基于ARM处理器智能电表系统的功能设计与论证

用电管理收费多年来一直采用先用电、后抄表、再付费的传统作业方式，电量值计算方面也无法实现更高的精确度，偏差较大。为了适应社会的需要，保证用户安全、合理、方便地用电，对传统的电表和用电的进行重新设计，使之符合社会发展的需要就显得很有必要。

1、智能电表的发展前景：

第一阶段   2000-2007
逐步以电子计量表取代传统机电式电表；在美国和欧洲着手推广单向通信网络；
第二阶段   2008-2012
全球范围内正在淘汰机电式电表；在欧美及中国大规模推广基于自动计量基础架构（AMI，即有IP地址的智能电表和电力公司之间的一种自动双向流通架构)的双向通信网络；智能电表作为简易型家庭网关，可用于多种公用设施的自动抄表（AMR）和负荷管理。
第三阶段   2013-以后
智能电表成为家庭网关，实现多种住宅控制功能，诸如安全，报警等；以家庭和单位实现智能化发电（太阳能和风能发电）和配电。

从以上三个阶段我们可以看到，智能电表不仅没有向小型、单一功能的方向发展，恰恰相反，未来将赋予智能电表更多的功能，使之成为家庭不可或缺的组成部分。

峰谷分时电价和避高峰电价的政策出台，多费率表市场需求将进一步加大，尤其是大工业用户，对智能多费率表的需求，将会产生快速的增长。随着信息时代的推进及技术的发展，智能电表作为智能电网的神经末梢，在不久的将来，智能电表将在信息社会中发挥更大的作用，具有更加广阔的应用前景。

2、ARM智能电表的提出：

正是由于以上背景，智能电度表应运而生。所谓智能电表，就是应用计算机技术与通讯技术等，形成以智能芯片为核心，具有高精确计算电量、与上位机通讯、用电相关数据显示等功能的电度表。

电能表是电力企业收取电费的唯一工具，其性能的稳定性、测量的准确性和可靠性关系到电力部门和用户之间的结算问题，其中智能电表的电量值计量技术显得尤为重要。大多数设计的智能电表系统其控制器一般是8位或16位的单片机控制，其控制功能比较简单，很难实现网络化和无线传输，对于未来智能电表系统的扩展性也比较有限。基于这样的局限性，我们提出一种基于ARM处理器的智能电表系统。

目前我们需要设计的智能电表主要实现以下功能：

1、实现智能电表的高精度计算和可扩展；
2、实现数据的双向传输，包括无线抄表，电表将客户用电情况发送给电力部门，电力部门 将客户账户余额发送回电表，并在电表上显示；
3、实现数据的LED显示，上月、本月电量的显示，以及余额显示等；

基于以上智能电表的功能设计，对电表的软、硬件提出了更高要求，显然传统电表很难做到这些。ARM技术具有性能高、成本低和能耗低的特点，适用于多种领域，比如嵌入控制、消费/教育类多媒体和移动式应用等。到目前为止，ARM微处理器及技术的应用几乎已经深入到各个领域，并且在智能仪器仪表上也有应用的先例，所以我们选用ARM技术应用在智能电表上。

智能电表是在数字电表的基础上增加多个功能，使之能更加适应居民的要求，读取用户电量更加智能、方便和快捷，让未来实现单个用户的配电、变电也成为可能。

3、智能电表各功能设计：

3.1、远程抄表的实现：

就系统的完整性而言，电力系统从发电、配电、传输和区域变电所已基本实现网络化管理，而唯独用户终端没有和网络连接上，造成了系统的不完整，直接或间接的影响了系统潜能的发挥，所以我们设计了智能电表远程抄表的这一技术。

由采集器定时顺序采集来自多路分线连接的电表信号并进行数据处理、存储，各采集器之间采用总线连接，最后连接至计算机。其典型特点是各户表通过分户线连接至采集器位置，再由采集器通过无线传输发送给服务器子系统，这样可以避免为每个智能电表都安装一个无线射频模块，以节约成本。如图3-1所示。系统一般分为四层次结构：前端采集子系统、服务器子系统、通信子系统、管理中心子系统。

图3-1  抄表系统结构图

初步设想是在每栋楼里面安装一个采集器，或者在一个小区里面安装几个采集器来实现整个抄表系统的前端采集子系统，采集器通过CAN总线来实现与各个智能电表的连接；然后将数据通过无线射频的方式发送到街道或者一定范围内安装的服务器里；最后服务器通过通讯子系统，将数据发送到管理中心。管理中心也会将客户的信息按照各个电表的IP地址，发送回电表，路径只是上面所说的数据采集的逆向，这样我们就搭建一个智能电表的基于自动计量基础架构，即AMI架构。所谓AMI架构就是有IP地址的智能电表和电力公司之间的一种自动双向流通架构。

3.2、采样滤波：

整个硬件设计的关键部分就是信号采集，信号采集是将220V工频交流电转换成相对应的0到3V的交流信号。这是关系到整个系统精度的问题，如果采集失真，不仅导致精度下降，还有可能产生严重的错误。

此技术选用的是利用专用变压器件互感器直接进行变压，得到所需的交流信号后，经过滤波电路，直接输出给MCU的A/D接口进行采样，如图3-2。
 

图3-2 采样滤波电路示意图

电流通过专用变压器，将电压转换成0.5V的电压Ui；在通过一阶低通滤波R1、C1，低通滤波主要是为了滤掉高频的信号，电容是可以通过高频信号，而阻碍低频信号通过，将电容C1接地，便可滤掉高频信号；由于滤波后得到的信号比较弱，所以还要再加入一个通过电阻R2的Ur，Ur是0-3V的直流信号，最后将得到一个0-3V的交流信号U0。

3.3、智能电表硬件设计方法：

智能电表主要是由电子元器件构成，其工作原理是：首先通过对用户供电电压和电流的实时采样，利用集成电路，对采样电压和电流信号进行变压，通过滤波得到0-3V的模拟信号，再通过A/D转换器采样、保持、量化及编码四个过程后转换得到数字信号，在数字信号处理单元中通过公式进行计算，得出每秒的电量，进行累加，最后将所得到的电量值通过控制单元进行处理、控制，把电量值进行储存或输出。

图3-3 智能电表的结构框图

采用一个支持实时仿真和嵌入式跟踪的16/32位ARM7TDMI的CPU，并带有嵌入的高速Flash存储器，存储器接口和独特的加速结构使32位代码能够在最大时钟频率下运行。
为对代码规模有严格控制的应用可使用16位Thumb模式将代码规模降低超过30％，而性能的损失却很小。A/D转换器需要满足对三相工频交流电进行不失真的采样。多个串行接口可方便地进行接口扩展。

外设接口可以外接一个掌抄器，用于工作人员调试和维修等等。数据存储、输出和显示都需要数据的不同结构，所以还需要对电量数据的结构转换，转换为相应的存储结构、输出结构和显示结构，这些都是在MCU的数据转换模块中进行。

3.4、智能电表的软件设计方法：

智能电表的软件主要是电量值的计算部分。我们采用软件编程来实现公式计算的方式计算电量值，其主要是在数字信号处理单元模块中执行。通过A/D转换器中得到的U0、I0 来计算ARM技术在智能电表上应用的论证与设计，但是积分在计算机的二进制计算中过于复杂。考虑到成本的问题，采用累加的方式代替积分运算，累加公式为 。ARM技术在智能电表上应用的论证与设计，如果N取值为100000，循环累加100000次就是一秒中智能电表计算出来的电量值。

总结：

本次设计主要是论述了ARM在智能电表中的应用，ARM在智能电表应用的最主要难题还是成本问题，所以在设计中也多次想到了节约成本的问题，包括在无线传输中尽量少使用无线模块和可以考虑实现多用户智能电表。ARM应用在智能电表中主要是考虑到智能电表的未来发展趋势，实现智能电表更多的可扩展性和兼容性，未来可以在基于ARM的智能电表里增加更多的实用功能。