基于ARM的智能电表系统设计与实现

吴昳恬

（苏州高等职业技术学校 江苏省苏州市 221500）

本智能电表系统使用数据收集芯片实时采集电力系统的数据，经处理器的高效处理之后，再由网络服务器将精准的数据远程传输到客户端，用户可查看并控制继电器打开/关闭功能。这就需要系统的软件和硬件具备较高的实时性和可靠性。为了满足上述功能，对系统提出以下要求：

（1）合理设计前端采集电路以保证良好的滤波效果；

（2）提高采集芯片的外部电路可靠性，保证有效且准确地测量电气参数；

（3）MCU优异的性能使其能够运行适当的操作系统，同时兼具较强的处理能力；

（4）系统应具有良好的网络通信能力以确保远程操作；

（5）系统应具有良好的实时性能和可靠性。

1 智能电表系统的总体设计方案

1.1 智能电表系统的总体设计

为了满足智能电表系统的上述需求，拟采用将软硬件模块化的总体设计方案，这种模块化的思路不仅可以实现动态的加载与移除，而且对于前期的开发具有便利性。

总体设计分为硬件和软件两部分。硬件部分的设计，采用ARM9系列S3C2440芯片，此芯片与ADE7758采集芯片进行交互通信，通信过程利用SPI接口实现，对于继电器模块的控制则由GPIO接口实现。软件部分的设计，选择在PC机上搭建嵌入式Linux开发环境和平台，同时定制和移植嵌入式Linux系统，采用交叉编译的方式编写和编译硬件设备的驱动程序，生成内核模块文件，并实现内核的动态加载，极大的方便了软件的开发与设计，与此同时对Boa服务器也进行移植。

1.2 智能电表系统的硬件设计

该智能电表系统设计的主CPU使用的是ARM芯片S3C2440，从电网信号电压的输入端开始分析，系统的硬件电路主要由以下部分组成（如图1）：

图1：系统硬件结构图

互感器处理电路、信号处理电路以及电能采集电路，用于前端数据处理。

继电器驱动电路，用于远程控制。

电参数计量电路等。

1.3 智能电表系统的软件设计

智能电表系统的软件设计是围绕其软件基础平台展开的，其软件基础平台为嵌入式Linux操作系统。

智能电表系统的软件按功能划分为三部分：嵌入式系统、设备驱动程序、应用程序。

2 智能电表系统硬件电路的设计与实现

本文研制的智能电表在线监控系统，既可以实时监控电网信号，又可以在线控制用电现场。首先介绍硬件电路部分的电路设计。

2.1 ARM系统硬件设计

2.1.1 主控芯片选型

为得到准确的数据，智能电表系统选择的是SAMSUNG公司的S3C2440作为ARM通信系统的主控芯片，此芯片的微处理器是以ARM920T为核心的SOC（System On Chip），采用0.13μm的CMOS存储单元和标准宏单元制造工艺，支持RISC（即16/32位精简指令集）。

2.1.2 主要电路及其作用

本文所包含的电路类型较多，主要由时钟电路、电源电路、存储电路以及复位电路构成。

（1）时钟电路：时钟是处理器系统运行的基础，本设计通过外接晶振的方式产生振荡（S3C2440的时钟可以选择晶振，也可以使用外部时钟）。

（2）电源电路：由于微处理器的内核模块和片内外设所使用的电压类型不同，因此电源电路需要提供这两种类型的电压。

（3）存储电路：易失性存储介质SDRAM、非易失性NOR flash 和 NAND flash是微处理器的存储系统所使用的存储介质。SDRAM芯片型号是K4S561632；而NOR flash芯片型号是EN29LV160AB；NAND flash的芯片的存储容量是256M字节。

（4）复位电路：本文中的复位芯片选用的是MAX811。电平转换电路是通过电平转换芯片将电平不匹配实现电平转换。

2.1.3 LCD液晶显示器

本文中采用的LCD液晶显示器为3.5寸的W35真彩屏。该显示器便于驱动（Linux-2.6.32.2 内核已经支持S3C2440 的LCD 控制器驱动），性价比较好。

2.2 继电器驱动电路

继电器线圈需要流过较大的电流才能使继电器吸合，一般的集成电路不能提供这样大的电流，因此必须进行扩流，即驱动。本设计硬件部分采用光耦式继电器驱动电路，主要由S9013三极管、P521光耦，以及JQC-3EF继电器组成。

2.3 信号采集与调理电路设计

2.3.1 互感器电路

由于直接用分压的方式对电网信号进行测量，影响测量结果的因素很多，所以测量所得到的结果与真实数据之间会有较大偏差，因此需要对电网信号进行一次降压测量，测量过程中需要选择适合的互感器。根据实际情况，并对各种因素进行综合性的考虑，我们选择电压互感器TV1013-1M和电流互感器TA0913-2M。

2.3.2 信号调理电路

信号调理把来自传感器的模拟信号变换为用于数据采集、控制过程、执行计算显示读出和其他目的的数字信号。本系统中信号调理电路的作用是将待测信号通过放大、滤波等操作转换成采集设备能够识别的标准信号，使输出的电压值偏置到所要求的范围±0.5V。

2.4 电参数计量电路设计

对芯片类型的选择是按照芯片的运算处理能力、运算的速度、结果的精确度、以及芯片的功耗和价格是计量芯片的选择原则，对以上各个因素进行综合考虑，本文选择ADE7758芯片。ADE77581是一款高准确度的三相电能计量芯片，带有两路脉冲输出功能和一个串行接口。ADE7758 集成了二阶Σ-D模数转换器, 数字积分器，基准电路，温度传感器，以及所有进行有功，无功和视在电能计量以及有效值计量所需的信号处理元件。

3 智能电表系统软件电路的设计与实现

3.1 Linux设备驱动

Linux系统可以将硬件设备看作特殊文件，并通过虚拟文件系统（VFS）管理和控制各种设备。硬件装置驱动器通过IOCT1、读取、灯光等文件操作功能来封装硬件装置的细节，并且硬件装置被封装为装置文件。用户可以直接访问设备文件，过程类似于设备驱动器通过这些文件操作功能实现的主要功能。硬件设备的初始化、设备的运行状态的控制、与用户层的交互。

Linux系统将设备分成三个基本类型，每个模块通常作为其中的一个来实现。然而，这种方法不太好将模块分割成不同类型或类别，但是可以建立大模块来执行不同类型的设备驱动。

Linux系统是一个单一的内核操作系统，提供模块加载机制。也就是说，内核模块不需要编译到内核图像中。系统启动后，该方法对Linux内核设备驱动程序的写入和调试非常有用，设备驱动程序的写入和调试基于模块加载机制。

3.2 电参数计量电路设计

综合考虑计算功率和速度、精度、价格和消耗功率这些因素，我们选定了市场上广泛使用的ade 7758芯片并依次为基础设计电路，该芯片是ADI公司生产的功率测量用集成芯片，主要适用于3相3线方式、3相4线方式、50Hz或60Hz的标准频率的电力网格。提供具有相位分离、相位关闭参数和中断请求输出功能的SPI兼容串行接口，有源能/反应能/表观能、电压RMS、电流RMS和采样波形数据。

模拟数字转换器和数字信号处理器技术在各种环境和时间条件下确保了高精度。电流信道上的可编程增益放大器允许电流分流器和变流器的直接连接。国外ADS 7758电表正朝着高电流和动态需求的方向发展。美国模拟设备公司（ADI）被高容量模拟数字转换器（A/D）和固定模式数字处理信号处理器（DSP）所替代。功率监测和计量功能芯片包括第二XI-I∆A/D转换器、数字积分器、基准电压和温度传感器。具有单端电压输入的3个通道，最大容许范围为±0.5v。每一电流和电压信道具有具有具有放大增益1、2或4的可编程增益放大器（PGA），且增益由用户编程确定，因此对应的输入电压可设定为±0.5V、0.25V、±0.15V。除了增益放大功能之外，电流通道还采用了a/d设置和置换全尺度范围的选择。它不仅降低了功率检测应用模块的设计难度，而且还实现了全电子、静态和智能，以改善系统性能和降低制造成本，并且使用现有的嵌入式网络技术可以完成自动米读、多功能测量和实时控制等扩展应用功能。它具有高精度、实时、高可靠性和双向通信功能，满足电力市场持续发展的新要求，为电力公司提供各种增值服务。

4 结束语

本文对基于ARM的智能电表系统的设计与实现进行了介绍，现就以下两点总结和展望：

（1）从设计角度看，该类型智能电表系统集集成嵌入技术、通信技术和计量技术等多种技术于一体，涉及智能电表主程序工作流程、Linux系统下的硬件设备驱动开发和网络通信的软件设计等技术。

（2）从应用前景看，基于ARM 的智能电表系统具备实时性强、功耗低、建设成本少、后期升级维护的成本低、系统传输的容量大、通信的费用低等很多优点，最终成功实现了实时数据采集和远程控制继电器通断。这些技术优势极大的满足了实际应用的需求，使该技术拥有广泛和良好的应用前景。