是由于它们具有相同的传输技术以及总线存储协议；PA和DP之间使用分段耦合器也能方便地集成在一起，综上所述3种系列的Profibus亦容易集成在一起。（3）Profibus的安全特性。Profibus支持总线供电。在一条双绞线上即可实现数据通信和向现场设备供电。总线的操作电源不需要绝缘隔离装置，即使在维修、断开、接通现场设备等过程中也不会影响总线上的其它设备节点。（4）Profibus的协议硬件实现方便。从理论上而言,Profibus总线协议能够在任何带有[4]通用异步收发器的微处理器上应用。但当传输速率高于500Kbit/s时,最好采用专门的Profibus协议芯片实现,提供Profibus协议芯片的厂家有IAM、Motorola、第6页万方数据 上海交通大学工程硕士学位论文第一章绪论[5]IEMENS、Delta、SMAR等。正是因为Profibus总线技术具有上述特点，所以其能够很好的满足设计的智能电力仪表在极其恶劣复杂的工业环境下通讯的准确以及高效。1.31.3课题研究内容1.3课题研究内容课题研究内容课题研究内容本文将研究设计一款基于Profibus通讯技术的智能电力仪表，完成装置的硬、软件实现。该仪表实现功能主要包括对电压有效值、电流有效值、功率、功率因数、电能和频率等电力[6]参数的测量、谐波分析、界面交互和数据通信功能等。设计对智能电力仪表进行了功能分析，其中特别是对Profibus总线技术进行了阐述和分析，并对常见电力仪表的结构进行了分析和比较，确定了装置的体系结构，采用MCU+ASIC设计方案，基于模块化设计思想对计量模块、CPU模块及Profibus通信模块进行研究和设计。本文将采用以ATT7022B为核心的计量模块完成电流电压等信号的波形采样及基本电力参数的精确计算；采用以ATmage128/128L为核心控制模块负责数据的分析、统计、存储以及数据通讯功能；采用以Profibus专用芯片SPC3来完成智能电力仪表与上位机的通信。本文还对多功能电力监控装置进行了软件系统设计，采用μC/OS-Ⅱ实时操作系统以保证程序的实时性，简化应用程序的设计。本文将研究把μC/OS-Ⅱ操作系统移植到ATmage128/128L处理器上的具体方法，对应用程序进行任务及中断处理设计实现装置相应的功能,将设计SPC3对应的应用程序来实现总线通讯。本文最后将介绍与研究智能三相表的校准方法，在对装置进行了校准后，采用了标准源比对法对装置的精度测试进行了验证。论文中研究的基于Profibus总线通讯技术的多功能智能电力仪表集测量、控制与通讯于一体，能够替代传统仪表、变送器和信号传输装置等设备。它可广泛应用于低压、中压和高压开关柜和变配电系统中，实现对电量参数、电能质量及负荷水平的遥测、遥信、遥控功能。本论文中各个章节的主要内容如下：第1章为绪论部分，介绍了课题研究的背景、意义及电力监控装置的研究现状，确立了课题的研究任务，简述了设计中采用的方案。第2章首先分析了Profibus总线技术的特点原理，并结合ATT7022B介绍了电力基本量的测量方法和电力系统谐波分析(FFT)的基本理论；第3章分析了多功能电力监控装置所应具备的常见功能，介绍了装置的硬件设计。详细分析了硬件电路的特点和设计要点，分析了电路的工作过程。第4章介绍了装置的软件设计。第5章对装置进行了校准，并做实验对装置精度,通讯传输速度以及传输准确性等进行了验证。第6章对整个文章所做内容做了总结及展望。第7页万方数据 上海交通大学工程硕士学位论文第二章Profibus-DP通讯协议原理以及电力参数测量原理第二章ProfibusProfibusProfibus-Profibus---DPDPDPDP通讯协议原理以及电力参数测量原理通讯协议原理以及电力参数测量原理通讯协议原理以及电力参数测量原理通讯协议原理以及电力参数测量原理本文中设计智能电力仪表具有对电压、电流有效值、功率、功率因数、电能和频率等重要电力参数进行实时测量和谐波分析的能力，并且具备将这些数据及时通过Profibus总线与上位机进行通讯的功能，下面将简单介绍Profibus-DP通讯原理，电参数测量原理及电力系统谐波分析算法。2.1Profibus2.1Profibus-2.1Profibus---DPDPDPDP通讯原理通讯原理通讯原理通讯原理2.2.2.1.12.1.11.1概述1.1概述Profibus-DP不仅描述通信功能，而且还描述固定的应用。Profibus常见的设备类型有一类DP主站、二类DP主站以及DP从站，而用户选用哪种设备类型决定了上述的DP固定应用。Profibus-DP协议没有应用层。所以它只能使用FDL与FMAI/2的服务，这样做的目的是为了提高传输数据的效率。为提供一个更舒适的第2层存取，用户需要一个有预先定义DP通信功能的直接数据链路映象程序(DirectDataLinkMapper，DDLM)[7][8][9]。2.1.2Profibus2.1.2Profibus-2.1.2Profibus---DPDPDPDP协议结构协议结构协议结构协议结构表2-1Profibus-DP协议结构DP设备行规用户层DP基本功能和扩展功能DP用户接口（直接数据链路映射程序DDLM）第3-7层空第2层现场总线数据链路层（FDL）（数据链路层）FMA1/2第1层（物理层）物理层（PHY）Profibus-DP的协议以ISO／OSI参考模型为基础，并对其进行了简化，如表2-1所示。Profibus-DP协议只使用到物理层，数据链路层以及用户层，其它层都没有使用。这种精简的[9][10]结构确保高速数据传输及较小的系统开销。2.1.3Profibus2.1.3Profibus-2.1.3Profibus---DPDPDPDP数据通信协议数据通信协议数据通信协议数据通信协议1.Profibus-DP设备类型各类分散式的数字化控制器系统可以通过Profibus-DP总线协议来实现车间级的网络化。这类系统中包含有主站和从站。在Profibus总线协议中，主站也称为主动站，其决定Profibus总线的数据通讯。只要主站得到令牌即总线控制权后就可以主动发送数据信息，而不需要等待外界请求。从站在Profibus协议中也称为被动站。作为外围设备，从站只能确认或回应主站发出的各类请求，其不具有如同主站一样的总线控制权。典型的从站包括有测量变速器，驱动器以[11][12]及输入/输出装置。第8页万方数据 上海交通大学工程硕士学位论文第二章Profibus-DP通讯协议原理以及电力参数测量原理在典型的远程I/O配置中，单主站配置主要用于满足反应时间的要求。在低速应用中多主站的配置也是可以的。Profibus-DP通信采用轮询原理(主-从方法)。DP从站被DP主站按轮询表依次访问。这意味着DP从站需要一个主站请求来交换信息。报文传送按循环方式组织。[13]一个报文循环通常包含两个部分：首先是主站的请求帧；然后就是相应从站的响应帧。一个Profibus-DP系统包含着若干个通信单元。这些单元可以是DP设备或者按照Profibus的FMS协议工作的设备。站的类型有：一类DP主站；二类DP主站；FMS主站；DP从站；[14]FMS从站。一类DP主站：DP主站根据己定义好的算法来控制若干个DP从站。一类DP主站用Profibus-DP功能与DP从站通信。轮询与其相关的从站，以递交数据给它的本地用户。并且能应用一组功能与二类DP主站通信。二类DP主站：在Profibus-DP系统中，二类DP主站是一个程序员或一个管理设备，其根据请求服务的种类来决定选择操作方式或者寻址。一组功能支持复杂DP系统的管理与诊断。FMS主站：这是一个按照Profibus-FMS协议的规则讲行通信的的主站。DP从站：DP从站可被两种类型的DP主站来寻址。DP从站实现一组己定义的响应方功能。[15]FMS从站：它定义一种按照Profibus-FMS协议规则进行通信的从站。2．．．各类．各类DP设备之间的数据通信主站和从站在在DP系统运行前，都应该被赋予相应的且唯一的地址，其中可通过总线[13]来设定此从站地址。对于DP主站，它的地址不能够设置为缺省地址；但是DP从站如果没有设定独立地址却可以设置缺省地址，缺省地址从126开始。对于二类DP总站，其能够通过这个初始的唯一地址来对某一从站进行存取并且给与这个从站一个特定地址。一类DP主站为了方便与从站进行I/O数据交换，故其拥有一个有效的参数集。这个参数集包含三个部分：若干组组态数据，总线参数以及地址赋值表。在这个三部分内容中，每一组组态数据会对应一个DP从站，这一组数据中会包含相应DP从站的所有的必须信息；地址赋值表会给DP主站用户的每一个远程I/O赋予一个唯一地址。需要说明的是，协议规定一类DP主站不能与地址为126的DP从站进行I/O数据交换，这是出于数据交换时的安全考虑。[16][17]在DP主站进行用户数据交换之前，首先一类DP主站会根据上述所提到的参数集来检查其对应的那些DP从站的存在状态。然后在得到响应后，DP主站会一一为这些从站设定参数并检查其组态。接下来DP主站会读取从站的组态诊断数据来判定从站的状态是否正常。如果组态检查以及参数设定都正常，最后DP主站才会进入用户数据交换模式。值得注意的是在不退出用户数据交换模式的情况下，一类DP主站能够重新对从站进行参数设定。另外，每一个二类DP主站能够读每一个DP从站的诊断、输入/输出。如果某个DP从站遇到诊断事件，其会用高优先权将这个诊断响应发送给DP主站，待DP主站读取这个响应后通知它的本地用户。第9页万方数据 上海交通大学工程硕士学位论文第二章Profibus-DP通讯协议原理以及电力参数测量原理二类DP主站能够控制某个从站，被控制的从站随即将停止与一类DP主站之间的数据交换。这种状态被一类DP主站认可。在从站被二类DP主站控制期间，一类DP主站将循环地读取诊断信息，直到字段“Master-address”中的一个值是无效为止。假如此二类DP主站已经结束它与那个DP从站的通信，它将设置“Master-address”为无效。此事件触发一类DP主站[18]重新获得控制。如上所述，它将首先发送参数与组态。一类DP主站与从站通过用户接口并利用DP应用进行应用通讯，但是DP应用需要预先定义。上述的用户接口具备下列主-从功能：（1）读DP从站的诊断信息；（2）循环的用户数据交换模式；（3）参数化与组态检查；（4）提交控制命令。这些功能由用户独立处理。用户与用户接口之间的接口由若干服务调用与一个共享数据库组成。协议也规定能够在二类DP主站与从站间附加下列功能：（1）读DP从站的组态；（2）读输入/输出值；（3）对DP从站分配地址等。二类DP主站调用DP主站(一类)的下列功能：读一类DP主站的相关DP从站的诊断信息；参数上载与下载；激活总线参数；激活与解除激活DP从站；选择一类DP主站的操作模[19]式等。[13]DDLM为在所有三类设备中的用户或用户接口提供舒适的对Profibus第二层的存取。2.1.4Profibus现场总线通信1.Profibus-DP中的通信关系在Profibus-DP中有两种类型的通信：单主站对单从站；单主站对多从站(群播通信)。通信取决于不同站的介质存取类型；其中包括：主-从通信：在一类DP主站与DP从站之间、在二类DP主站与DP从站之间；主-主通信：在一类DP主站与二类DP主站之问。在Profibus系统中，请求方通常是指通讯功能的发起方，相对应接受方是指目的站。主-从通信的发起方总是DP主站。主-主通信的发起方总是二类DP主站。除同步控制(DDLM_[20][21]Global_Control)外，所有主-主通信类型都是一对一通信。2.功能描述Profibus-DP提供下列基本功能：主站诊断读取：通过此功能可以读一类DP主站的关于它所属从站的诊断信息。诊断信息由全局诊断概要和站诊断组成。参数开关选择所需的功能。激活总线参数：此功能激活先前装载的总线参数集。激活/解除激活DP从站：用此功能能迫使DP主站停止轮询DP从站，或重新开始轮询[13]DP从站。第10页万方数据 上海交通大学工程硕士学位论文第二章Profibus-DP通讯协议原理以及电力参数测量原理DP从站诊断信息读取：一个应用可以用此功能从DP从站读取诊断信息。输入输出的数据交换：此功能用于一类DP主站与所属从站之间的循环I/O数据交换。[22][23]设定DP从站的参数：此功能在系统起动时、在重新起动之后以及在DP系统的用户数据[13]交换模式中设置DP从站的参数。检查DP从站的组态：DP从站使用此功能能检查组态。其主要目的是定义输入与输出的个数与结构。发送控制命令给DP从站：主站能发送特定的控制命令到一个(单一)或多个(群播)DP从站。不同的命令用参数来区别。读DP从站的组态数据：对于一个没有DP从站组态数据的主站能用该功能获得这些信息。读DP从站的输入与输出：此功能使所有主站能够获取在特定的主站控制之下的DP从站的输入与输出。更改DP从站的站地址：在初始化期间DP主站能设定DP从站的站地址。2.22.2电力参数测量原理2.2电力参数测量原理电力参数测量原理电力参数测量原理电力参数通常包括有电压有效值，电流有效值，有功功率，无功功率以及视在功率，有功，无功电能以及频率等。目前常见的电力参数测量主要分为直流采样以及交流采样两种方式。特别需要注意的是直流采样在在谐波含量较大的情况下并不适用。因此，当采样信号的谐波量比较大，则需要采用交流采样的方法。其原理是首先对被测信号进行离散采样，再经一定的数字算法求解被测量。本设计中选用的ATT7022B计量芯片实现了对工频周期信号参数的真有效值值测量，下面简述其测量原理。2.2.12.2.1电压2.2.1电压电压、电压、、、电流有效值的采样测量电流有效值的采样测量电流有效值的采样测量电流有效值的采样测量正弦交流电电压、电流信号的大小通常用其有效值来表示。依据定义，周期连续信号ft()的有效值为：1t2Frms=∫ft)(dt(2-1)t0T[23]以采样周期s对信号ft()等间隔离散采样，每周波N点，得到离散化的有效值表达式：N12Frms=∑f[n](2-2)Nn=1式中f[n]表示信号在第n时刻的采样值。电压、电流采样值URmsaIRmsa高通滤波器数字滤波器开平方图2-1电压、电流有效值测量示意图第11页万方数据 上海交通大学工程硕士学位论文第二章Profibus-DP通讯协议原理以及电力参数测量原理Figure2-1Effectivevalueofvoltageandcurrentmeasurementgeneralview如图2-1，ATT7022B首先将电压、电流采样信号通过高通滤波器，然后进行平方，接下来再经过数字滤波器，最后开平方最终得到电压，电流的有效值。其相关的原理如下所示：¥f(t)=∑2Fksin(kwt+jk)(2-3)k=1对其平方有：¥¥222f(t)=∑Fk-∑Fkcos(2kwt+jk)k=1k=1¥+22×F×Fsin(kwt+j)×sin(mwt+j)∑kmkm(2-4)k,m=1k=m经数字滤波器滤波得到其直流分量，再开平方得到其有效值：¥2F=∑Fk(2-5)k=12.2.2功率测量ATT7022B计量芯片提供了完善的功率测量功能，本次设计中主要应用到有功功率，无功功率以及视在功率的测量计算。电压采样值功率增益校正高通滤波器P功率计算电流采样值高通滤波器相位校正图2-2ATT7022B有功功率测量原理图Figure2-2ATT7022Bactivepowermeasurementgeneralview如图2-2所示，ATT7022B首先将电压和电流采样值经过高通滤波器，然后将电流值再经过相位校正后与电压值相乘得到瞬时有功功率。然后再通过功率增益校正和功率计算取其直流分量最终得到有功功率。其具体测量原理如下：交流输入电压vt()、电流it()分别为：¥v(t)=∑2Vksin(kwt+jk)(2-6)k=1¥(ti)=∑2Iksin(kwt+gk)(2-7)k=1则瞬时有功功率可表示为：p(t)=v(t)×(ti)第12页万方数据 上海交通大学工程硕士学位论文第二章Profibus-DP通讯协议原理以及电力参数测量原理¥¥=∑VkIkcos(jk-gk)-∑VkIkcos(2kwt+jk-gk)k=1k=1¥+∑VkIm{cos[(k-m)wt+jk-gm]-cos[(k+m)wt+jk+gm]}(2-8)k,m=1k=m依据定义，有功功率P为：¥1nTP=∫p(t)dt=∑VkIkcos(jk-gk)(2-9)nT0k=1从而可以得出有功功率值P为瞬时有功功率pt()波形中的直流分量。电压采样值功率增益校正高通滤波器90移相滤波器Q功率计算电流采样值高通滤波器相位校正图2-3ATT7022B无功功率测量原理图Figure2-3ATT7022Breactivepowermeasurementgeneralview如图2-3所示，根据无功功率的计算法则，将电压值相移90°角后与电流值相乘可得瞬时无功功率，其他原理步骤与有功功率类似，其原理推导如下：¥1nTQ=∫q(t)dt=∑sin(jk-gk)(2-10)nT0k=1视在功率可由电压、电流有效值相乘来得到：S=V×I(2-11)rmsrms2.2.3电能测量根据电能的定义，其是消耗的能量的累计，是时变瞬时功率对时间的积分。以有功电能计算为例：¥W=∫p(t)dt=lim{∑p(nT)×T}(2-12)T®00式中T为功率累加周期。2.2.4功率因素的测量功率因素计算原理如下：abs(P)P=sign(Q)×(2-13)fabs(Q)功率因数的符号由无功功率的符号来确定。第13页万方数据 上海交通大学工程硕士学位论文第二章Profibus-DP通讯协议原理以及电力参数测量原理2.2.5频率测量ATT7022B采用周期计数法来计算频率。在被测信号相邻同向过零点这段时间内，对高频时钟f的脉冲信号计数，进而计算出信号周期。信号周期计算公式为：clkfclkf=(2-14)lPeriod其中Period为计数寄存器值。2.32.3电力系统谐波分析算法2.3电力系统谐波分析算法电力系统谐波分析算法电力系统谐波分析算法谐波测量非常关键。它是解决谐波问题的基础，是治理谐波污染、提高电力系统电能质量的前提。因此，智能电力仪表引入衡量电能质量的各次谐波分析，以帮助电力控制系统实现干扰源的定位，保正高质量的电能供应。[24]目前在电力系统中，通过傅里叶变换来进行谐波分析最为常见。设电力系统中电压、电流均是周期信号，其傅立叶级数可表示为：¥f(t)=A0+∑(Ancosnwt+Bnsinnwt)(2-15)n=1各次谐波成分的幅值亦即傅里叶系数为：1tA0=∫f(t)dt(2-16)T02tA=f(t)×cosnwtdt(2-17)n∫T02tB=f(t)×sinnwtdt(2-18)n∫T0其中w为基波角频率，T为基波周期，n=1,2,3,…为谐波次数。选定一个周期,将电压或者电流信号N等分,即得到一组采样序列{fk},k=1,2,…,N,第k个采样时刻为t=kT/N。另外有w=2π/T,dt=T/N，可求出离散化后的n次谐波系数：kN-1N-122pkTT22pan=∑fk×cos(××n)×=∑fk×cos(×kn)(2-19)Tk=0TNNNk=0NN-122pbn=∑fk×sin(×kn)(2-20)Nk=0N另一方面，根据数字信号理论，对于N点采样序列{fk}，其离散傅立叶变换(DFT)为：N-1nkF(n)=∑fkWNn=0,1,2…,N-1(2-21)k-0式中下述部分称为蝶形因子：第14页万方数据 上海交通大学工程硕士学位论文第二章Profibus-DP通讯协议原理以及电力参数测量原理2p-jknWnk=eN(2-22)N根据欧拉公式，对式（2-21）进行如下变换：N-12p2pF(n)=∑fk[cos(kn)-jsin(kn)]k=0NN(2-23)参照式（2-19）和式（2-20）可得：2a=Re[F(n)](2-24)nN2b=Im[F(n)](2-25)nN式（2-21）所示的DFT对每一个系数都需进行N次的复数的相乘运算和N-1次复数加法运算，运算量相当大，在实际应用中一般利用快速傅立叶变换(FFT)提高运算速度以满足系统的实时性。FFT是将长序列的DFT分解成几个短序列的DFT，利用式（2-22）蝶形因子的周期性和对称性来减少运算次数。FFT算法有两大类：（1）时间抽取FFT，或者称其为DIT；（2）频率抽取FFT，也可叫做DIF。本文中介绍的是时间抽取FFT。DIT每一级处理都在时域里把N点的输入序列按照偶数和奇数分解为偶序列和奇序列两[25]L个序列。其处理过程为：首先，为满足分解和组合的需要，时间序列的长度须满足N=2(L[26]fL为整数)。设{k}为N=2点有限长序列(若不满足这个条件，可以人为加入若干个零值点)。其次，将序列{fk}按k的奇偶分成两组：f2(r)=f(r),f2(r+)1=f(r)r=0,1,2…N/2(2-26)12则式（2-21）所示DFT可表示为：NN-1-1N-122nk2rn(2r+1)nFn()=∑fWkN=∑f(2)rWN+∑f(2r+1)WNk=0r=0r=0NN-1-1222rnn2rn=∑frW1()(N)+WN∑frW2()(N)r=0r=0(2-27)2p-j由于W2=eN/2=W，上式可表示为：NN/2NN-1-122rnnrnnFn()=∑frW1()N/2+WN∑frW2()N/2=Fn1()+WFnN2()r=0r=0(2-28)式中Fn()和Fn()分别为fr()和fr()的N/2点DFT。1212Fn()和Fn()的周期为N/2，因此由式（2-27）计算Fn()的时n范围为0~N/2-1。计算122p2p-j(nN+/2)-j(nN+/2)nN+/2N/2nnN+/2Nn的Fn()利用W=e=W以及W=e=-W及可得到：N/2N/2NN第15页万方数据 上海交通大学工程硕士学位论文第二章Profibus-DP通讯协议原理以及电力参数测量原理n+N/2nFn(+N/2)=Fn(+N/2)+WFn(+N/2)=Fn()-WFn()(2-29)1N21N2这样一个N点的DFT就被被分解为两个N/2点的DFT，再依据式（2-28）和（2-29）可组合成N点的DFT。以同样的方式进一步抽取，可以得到N/4点的DTF，重复这个抽取过程，直至得到一组2点DFT，使N点的DFT用一组2点的DFT来组合求解。N点DFT经L级分解，每级都由N/2个蝶形运算组成，每个蝶形有一次复乘、二次复加，因而每级运算都需N/22次复数乘和N次复数加，这样L级运算总共需要复数乘NL/2次，与FFT所需的N复数乘法[27][28][29]大为减少。上述DFT推导中假定电压、电流信号在一个或几个整周期内必须等间隔同步采样当信号，实际中这一条件很难满足。当信号和采样两个频率不同时，会产生频谱泄漏效应和栅栏效应。这两个效应会对谐波的测量带来误差。通过FFT求得电压、电流信号的各次谐波幅值、相角后，还需计算谐波含有率和总谐波畸变率等电能质量指标。通常用式（2-3）来反映该次谐波的含有率，即UI()kHRUI()k=´100%(2-30)UI()1式（2-3）中分子是第k次谐波幅值，而分母是基波幅值。用总谐波畸变率THD来反应总谐波含量，它等于各次谐波总量的有效值与基波有效值的百分比，即N2∑UI()kk=2THDUI()=´100%(2-31)UI()1降低HRU和THD两个限值，使它们能够满足国家规定。这些措施能够治理谐波危害，从而提高电网的供电质量。2.42.4本章小结2.4本章小结本章小结本章小结本章首先介绍了Profibus通讯总线的协议结构，各级设备以及通信原理，接下来介绍了各个电力参数（有功功率，无功功率，视在功率，电能以及频率和功率因素）的计量原理，除此之外，本章还分析了电力系统谐波分析的FFT算法原理。以上这些原理的实现和分析为本设计的实现提供了必要的理论基础。第16页万方数据 上海交通大学工程硕士学位论文第三章智能电力仪表的硬件实现第三章智能电力仪表的硬件实现智能电力仪表的硬件实现智能电力仪表的硬件实现智能电力仪表的硬件实现在上一章中介绍了智能三相表的Profibus通讯原理，电参数测量原理以及谐波分析算法等内容。在本章中就将具体阐述智能电力仪表的硬件设计，这其中包括计量模块电路的实现，主CPU模块以及Profibus通讯模块的设计。在文中，也会详细阐述各类硬件设计中芯片的选型原因和他们的各个特性。3.13.1智能电力仪表功能3.1智能电力仪表功能智能电力仪表功能分析智能电力仪表功能分析分析分析随着各类精密仪器被越来越多的应用到工业生产过程中，这类精密生产设备对其电网要求也十分高。本文设计的智能电力仪表适用于集成在提供给工矿企业的控制电网中，其能够很好的服务于智能电网的建设完善，其功能如图3-1如示：电网智能电力仪表电网异常报警上位机电能使用监测统计图3-1智能电力仪表功能示意图Figure3-1Intelligentpowermeterfunctiongeneralview（1）实时监控电网动态，将电网的检测电力数据通讯给上位机，再由上位机与供电系统进行通讯，如果电网中出现波动异常则触发电网异常报警，从而有效及时的保证电网的稳定[29]；（2）智能电力仪表能够掌握电网中设备的用电状况，比如说线路的电能消耗状况等，从而提供大量数据，企业可以根据这些数据制定更加经济环保的用电计划。因此，为了实现智能电力仪表在电网中的功能，其本身需要具有以下几个特点：1.能够完成电力参数测量本文中设计的智能电力仪表能够计量电压有效值、电流有效值以及功率、频率等，从而为通过这些电力参数来监控电网的波动状况提供基础。2.能够完成电能消耗的计量为了给上位机提供电网的电能消耗等基本情况，本文设计的智能电力仪表还具备有能够第17页万方数据 上海交通大学工程硕士学位论文第三章智能电力仪表的硬件实现测量有功功率，无功功率，视在功率等相关参数。从而上位机可以根据这些数据来分析出电网个线路的耗能状况。3.能够进行谐波分析进行谐波分析能够提供基本各相电压、电流的总谐波畸变率，各次谐波分量的在线监测，为电能质量监控系统提供基本数据。4.能够与上位机进行通信智能电力仪表并不是一个独立工作的设备，相比与传统的电力仪表，其最为重要的特点就是能够和上位机进行通讯，将计量的各个数据上传至上位机，同时上位机也可访问这个设备。本文设计的智能电力仪表是通过Profibus总线来实现通讯功能的。5.具备数据存储的能力由于智能电力仪表本身具有运算分析功能，并且对电力参数的测量采样时是实时进行的，其与上位机的信息交互却是异步通讯的，因此，智能电力仪表必须具备数据存储的能力，它的存储单位能够储存电力参数，参数设置以及事件记录等。3.23.2智能电力仪表的硬件总体设计3.2智能电力仪表的硬件总体设计智能电力仪表的硬件总体设计智能电力仪表的硬件总体设计根据3.1节对智能电力仪表的功能描述，本设计中的系统需要实现信号采样、数据计算、及通讯等多种功能。智能电力仪表既有周期性的任务，又会有突发性的任务，应在不影响数据采集和处理的情况下，保证对其他实时性事件的响应。另外还需考虑系统功耗、开发成本等因素。Profibus专用芯片图3-2智能电力仪表硬件结构示意图第18页万方数据 上海交通大学工程硕士学位论文第三章智能电力仪表的硬件实现Figure3-2Intelligentpowermeterhardwarestructuregeneralview如图3-2所示，本设计中的智能电力仪表为了具备上述功能，在硬件上主要具备以下几个部分。计量专用芯片完成对电压/电流有效值，有功/无功功率，视在功率，有功/无功电能，功率因素以及频率的计量检测。CPU主要完成控制功能，其能够实现谐波分析，数据存储等相关的功能。Profibus专用芯片主要完成系统与上位机的通讯功能，实现上位机对系统的基本量的采集于波形读取。本设计中选用的计量专用是ATT7022B芯片。ATT7022B对来自电网经调理后的电压、电流信号进行采样、A/D转换后，得到其离散化采样序列，经其一定的算法得到电压、电流有效值、有功、无功、视在功率、功率因数角和频率等电力参数；功率经由内部累加得到有功和无功电能等；智能电力仪表中的CPU会根据其的定时器控制好定时间隔，周期的通过ATT7022B的SPI口读取。本文中选用的CPU是ATmega128/128L芯片，其是一款基于AVRRISC结构的低耗能CMOS8位单片机。ATT7022B芯片与ATmega128/128L芯片采用SPI相互连接，最高速度可达2.5MHz，快速的数据通讯能够满足电压、电流瞬时值的及时传送。ATmega128/128L芯片具有快速的运算能力，能够满足各种算法的处理，同时，其具备丰富的I/O资源能提供输出控制功能，智能三相表的通讯可靠性大为提高；支持多任务操作系统，能够保证系统的实时性。本设计中Profibus专用芯片选用的是SPC3，SPC3芯片集成了OSI模型的第一层（特别是模拟传输RS485驱动器）和第二层的执行总线FDL以及接口服务和管[29]理协议。利用SPC3来完成智能三相表与上位机的数据交互，一方面能够简化外界通讯模块的硬件设计与软件编程，另一方面这保证了通讯的高效和准确。3.33.3计量模块3.3计量模块计量模块计量模块计量模块主要由电力计量专用芯片ATT7022B及其前端电路构成，前端电路主要包括电流、电压互感器等。3.3.13.3.1电力计量专用芯片3.3.1电力计量专用芯片电力计量专用芯片电力计量专用芯片本文设计的智能三相表需要集成到大型的电力成套设备中，这就要求智能三相表具有三相三线以及三相四线的接入测量方式，同时测量精度要求比较高。作为一款专业计量芯片，ATT7022B能够满足上述的要求，这也是本文选择ATT7022B的重要原因。ATT7022B芯片内部集成了以下电路来完成测量任务（1）二阶sigma-deltaADC电路，共六路；（2）参考电压电路；（3）电力参数测量数字信号处理电路。以下展示了ATT7022B的各项功能，见表3-1：第19页万方数据 上海交通大学工程硕士学位论文第三章智能电力仪表的硬件实现表3-1ATT7022B芯片功能列表1能够测量各相以及合相的有功/无功功率，有功/无功能量，视在功率以及功率因素2能够测量各相电流/电压有效值、相角和频率具有纯软件校准表，因此能够支持全数字域的增益以及相位校正（如需要进行误差3校正，只要将有功/无功电能脉冲输出CF1、CF2提供瞬时有功/无功功率信息直接接到校准表即可）4能够提供脉冲输出CF3和CF4瞬时基波有功/无功功率信息来进行基波校正5能够提供RMS视在能量以及PQS视在能量6具有SPI接口，并可以通过这个接口将计量参数和校准表参数传递出去7具有内部电压检测电路，所以无论在加电和断电情况下都能正常工作本文将ATT7022B具体特点归纳如下：[30]•高精度在输入动态工作范围(1000:1)，内非线性测量误差小于0.1%；•有功测量满足0.2S、0.5S，支持IEC62053-22，GB/T17883-1998；[31]•无功测量满足2级、3级，支持IEC62053-23，GB/T17882-1999；•提供基波、谐波电能以及总电能测量功能；•提供视在电能测量功能；•提供正向和反向有功/无功电能数据；•提供有功、无功、视在功率参数；•提供功率因数、相角、线频率参数；•提供电压和电流有效值参数,有效值精度优于0.5%；•提供电压相序检测功能；•提供电流相序检测功能；•提供三相电流矢量和之有效值输出；•提供三相电压矢量和之有效值输出；•提供电压夹角测量功能；•提供失压判断功能；•具有反向功率指示；•提供有功、无功、视在校表脉冲输出；•提供基波有功、基波无功校表脉冲输出；•合相能量绝对值相加与代数相加可选；•内置温度测量传感器；•电表常数可调；•起动电流可调；•支持增益和相位补偿，小电流非线性补偿；•具有SPI接口，方便与外部MCU通讯；第20页万方数据 上海交通大学工程硕士学位论文第三章智能电力仪表的硬件实现•适用于三相三线和三相四线模式；•采用QFP44封装；•单+5V供电；ATT7022B芯片七路模拟输入构成电流和电压通道。电流通道由四对差分电压输入：V2PV2N,V4PV4N,V6PV6N，V7PV7N。电压通道由三路单端电压输入：V1PV1N,V3PV3N,V5PV5N。ADCADCADC图3-3ATT7022B芯片七路模拟输入电流和电压通道示意图Figure3-3ATT7022Btheanaloginputofthevoltageandcurrentgeneralview以V1PV1N为例，如图3-3所示来自前端电路的调理电压和电流信号，经PGA增益后由A/D转换为数字信号，然后在SIGAMA-DELTA模块中将数字信号与参考电压正、负Vref之间的差值进行不断的累积并通过反馈令这个差值趋于零，最终消除电压信号在A/D转换过程中的误差，确保精度。然后通过抽取滤波器将A/D转换器自身的噪音过滤去。接下来再经过有限长脉冲滤波器进一步滤去噪音，最终由寄存器输出。此后电流通道结果参与以下运算：过零点检测(零线电流通道除外)、电流峰值、过电流检测、电流有效值计算和电流波形瞬时值输出。电压通道则继续以下运算：过零点检测、电压峰值、过电压、电压暂降检测、电压有效值计算和电压波形瞬时值输出。另外电流通道与相应的电压通道经过相位校准后一起参与瞬时有功、无功及视在功率的计算。3.3.2ATT7022B芯片的外围电路芯片的外围电路芯片的外围电路R33R33R33T2T2T2T2R10V2PVNAVNAVNA200K/1W200K/1W200K/1WR161.2K1.2K1.2K250250250VNVNVNVNR36R11V2N2mA/2mA1.2K1.2K1.2K图3-4电流前端采样电路示意图Figure3-4Thesamplecircuitofcurrentgeneralview第21页万方数据 上海交通大学工程硕士学位论文第三章智能电力仪表的硬件实现为了将来自电网的大电压、电流被测信号调整到ATT7022B电流电压模拟通道的输入范围内，需要在前端接入电压(PT)与电流互感器(CT)。互感器还从电气上隔离了测量系统和被测系统，可以获得良好的抗干扰性能。装置可以采用两级互感器以应用到不同电压等级，对于电压、电流不在二次互感器范围之内的，需加一次互感器将电压、电流值降至二次互感器测量范围之内。设计中为过压、过流检测预留一定幅度，一般设计电路在加额定电压或最大电流时模拟通道输入信号值为200-500mV左右。以A相电压通道为例，电压采样电路如图3-4所示。其中互感器的前端电阻起着限流保护的作用，二次侧横跨取样电阻将电流转换为电压信号。选择合适的取样电阻值控制电压通道输入值在量程范围内。电流通道与此类似。将RC低通滤波器作为抗混叠滤波器用在采样电路中，能够有效避免混叠。此刻转折频率为7.2kHz左右。互感器带来的相角误差，会给功率测量带来较大的误差，可以通过芯片的相位补偿功能实现软件补偿。如图3-5所示，这是ATT7022B芯片的外围电路，以下将介绍ATT7922B的外部引脚及其功能。11SIGRefout1.2K10K3V1PRESETIARC1单片机10K1.2K4V1NSPI接口C210E1.2K13V2PUAC3ATT7022B10K1.2K14V2N高精度C4多功能IB防窃电CF1与与与A与AAA相相同相相同相相同相相同基本谐波CF2UB三相电能专用计量芯片CF3IC与与与A与AAA相相同相相同相相同相相同CF4UCOSCOOSCI24.576MHz图3-5ATT7022B外围电路示意图Figure3-5ATT7022Bperipheralcircuitgeneralview表3-2描述了ATT7022B芯片各个外部引脚的功能，如下：第22页万方数据 上海交通大学工程硕士学位论文第三章智能电力仪表的硬件实现表3-2ATT7022B外部引脚列表RESETATT7022B复位管脚。低电平有效，内部有47K上拉电阻。ATT7022B上电复位或者异常原因重新启动时，SIG将变为低电平；当外部MCUSIG通过SPI写入较表数据后，SIG将立即变为高电平。A相电流信道正，负模拟输入引脚。完全差动输入方式，正常工作最大输入VppV1P/V1N为±1.5V，两个引脚内部都有ESD保护电路,最大承受电压为±6V。REFCAP基准2.4V，可以外接；该引脚应使用10uF电容并联0.1uF电容进行去耦。B相电流信道正，负模拟输入引脚。完全差动输入方式，正常工作最大输入VppV3P/V3N为±1.5V，两个引脚内部都有ESD保护电路,最大承受电压为±6V。AGND模拟电路(即ADC和基准源)的接地参考点。C相电流信道正，负模拟输入引脚。完全差动输入方式，正常工作最大输入VppV5P/V5N为±1.5V，两个引脚内部都有ESD保护电路,最大承受电压为±6V。REFOUT基准电压输出，用作外部信号的直流偏置。该引脚提供芯片模拟电路的电源，正常工作电源电压应保持在5V±5%，为使电AVCC源的纹波和噪声减小至最低程度，该引脚应使用10uF电容并联0.1uF电容进行去耦。A相电压信道的正、负模拟输入引脚。完全差动输入方式，正常工作最大输入V2P/V2NVpp为±1.5V，两个引脚内部都有ESD保护电路,最大承受电压为±6V。B相电压信道的正、负模拟输入引脚。完全差动输入方式，正常工作最大输入V4P/V4NVpp为±1.5V，两个引脚内部都有ESD保护电路,最大承受电压为±6V。C相电压信道的正、负模拟输入引脚。完全差动输入方式，正常工作最大输入V6P/V6NVpp为±1.5V，两个引脚内部都有ESD保护电路,最大承受电压为±6V。第七路ADC的正、负模拟输入引脚。完全差动输入方式，正常工作最大输入VppV7P/V7N为±1.5V,两个引脚内部都有ESD保护电路,最大承受电压为±6V。GND数字地引脚。TEST测试管脚，正常应用接地。内有47K下拉电阻。SEL三相三线低电平，三相四线高电平选择。内部300K上拉电阻。有功电能脉冲输出，其频率反映合相平均有功功率的大小，常用于仪表有功功率CF1的校验，也可以用作有功电能计量。无功电能脉冲输出，其频率反映合相平均无功功率的大小，常用于仪表无功功率CF2的校验也可以用作无功电能计量。基波有功电能脉冲输出，其频率反映基波的合相平均有功功率的大小，常用于仪CF3表基波有功功率的校验，也可以用作基波有功电能计量。CF3也可配置为RMS视在电能脉冲输出。基波无功电能脉冲输出,其频率反映基波的合相平均无功功率的大小,常用于仪表CF4基波无功功率的校验,也可以用作基波无功电能计量。CF4也可配置为PQS视在电能脉冲输出。VDD内核电源输出3.0V。外接10F电容并联0.1uF电容进行去耦。数字电源引脚；正常工作电源电压应保持在5V±5%，该引脚应使用10uF电容VCC并联0.1uF电容进行去耦。CSSPI片选信号，低电平有效，内部上拉200K电阻。SCLKSPI串行时钟输入（施密特），注意：上升沿放数据，下降沿取数据。第23页万方数据 上海交通大学工程硕士学位论文第三章智能电力仪表的硬件实现DINSPI串行数据输入（施密特），内部下拉200K电阻。DOUTSPI串行数据输出，CS为高时高阻输出。当检测到任意一相的有功功率为负时，输出高电平；当检测到各相有功功率都REVP为正时，该引脚的输出又将复位到低电平。RESETATT7022B复位管脚。低电平有效，内部有47K上拉电阻。ATT7022B上电复位或者异常原因重新启动时，SIG将变为低电平；当外部SIGMCU通过SPI写入较表数据后，SIG将立即变为高电平。3.4CPU3.4CPU主模块3.4CPU主模块主模块主模块3.4.1AVRAtmage系列单片机简介本文选用Atmega128/128L芯片作为智能三相表的CPU，Atmega128/128L是AVR单片机系列的其中一种型号，由ATMEL公司设计生产。Atmega128/128L芯片作为AVR系列单片机的一种，也具备有如下描述的AVR单片机的所有特点：（1）AVR单片机具有增强功能的RISC结构。这种结构保证了AVR单片机具有1MIPS/MHz如此高速的复杂指令处理能力。（2）AVR单片机的编程语言是C语言，外部编程器可以通过AVR单片机的SPI口对其Flash存储器编程。由于采用C语言，AVR单片机能够优化目标代码的性能等。而优化的方式有两个：第一是大型快速存取寄存器文件；第二是快速单周期指令。（3）传统的单片机会在累加器与存储器进行数据传输时会出现瓶颈现像。这是由于在这个过程中需要编译大量程序代码来支持这个过程。但是正是由于AVR单片机的结构与传统单片机不同，它不使用累加器而使用32个通用工作寄存器来完成快速存取RISC寄存器文件的工作。这使得程序代码非常简单。（4）AVR单片机相较与其它单片机，性价比更加好。其采用的制造工艺是低功率非发挥的CMOS，工作电压是2.76V，可以实现耗电最优化。AT90系列单片机目前有AT90S1200，AT90S2313，AT90S4414，AT90S8515，AT90S2323，AT90S2343，AT90SMEG403，AT90SMEG103，AT90S4434，AT90S8535等多种型号它们在功[32]能和存储器容量等方面有一定的区别。3.4.2AVRAtmage系列单片机寄存器结构本节中主要介绍AVRAtmage系列单片机的寄存器，如下所示。1.Atmage8状态寄存器状态寄存器：状态寄存器：：：SERG表3-1ATmage8状态寄存器76543210ITHSVNZC第24页万方数据 上海交通大学工程硕士学位论文第三章智能电力仪表的硬件实现I：全局中断允许位T：位复制存储H：半进位标志位S：符号标志位V：2的补码溢出标志位N：负数标志位Z：0值标志位C：进位标志位2.Atmage8中断控制寄存器中断控制寄存器：中断控制寄存器：：：GICR表3-2ATmage8中断控制寄存器76543210INT1INT0————————IVSELIVCEIVCE：中断向量表移位允许位IVSEL：中断向量表选择3.3.3.Atmage8I/O端口及寄存器I/O方向寄存器：DDRx（可读写寄存器）I/O数据寄存器：PORTx（可读写寄存器）I/O输入引脚寄存器：PINx（只读寄存器）读PINxn得到此时引脚的电平值3.Atmage8I/O特殊功能寄存器特殊功能寄存器：特殊功能寄存器：：：SFIOR表3-3ATmage8I/O特殊功能寄存器76543210——————ADHSMACMEPUDPSR2PSR10PUD：上拉电阻禁止位PSR2：T/C2预定比例分频器复位（写1复位，自动清零）ACME：模拟比较器多路使能ADHSM：ADC高速模式4.Atmage88位位位T/C0控制寄存器控制寄存器：控制寄存器：：：TCCR0表3-4ATmage8T/C0控制寄存器76543210——————————CS02CS01CS00第25页万方数据 上海交通大学工程硕士学位论文第三章智能电力仪表的硬件实现表3-5ATmage8寄存器bit位介绍CS02CS01CS00中断工作方式000停止，0号计时器停止001系统时钟，OK0101/8系统时钟，CK/80111/64系统时钟，CK/641001/256系统时钟，CK/2561011/1024系统时钟，CK/1024110外部引脚T0,对下降沿信号计数111外部引脚T0,对上升沿信号计数5.Atmage8定时计数器中断屏蔽寄存器定时计数器中断屏蔽寄存器：定时计数器中断屏蔽寄存器：：：TIMSK表3-6ATmage8定时计数器中断屏蔽寄存器76543210OCIE2TOIE2TICIE1OCIE1AOCIE1BTOIE1——TOIE0TOIE0：T/C0溢出中断允许位TICIE1：T/C1输入捕获中断允许标志位OCIE1A：T/C1输出比较A匹配中断允许标志位OCIE1B：T/C1输出比较B匹配中断允许标志位TOIE1：T/C1溢出中断允许位OCIE2：T/C2输出比较匹配中断允许标志位TOIE2：T/C2溢出中断允许位6.Atmage8定时计数器中断标志寄存器定时计数器中断标志寄存器：定时计数器中断标志寄存器：：：TIFR表3-7ATmage8定时计数器中断标志寄存器76543210OCF2TOV2ICF1OCF1AOCF1BTOV1——TOV0TOV0：T/C0溢出中断标志位（硬件自动清零）ICF1：T/C1输入捕获中断标志位（硬件自动清零）OCF1A：T/C1输出比较A匹配中断标志位（TCNT1=OCR1A时）（硬件自动清零）OCF1B：T/C1输出比较B匹配中断标志位（TCNT1=OCR1B时）（硬件自动清零）OCF2：T/C2输出比较匹配中断标志位（硬件自动清零）TOV2：T/C2溢出中断标志位（硬件自动清零）第26页万方数据 上海交通大学工程硕士学位论文第三章智能电力仪表的硬件实现8.Atmage816位定时计数器C/T1寄存器C/T1时钟源可来自芯片内部也可来自外部引脚T1。输入捕获单元：T/C1的输入捕获单元用于捕获一个外部事件的发生以及时间印记。外部事件发生的触发信号由TCP1输入。此外，模拟比较器的ACO单元的输出信号也可作为外部事件捕获的触发信号。输出比较寄存器：OCR1AH和OCR1ALOCR1BH和OCR1BL。比较匹配输出单元标志位：COM1ACOM1B。T/C1计数寄存器：TCNT1LTCNT1H。输入捕获寄存器：ICR1为16位输入捕获寄存器。ICR1H为高位，ICR1L为低位。此寄存器在PWM模式下，其设定值为计数器上限。输出比较寄存器OCR。比较输出发生时清楚计数器和比较输出引脚动作。9.SPI控制寄存器SPCR表3-8ATmage8SPI控制寄存器76543210SPIESPEDORDMSTRCPOLCPHAPSPR1SPR0SPIE：SPI中断允许SPE：开始允许SPI工作DORD：SPI数据发送接收的顺序。1发送接收时LSB低位在前，0时发送接收时MSB高位在前MSTR：从主机选择。0从机模式，1主机模式SPR1/SPR0：在主机模式下，通过这两位来设定SPI接口的通讯速率。这个速率也称为SCK时钟速率。但这两位的设定值对从机没有影响CPOL：时钟极性选择（1SCK在闲置时为高电平，0SCK闲置时为低电平）CPHA：时钟相位选择10.SPI状态寄存器SPSR表3-9ATmage8SPI状态寄存器76543210SPIFWCOL————————————SPIF：SPI中断标志位，当数据传送完成时SPIF将被置位WCOL：写冲突标志位第27页万方数据 上海交通大学工程硕士学位论文第三章智能电力仪表的硬件实现11.USART数据寄存器UDR表3-10ATmage8USART数据寄存器76543210MSB————————————LSBUDR（USART数据寄存器）：USART中用于发送和接收的物理上两个分离的地址12.USART控制状态寄存器UCSRA表3-11ATmage8USART控制状态寄存器UCSRA76543210RXCTXCUDREFEDORPEU2XMPCMUCSRA（USART状态寄存器）：USART工作时收发状态和异常信息RXC：接收结束标志TXC：发送结束标志UDRE：USART数据寄存器空FE：接收帧出错DOR：接收数据溢出出错PE：校验错误U2X：USART传输速率倍速MPCM：多级通讯模式允许13.USART控制状态寄存器UCSRB表3-12ATmage8USART控制状态寄存器UCSRB76543210RXCIETXCIEUDRIERXENTXENUCSZ2RXB8TXB8R/WR/WR/WR/WR/WR/WRR/W00000001RXCIE：RX接收完成中断允许TXCIE：TX发送完成中断允许UDRIE：USART数据寄存器空中断允许RXEN：数据接收允许（I/O口是否定义为USART）TXEN：数据发送允许（I/O口是否定义为USART）UCSZ2：数据位数大小RXB8：数据接收第八位第28页万方数据 上海交通大学工程硕士学位论文第三章智能电力仪表的硬件实现TXB8：数据发送第八位14.USART控制状态寄存器UCSRC表3-13ATmage8USART控制状态寄存器UCSRC76543210URSELUMSELUPM1UPM0USBSUCSZ1UCSZ0UCPOLR/WR/WR/WR/WR/WR/WR/WR/W00000001URSEL：寄存器选择UMSEL：USART工作模式选择（0异步，1同步）UPM【1：0】：校验方式USBS：停止位选择USZ【1:0】：传送或接收字符长度UCPOL：时钟极性15.Atmage8模数转换功能ADC有关的I/O寄存器寄存器：寄存器：：：ADMUX表3-14ATmage8模数转换功能ADC有关的I/O寄存器76543210RESF1RESF0ADLAR——MUX3MUX2MUX1MUX0RESF1，RESF0：ADC参考电源选择ADLAR：ADC结果左对齐选择MUX3，MUX2，MUX1，MUX0：模拟通道选择16.Atmage8ADC控制和状态寄存器ADCSRA表3-15ATmage8ADC控制和状态寄存器76543210ADENADSCADFRADIFADIEADPS2ADPS1ADPS0ADEN：ADC使能ADSC：ADC开始转换ADFR：ADC连续转换模式选择ADIF：ADC中断标志位ADIE：ADC中断允许ADPS1，ADPS0：ADC预分频选择第29页万方数据 上海交通大学工程硕士学位论文第三章智能电力仪表的硬件实现17.Atmage8ADC数据寄存器ADCL和和和ADCH表3-16ATmage8ADC数据寄存器15141312111098————————————ADC9ADC8ADC7ADC6ADC5ADC4ADC3ADC2ADC1ADC076543210只有当ADCH被读取后才能继续对ADCH和ADCL进行更新ADLAR=0，右对齐ADLAR=1，左对齐ADHSM：ADC高速模式18.EEPROM地址寄存器EEAR表3-17ATmage8EEPROM地址寄存器76543210EEARHEEAR8EEARLEEAR7EEAR6EEAR5EEAR4EEAR3EEAR2EEAR1EEAR0EEAR[8-0]：EEPROM地址19.EEPROM控制寄存器EECR表3-18ATmage8EEPROM控制寄存器76543210——————EERIEEEMWEEEWEEERELSBEERIE：EEPROM准备好中断允许EEMWE：决定设置EEWE为1时是否导致EEPROM被写入EEWE：EEPROM写允许EERE：EEPROM读允许3.4.3AVRAtmage系列单片机的选型由于AVR系列单片机发展至今种类十分丰富，并且有着千变万化的功能组合，在系统开发时需要从中选择一款最合适的芯片。一般地，在选择型号时主要考虑以下方面：(1)CPU工作频率。系统所需的工作频率很大程度上决定了应选择什么处理能力的芯片型号。(2)片内存储器容量。如果系统只需要比较小的存储量，设计中只要选用片内集成一定存储量的芯片。这样做能够使设计简化。值得注意的是，普遍情况下RISC片内存储器的容量较小，在设计中需要将存储器扩展。(3)扩展能力。不同的芯片会选择相应的模块来使其适用于某些特定的应用领域。这些模块包括SPI控制器、RTC和DSP协处理器等。在设计过程中，尽量通过片内外围电路来满足设计需求。这样做能够在简化设计的同时提高系统的稳定性。最后还需考第30页万方数据 上海交通大学工程硕士学位论文第三章智能电力仪表的硬件实现[35]虑处理器对操作系统的支持程度、芯片的价格等。综合以上因素，本文中选取了基于AVRRISC结构的低功耗CMOS8位单片机片ATmega128/128L。3.4.4ATm3.4.4ATme3.4.4ATmeeega128/128Lga128/128L芯片介绍ATmega128/128L芯片作为AVR系列8位单片机中的一种，它具有RISC结构和低功耗的CMOS。ATmega128/128L芯片具有每MHz处理1MIPS指令的速度性能，正是以上的这些基本功能使设计人员在系统设计时达到功耗以及执行速度的平衡。ATmega128/128L主要特点有：1.先进的RISC精简指令集结构–高性能低功耗的AVR®8位微控制器–133条功能强大的指令大部分在单时钟周期内执行–32x8个通用工作寄存器+外设控制寄存器–全静态操作–工作在16MHz下具有16MIPS的性能–片内带有执行时间为两个时钟周期的硬件乘法器2.非易失性程序和数据存储器–128K字节在线可重复编程Flash，擦写次数1000次。–使用芯片自带的引导程序在BOOT区内对系统进行编程。–4K字节EEPROM，擦写次数100,000次。–4K字节内部SRAM。–最大64K字节可选外部存储器空间。–程序加密位。–在线可编程SPI接口。3.JTAG(符合IEEEstd.1149.1标准)接口–边界扫描能力。–广泛的片内Debug支持。–通过JTAG接口对Flash,EEPROM,熔丝位和加密位编程。4.外设特点–两个带预分频器和一种比较模式的8位定时/计数器。–两个扩充的带预分频器和比较模式捕获模式的16位定时/计数器。–具有独立振荡器的实时计数器。–二通道8位PWM。–6通道2到16位精度PWM。–输出比较调节器。–8通道10位A/D转换，8个单端通道，7个微分通道，2个增益为1x,10x或200x的微分通道。–两线(I2C)串行接口。第31页万方数据 上海交通大学工程硕士学位论文第三章智能电力仪表的硬件实现–二路可编程串行UART接口。–主/从SPI串行接口。–带内部振荡器的可编程看门狗定时器。以下具体介绍ATmega128/128L芯片各个引脚的说明：表3-19ATmega128/128L芯片引脚说明VCC电源。GND地。PortA以上各个口是8位双向I/O口，每一个引脚都有内部可选上拉电阻。A口的输出缓PortB冲有对称的驱动特性，包括吸收和输出电流当作为输入时，如果外部被拉低，由于PortC上拉电阻的存在引脚将输出电流。在复位过程中，该口为三态，即使此时时钟还未PortD起振，该口还可以用做多种特殊用途。PortEF口作为A/D转换器的模拟输入口。如果不使用A/D转换器，该口也可以作为一个8位双向I/O口。每一个引脚都有内部可选上拉电阻。F口的输出缓冲有对称的驱动特性，包括吸收和输出电流。当作为输入时，如果外部被拉低，由于上拉电阻的PortF存在引脚将输出电流。在复位过程中，F口为三态，即使此时时钟还未起振。如果JTAG口使能，即使发生复位，PF7(TDI)，PF5(TMS)和PF4(TCK)的上拉电阻将被激活。G口是一个5位双向I/O口。每一个引脚都有内部可选上拉电阻。G口的输出缓冲有对称的驱动特性，包括吸收和输出电流。当作为输入时，如果外部被拉低，由于上拉电阻的存在引脚将输出电流。在复位过程，G口为三态，即使此时时钟还未起PortG振。G口还可以用做多种特殊用途。ATmega103兼容模式中，这些引脚只作外部存储器的频闪信号和32kHz振荡器的输入，即使此时时钟还未起振，在复位过程中引脚被异步初始化为PG0=1，PG1=1，PG2=0，PG3和PG4是晶振脚。RESE复位输入即使此时时钟还未起振，超过最小脉冲宽度的低电平将引起系统复位低于T最小脉冲宽度的脉冲不能保证可靠复位。XTAL1反向振荡放大器的输入和内部时钟工作电路的输入。XTAL2反向振荡放大器的输出。AVCC是PortF和A/D转换器的电源端。即使不使用ADC，也应外接到VCC端。AVCC如使用ADC，应该通过一个低通滤波器与VCC连接。AREFA/D转换器的参考电源。PEN是串行下载的编程使能信号。上电复位时保持PEN为低电平，芯片会进入SPIPEN串行编程模式。正常操作时无任何功能。3.4.5系统时钟电路ATmega128/128L芯片配有内部振荡器，但是本文中会使用外部晶振来产生时钟信号，这是因为这样可以用低外部时钟信号获得较高的工作频率，降低了因高速开关时钟所带来的高频噪声。同时，需要说明的是ATmega128/128L芯片在待命模式时，其除了晶振工作外芯片其余部分都处于睡眠状态，这样既保证了芯片的低耗能，同时芯片业能很快的启动，从而提第32页万方数据 上海交通大学工程硕士学位论文第三章智能电力仪表的硬件实现高其工作效率。图3-6ATmega128/128L时钟电路示意图Figure3-6ATmega128/128Lclockcircuitgeneralview图3-6所示时钟电路连接至ATmage128/128L的XTAL0和XTAL1两个引脚上，晶振产生的时钟信号传至片内的振荡器最终输入至定时控制单元。本设计中采用了8MHz的外部晶振，这样可以获得准确的串口波特率。如图3-5，本文在晶振的两端接上33pF的负载电容，这样可以使晶振方便起振。3.4.6JTAG接口电路JTAG是一种国际标准测试协议（IEEE1149.1兼容）。为了在设计过程中调试方便，故设计了JTAG电路。ATmega128/128L芯片的A/D转换器的模拟输出口F口具有JTAG功能。在片内根据JTAG协议集成了在线调试，边界扫描和逻辑编程单元，因此，在设计过程中能够通过这个借口对芯片进行调试。标准的JTAG接口具有4线：TMS、TCK、TDI、TDO。它们分别表示为TMS：测试模式选择；TCK：测试时钟；TDI：测试数据输入；TDO：测试数据输出。在ATmega128/128L芯片中，TDI对应的引脚是PF7，TMS对应的引脚是PF5，TCK对应的引脚是PF4,TDO对应的引脚是PF6。需要说明的是，当F口JTAG使能时TDI，TMS，TCK对应引脚上的上拉电阻将被激活。通常，JTAG的连接有14针接口和20针接口两种标准，本设计中采用20针接口。其具体接口引脚定义如表3-19。表3-19JTAG接口引脚定义引脚名称描述1/2VCC接电源3nTRST测试系统复位信号4/6/8/10/12/14/16/18/20GND接地5TDI测试数据输入7TMS测试模式选择9TCK测试时钟11RTCK测试时钟返回信号13TDO测试数据输出15nRESET目标系统复位信号第33页万方数据 上海交通大学工程硕士学位论文第三章智能电力仪表的硬件实现17/19NC未连接图3-7JTAG接口电路示意图Figure3-7JTAGcircuitgeneralview图3-7是JTAG接口电路，其与ATmega128/128L芯片的连接只要双方对应引脚相互连接即可。3.4.7RTC电路芯片ATmega128/128L片内集成RTC振荡器，RTC作用是系统时钟每一个CPU周期加一，每次系统时钟在系统初起时通过RTC初始化。考虑到设计的智能三相表可靠性要求较高，而测量数据发生错误以及故障事件常常与时间相关，因此为保证准确性和可靠性，所以虽然ATmega128/128L集成有RTC，但是由于断电时其不工作，本文额外设计了外接RTC接口电路。计时精度调整单元通过软件设时钟调整寄存器，可任意调整计时速度。本文中选用RX8025作为RTC电路中的实时计时芯片。这块芯片由EPSON公司设计制造，由于其良好的性能被广泛使用在各种电力装置类产品中，它具有中断功能、检测功能、电源电压监控功能、闹钟和时钟度调整功能。RX8025的内部结构由如下组成：（1）高精度可调的晶振，能够提供32.768kHz的起振频率；（2）7个时间寄存器；（3）5个报警寄存器；（4）2个控制寄存器，芯片的时钟工作状态可通过设置这两个寄存器来进行调整；第34页万方数据 上海交通大学工程硕士学位论文第三章智能电力仪表的硬件实现（5）1个数字校准寄存器；（6）1个保留寄存器。VDD3.3Db1MBR340Rb47Rb49ICb20Db2611N4007Cb65+Cb010K10K5VDDNCTESTSDA8025SCL802524Db610uF/10V10uFSCLNC131N4007SDAINTA8025108/INTANCINTB802512BTb2/INTB79FOENC3FOUT11143.6VGNDNCR8025图3-8RTC电路示意图Figure3-8RTCcircuitgeneralview实时时钟外围电路如图3-8所示。由于RX8025没有内置电池供电，为防止掉电使RX8025停止计时丢失数据，在RX8025电路采用后备电池进行掉电保护，保证时钟芯片在装置断电时也能正常运行。3.53.5通讯模块3.5通讯模块通讯模块通讯模块3.5.1Profibus3.5.1Profibus专用通讯芯片介绍3.5.1Profibus专用通讯芯片介绍专用通讯芯片介绍专用通讯芯片介绍在本文中采用Profibus总线协议与上位机进行通讯，因此采用了SPC3芯片。SPC3全称为SIMENSPROFIBUSCONTROL。它是一款专用接口芯片，适用于Profibus-DP工业现场总线。目前其被广泛应用于各类工业自动化系统中。SPC3内部结构有：（1）方式寄存器；（2）状态寄存器；（3）中断寄存器；（4）缓冲区以及缓冲器指针。SPC3芯片的特点及功能如下所示：1.SPC3使得PROFIBUS-DP从站的优化组态成为可能。2.其处理器接口支持以下各处理器：第35页万方数据 上海交通大学工程硕士学位论文第三章智能电力仪表的硬件实现Intel:80C31，80X86Siemens:80C166/165/167Motorola:HC11-，HC16-，HC916types3.SPC3中集成了OSI模型的第一层（特别是模拟传输RS485驱动器）和第二层的执行总线FDL以及接口服务和管理协议，余下的第二层功能如用户接口、数据管理等、就需要通[29]过软件来实现。4.内置的1.5K双端口RAM作为SPC3和微处理器的接口。整个RAM区分为192个段，每段8个字节。用户通过内部微处理器的基指针直接寻址。基指针可指向存储区的任何一个段。5.总线接口是可设置参数的8位同步/异步接口。用户可以通过11位地址线访问内部1.5KRAM和参数寄存器。6.当微处理器启动，过程特定参数（站地址、识别号等）必须传输到参数寄存器和模式[33]寄存器上。7.可以在任何时候通过访问状态寄存器查询监测和控制状态。8.进入中断控制器的事件会先等待标志寄存器的响应。然后中断确认寄存器会得到这个响应，并最终确认该事件。SPC3提供共同的中断输出。9.内置看门狗计时器工作于三个状态：波特率查询（Baud_Search）、波特率控制（Baud_Control）、DP总线控制（DP_Control）。10.微控制器（MicroSquencer）控制所有进程。11.过程特定参数（缓冲区指针、缓冲区长度、站地址等）和数据缓冲区都包含在内置[33]RAM中，控制器操作它们就像操作双端口RAM一样。[33]12.通用同步异步接收发射端（UART），可将并行数据流转换为串行数据流，或相反。SPC3可自动识别波特率（9.6KBd~12MBd）13.XX计时器可通过串行电缆直接控制总线时间。以下介绍SPC3芯片的各个引脚的定义：XCS：片选端口。对此端口，其有两种接法：当此端口接VDD，则芯片为C32mode；当此端口为CS-signal时，则芯片为C165mode。XWE/EClock：写信号/EI_Clock(Motorola)。DIVIDER：作用于CLK2OUT2/4，低电平为4分频。XRD/RW：读信号/读写(Motorola)。CLK：时钟脉冲输入。VSS：低电位端，接地。CLOCKOUT2/4：时钟脉冲被2、4分频。XINT/MOT：
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