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1 前言
我国在智能电网上面的投资将刺激智能电表的发展，这种电表比较先进，可以向负
责监控及收费的公用事业单位发送用电量信息。我国新建的住宅小区通常有几百户甚至上千户居民，传统的电能表计费方式已经不适应行业的发展要求，考虑到分时段、多费率计费及防窃电及人工抄表的诸多要求，多功能、体积小、复费率、成本低廉的智能电能表的使用将成为主流，电力行业对集中抄表系统的需求也变为更为迫切。
2 电能表硬件系统设计
所谓智能电能表是以微电子电路为基础完成电能计量的一种电能表。因为它没有转动
部分，为了有别于以电磁感应原理来完成电能计量的感应式电能表，这种电能表又叫静止式智能表、固态电能表。
（1）基本原理
电能计量的基本表达式如下：
E（t）=∫p（t）dt=∫u（t）i（t）dt。
式中：u（t）、i（t）、p（t）为瞬时电压、电流、功率值。为了便于自动化计量，将功率转为脉冲输出。或者，将电压、电流相乘得功率值，再在时间上累加即得电能值。定期输出该电能值，同时将暂存累加器清零。外部处理器再将所有的电能累加就得到总的电能值。电能计量单元工作原理，如图1所示。
（2）基于ST单片机智能电能表设计
根据当前智能表主流产品硬件模式，本设计利用了一种比较新的集成电路芯片，采用模块化设计的方式。这样既能事项产品的精度和可靠性要求，又能有效地降低成本，赢得市场竞争的优势。
电能表由以下几个模块组成：
基于STM8L152的微处理器及内置LCD驱动模块、基于430AFE253的采样模块、基于DS3231M的时钟芯片、基于MAX13085的串行通信芯片等。如图2所示。
STM8L152是系统的核心单元，内含丰富的资源，内置128K字节FLASH、6K字节RAM、4K字节EEPROM、LCD驱动模块、4个定时器、3个UART、2个SPI等。它管理着外围器件有序的执行，并进行显示、存储、掉上电、通信、计量、时间处理等任务调度。
430AFE253是单片微控制器，内置3路高精度AD转换器，其前端完成用户火线及零线基本电压、电流模拟量采集，并计算有功功率、无功功率、功率因数、频率等电参数。具有SPI接口及UART接口供MCU进行数据采集；并能进行脉冲信号输出。
采用DS3231M或QT8025T时钟芯片，为电能表提供精确的日历时钟，内置温度补偿模块，保证电能表在宽温度范围内工作时（-45℃～85℃）的精度要求。
显示单元，为用户提供直观的电能表电量、参数等数据显示。按键分循环按键和编程按键，当按下循环显示键，电能表按设置的显示内容切换显示内容；编程键用于确定电能表是否处于编程状态。
嵌入式安全模块ESAM芯片，物理上以加解密芯片的形式体现，内置CPU运算处理器和特定的加密算法，负责完成售电系统数据与电能表的传输过程中信息安全。
电源管理，为电能表提供电源管理。主要管理电能表的上、下电切换，唤醒、休眠切换，并计算电能表是否处于欠压还是过压状态。
存储器M24256BR为电能表提供數据存储空间，存储包括电量、校表参数、冻结记录、事件记录等数据。
载波模块用于电力线载波通信，为远程数据交互提供接口。
红外通信接口为检修人员提供基本的数据交互，方便维护人员进行参数查询及设置。
MAX13085的串行接口芯片用来扩展一个RS485通信接口，以实现电能表与上位及的通信和在线抄表。RS485是美国电气工业联合会（EIA）制定的利用平衡双绞线作传输线的多点通讯标准。它采用差分信号进行传输；最大传输距离可以达到1.2KM；最大可连接32个驱动器和收发器；接收器最小灵敏度可达到±200Mv；最大传输速率可达到2.5Mb/s。由此可见，RS485协议正式针对远距离、高灵敏度、多点通讯制定的标准。这点上特别适合于电能表与上位机的远程通信。RS485硬件连接图如图3所示。
3 电能表软件设计
在嵌入式系统中，软件与硬件同样重要。硬件是电能表的基础，软件是灵魂。但电能表硬件确定之后，主要功能靠软件来实现。
根据电能表的硬件电路设计以及电能表的功能要求，电能表运行的过程可以表述如下：系统的主程序很大部分是调用一些子程序来实现预期的软件功能。它是整个电表设计的主线，上电复位后，进入主程序，除了初始化程序和上电电量数据清零程序侯，其他部分是一个无限循环圈，电表的所有功能都是在这个大循环里执行，除非系统掉电或程序干跑飞，执行过程是不会跳出这个循环的。系统的初始化程序包括MCU初始化、计量芯片430AFE253初始化、时钟DS3231M初始化、键盘/显示初始化等。在主循环处理函数中，系统在每个循环“喂”看门狗、查询任务启动模块的标志信息进行任务处理。在基本节拍中，校验430AFE253的参数、读取DS3231M或QT8025T的日历数据。主函数流程图4如下。
4 结束语
电能表电量的计量关系到国家坚强电网建设的有效实施、关系千家万户利益的全民工程。目前针对电能表仪表发展的现状和存在的问题，提出了一种基于STM8L152单片机的设计理念，完成了一种智能电能表设计，达到如下功能：
（1） 能同事计量多个用户的双向有功计量。
（2） 具有多费率计量功能。
（3） 能存储12月的结算电量。
（4） 能记录254个整点电能数据。
（5） 提供精确的日历时钟。
（6） 具有友好的LCD显示功能。
（7） 具有过压、欠压等报警信息。
（8） 具有保电、跳闸等费控功能。
（9） 具有安全认证功能。
该方案关键元器件选用国内外主流元器件，系统具有成本低、可靠性高、易维护等特
点，适合大批量安装使用，是一种很有市场竞争力的智能表方案。
参考文献
[1] 张有顺，冯井岗.电能计量基础[M].北京：中国计量出版社，2002.
[2] 万全.新型多用户电子式电能表的研究与设计[D].长沙：湖南大学，2004.
[3] 原明亭.多用户智能电能表中的数据安全存储技术[J].工业仪表与自动化装置，2005，（4）：45-47.
[4] 万福君.单片微机原理系统设计与应用[M].合肥：中国科学技术大学出版社，2002.
作者简介
李家才（1959-），男，籍贯辽宁，教授级高级工程师，从事电力工作。
谢宏伟（1976-），男，籍贯内蒙古，高级工程师，从事电力工作。
王化民（1966-），男，籍贯内蒙古，高级工程师，从事电力工作。
华亮亮（1980-），男，籍贯内蒙古，工程师，从事电力工作。
马宗超（1971-），男，籍贯山东， 高级工程师，从事电力工作。
我国在智能电网上面的投资将刺激智能电表的发展，这种电表比较先进，可以向负
责监控及收费的公用事业单位发送用电量信息。我国新建的住宅小区通常有几百户甚至上千户居民，传统的电能表计费方式已经不适应行业的发展要求，考虑到分时段、多费率计费及防窃电及人工抄表的诸多要求，多功能、体积小、复费率、成本低廉的智能电能表的使用将成为主流，电力行业对集中抄表系统的需求也变为更为迫切。
2 电能表硬件系统设计
所谓智能电能表是以微电子电路为基础完成电能计量的一种电能表。因为它没有转动
部分，为了有别于以电磁感应原理来完成电能计量的感应式电能表，这种电能表又叫静止式智能表、固态电能表。
（1）基本原理
电能计量的基本表达式如下：
E（t）=∫p（t）dt=∫u（t）i（t）dt。
式中：u（t）、i（t）、p（t）为瞬时电压、电流、功率值。为了便于自动化计量，将功率转为脉冲输出。或者，将电压、电流相乘得功率值，再在时间上累加即得电能值。定期输出该电能值，同时将暂存累加器清零。外部处理器再将所有的电能累加就得到总的电能值。电能计量单元工作原理，如图1所示。
（2）基于ST单片机智能电能表设计
根据当前智能表主流产品硬件模式，本设计利用了一种比较新的集成电路芯片，采用模块化设计的方式。这样既能事项产品的精度和可靠性要求，又能有效地降低成本，赢得市场竞争的优势。
电能表由以下几个模块组成：
基于STM8L152的微处理器及内置LCD驱动模块、基于430AFE253的采样模块、基于DS3231M的时钟芯片、基于MAX13085的串行通信芯片等。如图2所示。
STM8L152是系统的核心单元，内含丰富的资源，内置128K字节FLASH、6K字节RAM、4K字节EEPROM、LCD驱动模块、4个定时器、3个UART、2个SPI等。它管理着外围器件有序的执行，并进行显示、存储、掉上电、通信、计量、时间处理等任务调度。
430AFE253是单片微控制器，内置3路高精度AD转换器，其前端完成用户火线及零线基本电压、电流模拟量采集，并计算有功功率、无功功率、功率因数、频率等电参数。具有SPI接口及UART接口供MCU进行数据采集；并能进行脉冲信号输出。
采用DS3231M或QT8025T时钟芯片，为电能表提供精确的日历时钟，内置温度补偿模块，保证电能表在宽温度范围内工作时（-45℃～85℃）的精度要求。
显示单元，为用户提供直观的电能表电量、参数等数据显示。按键分循环按键和编程按键，当按下循环显示键，电能表按设置的显示内容切换显示内容；编程键用于确定电能表是否处于编程状态。
嵌入式安全模块ESAM芯片，物理上以加解密芯片的形式体现，内置CPU运算处理器和特定的加密算法，负责完成售电系统数据与电能表的传输过程中信息安全。
电源管理，为电能表提供电源管理。主要管理电能表的上、下电切换，唤醒、休眠切换，并计算电能表是否处于欠压还是过压状态。
存储器M24256BR为电能表提供數据存储空间，存储包括电量、校表参数、冻结记录、事件记录等数据。
载波模块用于电力线载波通信，为远程数据交互提供接口。
红外通信接口为检修人员提供基本的数据交互，方便维护人员进行参数查询及设置。
MAX13085的串行接口芯片用来扩展一个RS485通信接口，以实现电能表与上位及的通信和在线抄表。RS485是美国电气工业联合会（EIA）制定的利用平衡双绞线作传输线的多点通讯标准。它采用差分信号进行传输；最大传输距离可以达到1.2KM；最大可连接32个驱动器和收发器；接收器最小灵敏度可达到±200Mv；最大传输速率可达到2.5Mb/s。由此可见，RS485协议正式针对远距离、高灵敏度、多点通讯制定的标准。这点上特别适合于电能表与上位机的远程通信。RS485硬件连接图如图3所示。
3 电能表软件设计
在嵌入式系统中，软件与硬件同样重要。硬件是电能表的基础，软件是灵魂。但电能表硬件确定之后，主要功能靠软件来实现。
根据电能表的硬件电路设计以及电能表的功能要求，电能表运行的过程可以表述如下：系统的主程序很大部分是调用一些子程序来实现预期的软件功能。它是整个电表设计的主线，上电复位后，进入主程序，除了初始化程序和上电电量数据清零程序侯，其他部分是一个无限循环圈，电表的所有功能都是在这个大循环里执行，除非系统掉电或程序干跑飞，执行过程是不会跳出这个循环的。系统的初始化程序包括MCU初始化、计量芯片430AFE253初始化、时钟DS3231M初始化、键盘/显示初始化等。在主循环处理函数中，系统在每个循环“喂”看门狗、查询任务启动模块的标志信息进行任务处理。在基本节拍中，校验430AFE253的参数、读取DS3231M或QT8025T的日历数据。主函数流程图4如下。
4 结束语
电能表电量的计量关系到国家坚强电网建设的有效实施、关系千家万户利益的全民工程。目前针对电能表仪表发展的现状和存在的问题，提出了一种基于STM8L152单片机的设计理念，完成了一种智能电能表设计，达到如下功能：
（1） 能同事计量多个用户的双向有功计量。
（2） 具有多费率计量功能。
（3） 能存储12月的结算电量。
（4） 能记录254个整点电能数据。
（5） 提供精确的日历时钟。
（6） 具有友好的LCD显示功能。
（7） 具有过压、欠压等报警信息。
（8） 具有保电、跳闸等费控功能。
（9） 具有安全认证功能。
该方案关键元器件选用国内外主流元器件，系统具有成本低、可靠性高、易维护等特
点，适合大批量安装使用，是一种很有市场竞争力的智能表方案。
参考文献
[1] 张有顺，冯井岗.电能计量基础[M].北京：中国计量出版社，2002.
[2] 万全.新型多用户电子式电能表的研究与设计[D].长沙：湖南大学，2004.
[3] 原明亭.多用户智能电能表中的数据安全存储技术[J].工业仪表与自动化装置，2005，（4）：45-47.
[4] 万福君.单片微机原理系统设计与应用[M].合肥：中国科学技术大学出版社，2002.
作者简介
李家才（1959-），男，籍贯辽宁，教授级高级工程师，从事电力工作。
谢宏伟（1976-），男，籍贯内蒙古，高级工程师，从事电力工作。
王化民（1966-），男，籍贯内蒙古，高级工程师，从事电力工作。
华亮亮（1980-），男，籍贯内蒙古，工程师，从事电力工作。
马宗超（1971-），男，籍贯山东， 高级工程师，从事电力工作。