引言：

隨著國民經濟的快速發(fā)展，電力已然成為國家最重要的能源。就民用電力來說，由于人民物質生活的極大豐富，生活質量迅速提高，對電力的需求也越來越大。但是，當前居民用電的管理過于落后，用電管理收費多年來一直采用先用電、后抄表、再付費的傳統作業(yè)方式，電量值計算方面也無法實現更高的精確度，偏差較大。為了適應社會的需要，保證用戶安全、合理、方便地用電，對傳統的電表和用電的進行重新設計，使之符合社會發(fā)展的需要就顯得很有必要。

1、智能電表的發(fā)展前景：

第一階段2000-2007

逐步以電子計量表取代傳統機電式電表;在美國和歐洲著手推廣單向通信網絡;

第二階段2008-2012

全球范圍內正在淘汰機電式電表;在歐美及中國大規(guī)模推廣基于自動計量基礎架構(AMI，即有IP地址的智能電表和電力公司之間的一種自動雙向流通架構)的雙向通信網絡;智能電表作為簡易型家庭網關，可用于多種公用設施的自動抄表(AMR)和負荷管理。

第三階段2013-以后

智能電表成為家庭網關，實現多種住宅控制功能，諸如安全，報警等;以家庭和單位實現智能化發(fā)電(太陽能和風能發(fā)電)和配電。

從以上三個階段我們可以看到，智能電表不僅沒有向小型、單一功能的方向發(fā)展，恰恰相反，未來將賦予智能電表更多的功能，使之成為家庭不可或缺的組成部分。

峰谷分時電價和避高峰電價的政策出臺，多費率表市場需求將進一步加大，尤其是大工業(yè)用戶，對智能多費率表的需求，將會產生快速的增長。隨著信息時代的推進及技術的發(fā)展，智能電表作為智能電網的神經末梢，在不久的將來，智能電表將在信息社會中發(fā)揮更大的作用，具有更加廣闊的應用前景。

2、ARM智能電表的提出：

正是由于以上背景，智能電度表應運而生。所謂智能電表，就是應用計算機技術與通訊技術等，形成以智能芯片為核心，具有高精確計算電量、與上位機通訊、用電相關數據顯示等功能的電度表。

電能表是電力企業(yè)收取電費的唯一工具，其性能的穩(wěn)定性、測量的準確性和可靠性關系到電力部門和用戶之間的結算問題，其中智能電表的電量值計量技術顯得尤為重要。大多數設計的智能電表系統其控制器一般是8位或16位的單片機控制，其控制功能比較簡單，很難實現網絡化和無線傳輸，對于未來智能電表系統的擴展性也比較有限?；谶@樣的局限性，我們提出一種基于ARM處理器的智能電表系統。

目前我們需要設計的智能電表主要實現以下功能：

1、實現智能電表的高精度計算和可擴展;

2、實現數據的雙向傳輸，包括無線抄表，電表將客戶用電情況發(fā)送給電力部門，電力部門將客戶賬戶余額發(fā)送回電表，并在電表上顯示;

3、實現數據的LED顯示，上月、本月電量的顯示，以及余額顯示等;

基于以上智能電表的功能設計，對電表的軟、硬件提出了更高要求，顯然傳統電表很難做到這些。ARM技術具有性能高、成本低和能耗低的特點，適用于多種領域，比如嵌入控制、消費/教育類多媒體和移動式應用等。到目前為止，ARM微處理器及技術的應用幾乎已經深入到各個領域，并且在智能儀器儀表上也有應用的先例，所以我們選用ARM技術應用在智能電表上。

智能電表是在數字電表的基礎上增加多個功能，使之能更加適應居民的要求，讀取用戶電量更加智能、方便和快捷，讓未來實現單個用戶的配電、變電也成為可能。

3、智能電表各功能設計：

3.1、遠程抄表的實現：

就系統的完整性而言，電力系統從發(fā)電、配電、傳輸和區(qū)域變電所已基本實現網絡化管理，而唯獨用戶終端沒有和網絡連接上，造成了系統的不完整，直接或間接的影響了系統潛能的發(fā)揮，所以我們設計了智能電表遠程抄表的這一技術。

由采集器定時順序采集來自多路分線連接的電表信號并進行數據處理、存儲，各采集器之間采用總線連接，最后連接至計算機。其典型特點是各戶表通過分戶線連接至采集器位置，再由采集器通過無線傳輸發(fā)送給服務器子系統，這樣可以避免為每個智能電表都安裝一個無線射頻模塊，以節(jié)約成本。如圖3-1所示。系統一般分為四層次結構：前端采集子系統、服務器子系統、通信子系統、管理中心子系統。

初步設想是在每棟樓里面安裝一個采集器，或者在一個小區(qū)里面安裝幾個采集器來實現整個抄表系統的前端采集子系統，采集器通過CAN總線來實現與各個智能電表的連接;然后將數據通過無線射頻的方式發(fā)送到街道或者一定范圍內安裝的服務器里;最后服務器通過通訊子系統，將數據發(fā)送到管理中心。管理中心也會將客戶的信息按照各個電表的IP地址，發(fā)送回電表，路徑只是上面所說的數據采集的逆向，這樣我們就搭建一個智能電表的基于自動計量基礎架構，即AMI架構。所謂 AMI架構就是有IP地址的智能電表和電力公司之間的一種自動雙向流通架構。

3.2、采樣濾波：

整個硬件設計的關鍵部分就是信號采集，信號采集是將220V工頻交流電轉換成相對應的0到3V的交流信號。這是關系到整個系統精度的問題，如果采集失真，不僅導致精度下降，還有可能產生嚴重的錯誤。

此技術選用的是利用專用變壓器件互感器直接進行變壓，得到所需的交流信號后，經過濾波電路，直接輸出給MCU的A/D接口進行采樣，如圖3-2。

電流通過專用變壓器，將電壓轉換成0.5V的電壓Ui;在通過一階低通濾波R1、C1，低通濾波主要是為了濾掉高頻的信號，電容是可以通過高頻信號，而阻礙低頻信號通過，將電容C1接地，便可濾掉高頻信號;由于濾波后得到的信號比較弱，所以還要再加入一個通過電阻R2的Ur，Ur是0-3V的直流信號，最后將得到一個0-3V的交流信號U0。

3.3、智能電表硬件設計方法：

智能電表主要是由電子元器件構成，其工作原理是：首先通過對用戶供電電壓和電流的實時采樣，利用集成電路，對采樣電壓和電流信號進行變壓，通過濾波得到0-3V 的模擬信號，再通過A/D轉換器采樣、保持、量化及編碼四個過程后轉換得到數字信號，在數字信號處理單元中通過公式進行計算，得出每秒的電量，進行累加，最后將所得到的電量值通過控制單元進行處理、控制，把電量值進行儲存或輸出。

采用一個支持實時仿真和嵌入式跟蹤的16/32位ARM7TDMI的CPU，并帶有嵌入的高速Flash存儲器，存儲器接口和獨特的加速結構使32位代碼能夠在最大時鐘頻率下運行。

為對代碼規(guī)模有嚴格控制的應用可使用16位Thumb模式將代碼規(guī)模降低超過30%，而性能的損失卻很小。A/D轉換器需要滿足對三相工頻交流電進行不失真的采樣。多個串行接口可方便地進行接口擴展。

外設接口可以外接一個掌抄器，用于工作人員調試和維修等等。數據存儲、輸出和顯示都需要數據的不同結構，所以還需要對電量數據的結構轉換，轉換為相應的存儲結構、輸出結構和顯示結構，這些都是在MCU的數據轉換模塊中進行。

3.4、智能電表的軟件設計方法：

智能電表的軟件主要是電量值的計算部分。我們采用軟件編程來實現公式計算的方式計算電量值，其主要是在數字信號處理單元模塊中執(zhí)行。通過A/D轉換器中得到的U0、I0來計算但是積分在計算機的二進制計算中過于復雜。考慮到成本的問題，采用累加的方式代替積分運算，累加公式為如果N取值為100000，循環(huán)累加100000次就是一秒中智能電表計算出來的電量值。

總結：

本次設計主要是論述了ARM在智能電表中的應用，ARM在智能電表應用的最主要難題還是成本問題，所以在設計中也多次想到了節(jié)約成本的問題，包括在無線傳輸中盡量少使用無線模塊和可以考慮實現多用戶智能電表。ARM應用在智能電表中主要是考慮到智能電表的未來發(fā)展趨勢，實現智能電表更多的可擴展性和兼容性，未來可以在基于ARM的智能電表里增加更多的實用功能。