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摘 要
智能电网的迅猛发展直接推动了智能电表的快速更新换代。最早使用的电表是机械式电表，通过磁场对转盘产生的力矩转动转盘计费，这种电表弊端极多，磁场很容易受到外界环境的干扰，导致电能计量不精确，灵敏度和稳定性很差。其后兴起的电子式电能表抛弃了早先的机械式计量方式，利用集成电路进行数据处理，很大程度上提高了计量的精度，同时大大减小了电能表的体积。随着近年来电子技术的飞速发展，电路集成化程度更高，出现了单片机、DSP、ARM等微处理器，人们将这些智能化集成芯片应用于电表中，使之具有更强大的功能。
本文设计了一款具有功率检测、显示功能，并能读取IC卡信息，能对电量进行管理的智能多功能电表。本设计以DSP微处理器作为核心，将采样得到的电参量进行实时分析，可存储测量结果，并通过网络将结果反馈给上位机，有显示和简单的操作功能，实现了人机交互。
本文首先介绍了智能电表发展的背景、国内外发展现状和所涉及到的基本理论概念；然后介绍了系统硬件电路的设计，包括对前置电路、A/D采样电路、DSP数据处理系统，以及输入输出系统和IC卡读写模块的设计，讲述了元器件的选型理由和每个模块的硬件连接电路；其次详细说明了谐波功率测量及仿真验证方法，包括了对于周期信号的傅立叶级数分解公式、DFT的基本原理和FFT算法概念的介绍，分析了谐波存在情况下的功率计算方法，介绍了DSP的浮点库，利用MATLAB对FFT算法进行验证，给出了简单的谐波电能计量例子；最后介绍了系统的软件设计，利用模块化设计结构，分为DSP主程序、AD采样子程序、按键子程序、主循环流程几个部分进行说明。
关键词：智能电表；FFT；AD转换；DSP
Abstract
The rapid development of smart grid directly promotes the rapid upgrading of smart electric meters. The earliest electric meter is the mechanical meter, which measures electricity by rotating the dial via a torque generated by the magnetic field. There are so many disadvantages in this way. For example, the magnetic field is so susceptible to the interference from external environment that the measurement is not enough accurate and the sensitivity and stability is poor. Then the electronic electric meter was invented, which abandoned the earlier mechanical measurement method. The electronic meter uses an integrated circuit for data processing. It greatly improved the accuracy of measurement, and greatly reduced the volume of meters. With the rapid development of electronic technology recently, the integrated circuit is higher intergraded than before, and the MCU (microcontroller), DSP, ARM and other microprocessors is appeared. They are applied to the meter as intelligent integrated chip and the electric meters have more functions.
This paper designed a smart electric meter, which can detect power, display, read the IC card information, and be able to manage the electric power. This design uses DSP as the CPU of the system. It can analysis electrical parameters that have been collected in real-time and store the measurement results, and then feedback these results to the upper computer through the network. It can also display the results and do some simple operation to achieve the human-computer interaction.
Firstly, This paper introduces the background of the development of smart meter. Secondly, this paper introduces the design of hardware circuit, including the pre-circuit, A/D sampling circuit, DSP data processing systems, the input/output system and IC card reader module design. It mainly tells the selecting reasons of hardware components and describes these connection circuits of each module. Then, it introduces the theoretical basis of the harmonic energy metering based on the Fourier transform, including decomposition formula of Fourier series for a periodic signal, the basic principle of DFT and FFT algorithm, and analyzes the power calculation method in case where there is some harmonic and the Floating Point Unit of DSP, using MATLAB to verify FFT algorithm, and it also gives a simple example of the measurement of harmonic energy. Finally, this paper introduces the design of the software, it can be divided into four parts to explain with a modular design structure: the main program, AD sampling subroutine, key subroutine, the main loop flow.
Key Words：smart electric meters；FFT；A/D conversion；DSP
目 录
第1章 绪论 1
1.1 课题的研究背景 1
1.2 国内外发展现状 1
1.3 本文的计量理论基础 2
1.4 本文的设计目标和主要研究内容 3
第2章 系统硬件设计 4
2.1 硬件系统总体方案设计 4
2.1.1 系统设计思路 4
2.1.2 总体设计框图 5
2.2 前置电路 6
2.2.1 互感器的选取与设计 6
2.2.2 放大滤波电路的选取与设计 7
2.3 采样电路 11
2.3.1 A/D转换器的选取 11
2.3.2 AD7610介绍 12
2.4 DSP数据处理系统 13
2.4.1 DSP在电能计量中的应用 13
2.4.2 DSP的选取 13
2.4.3 TMS320F28335简介 14
2.4.4 TMS320F28335与ADC接口电路设计 14
2.5 输入输出系统 15
2.5.1 显示模块设计 15
2.5.2 按键模块设计 16
2.5.3 无线通讯模块设计 17
2.6 IC卡读取模块设计 17
2.6.1 SLE4442简介 18
2.6.2 SLE4442与DSP接口电路设计 18
2.7 本章总结 19
第3章 谐波功率测量及仿真验证 20
3.1 傅立叶变换原理 20
3.2 离散傅立叶变换（DFT） 21
3.3 快速傅里叶变换（FFT） 21
3.4 谐波功率计算 24
3.5 FFT程序设计 25
3.6 FFT算法仿真验证 26
3.4.1 建立谐波电源 26
3.4.2 频谱分析计算 27
3.5 本章总结 29
第4章 系统软件设计 30
4.1 DSP主程序设计 30
4.2 AD采样子程序设计 30
4.3 按键子程序设计 31
4.4 主循环流程图设计 32
4.5 本章总结 33
第5章 总结与展望 34
5.1 全文小结 34
5.2 本文不足与工作展望 34
参考文献 35
致 谢 36
本文的设计目标和主要研究内容
本文在基本的电子式电能表的基础上，设计一款具有功率检测、显示功能，并能读取IC卡信息的电能表，以0.05精度级精准地进行计量，并且可以管理用户使用的电量。主要分为以下三部分进行介绍：
（1）系统硬件电路的设计：按照系统的整体设计框图，对前置电路、A/D采样电路、DSP数据处理系统，以及输入输出系统和IC卡读写模块进行设计，分析各个元器件的选型理由和每个模块的硬件连接电路。其中前置电路包括了互感器和放大器、滤波电路；采样电路由A/D转换器构成；DSP作为系统CPU，既完成数据处理的工作，同时还控制协同系统其他部分，使整个系统工作有条不紊地运行；输入输出系统包含了显示模块、按键模块以及与上位机做信息交互的无线通讯模块；最后是IC卡读取模块，用来与IC卡信息进行交互。
（2）谐波功率计算方法及仿真验证：介绍了基于傅里叶变换的谐波电能计量的理论基础，包括了对于连续周期信号的傅立叶级数分解公式、离散傅立叶变换的概念、快速傅立叶算法的基本原理、按时间抽取快速傅立叶算法的实现以及考虑谐波存在情况下的功率计算方法；给出FFT程序设计依据，即利用DSP浮点计算库，直接调用FFT算法，简单方便地实现了RFFT（快速FFT变换）；利用MATLAB构造简单的谐波电能计量例子进行仿真分析，以验证FFT算法。
（3）系统软件设计：利用模块化设计结构，分为DSP主程序、AD采样子程序、按键子程序、主循环流程来详细说明，并给出了各个模块的流程图
